关键词:
旋喷静压复合桩
竖向抗压承载特性
内外界面强度特性
芯桩-水泥土界面
粘结系数
摘要:
随着我国城市化进程的发展,城市建设用地紧张的矛盾日益明显,城市更新可有效地缓解用地紧张问题,成为了实现可持续发展的有效解决途径。城市更新离不开对既有建筑的加固与改造,在既有建筑的加固改造过程中,地基基础的加固改造或托换问题是在所难免的,桩基础是既有建筑加固与改造的重要手段,普通的桩基施工工艺难以满足既有建筑加固与改造低净空的施工条件,而高压旋喷工艺与钢管静压工艺结合的旋喷静压复合桩技术不仅可有效地解决既有建筑加固改造中施工受限的难点问题,且受力更加合理,其单桩承载力远高于其他桩型。
本文针对北京地区典型粉质黏土,通过旋喷静压复合桩竖向抗压承载特性试验、水泥土试块强度试验、界面强度特性试验与数值模拟等研究方法,对旋喷静压复合桩竖向抗压承载特性进行了系统研究,主要得出以下研究成果:
(1)水泥掺量、水灰比和龄期是影响水泥土强度的主要因素;水泥掺量和水灰比一定时,水泥土强度随龄期的增长而增长,不同水泥掺量和水灰比下的水泥土强度随龄期的增长速率不同;水泥土强度受水泥掺入量和水灰比的双重控制,同一龄期下,当水泥掺量一定时,水泥土强度随水灰比的增加而减小;水灰比一定时,水泥土强度并不总是随水泥掺量的增加而增加,而是存在一最优水泥掺量,不同水灰比下的最优水泥掺量不同。
(2)本试验中静压桩、高压旋喷桩、旋喷静压复合桩和灌注桩四种桩型的极限承载力平均值由小到大排序为静压桩、灌注桩、高压旋喷桩、旋喷静压复合桩。静压桩桩径在四种桩型中最小,因此,静压桩相对于其他桩型具有较低的极限承载力,但其极限端阻力高于灌注桩和旋喷静压复合桩;高压旋喷桩由于高压旋喷施工工艺使得桩土界面更不规则,同时,成桩桩径略高于灌注桩,因此桩土界面可提供更高的侧阻力,其极限承载力高于灌注桩;高压旋喷桩由于桩身强度不足,发生桩身强度破坏,桩土界面侧阻力未充分发挥;旋喷静压复合桩通过芯桩的植入大大增加了桩身强度,使得桩土之间的侧阻力充分发挥出来,因此,旋喷静压复合桩极限承载力高于其他三种桩型。
(3)旋喷静压复合桩具有高承载力、受力合理与挤土效应低等特点。静压桩的端阻比高于灌注桩和旋喷静压复合桩;静压桩的平均侧阻力随位移变化表现出明显的弹塑性特征,同时旋喷静压复合桩的桩端阻力随位移变化也表现出弹塑性特征;相对于静压桩和灌注桩,旋喷静压复合桩表现出更为明显的摩擦桩特性,旋喷静压复合桩的承载力主要依靠桩身侧阻力提供。
(4)芯桩-水泥土界面和水泥土-桩周土界面是控制旋喷静压复合桩破坏模式的关键因素,芯桩-水泥土界面在受荷过程中经历了弹性阶段、脆性破坏阶段和剪切滑移阶段,芯桩-水泥土界面的极限侧阻力与水泥土强度近似呈线性变化,不同芯桩材料的芯桩-水泥土界面的粘结强度有较大差异,钢管-水泥土界面的粘结系数平均值为6.66%,低于混凝土-水泥土试件的粘结系数平均值15.39%,且混凝土-水泥土试件的粘结系数与水泥土强度近似呈线性关系,水泥土-桩周土之间的界面侧阻力由水泥土和桩周土之间的机械咬合力、粘结力、侧摩阻力提供,与桩周土所承受的竖向应力近似呈线性关系。
(5)数值模拟的结果表明,将芯桩-水泥土界面的本构关系应用于旋喷静压复合桩有限元模型中,其模拟结果与旋喷静压复合桩实际承载效果相差不大,具有一定的可靠性。桩周土黏聚力和内摩擦角对旋喷静压复合桩的承载力有显著影响,其中黏聚力影响旋喷静压复合桩荷载-位移曲线发生非线性段的位置,而内摩擦角影响旋喷静压复合桩荷载-位移曲线发生非线性段后的斜率。