陈再谦(1981-), 男, 主要从事岩土工程研究, E-mail:
Chen Zaiqian(1981-), main research interest: geotechnical engineering, E-mail:
Rao Junying(corresponding author), PhD, E-mail:
对桩心配筋桩、钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩共27根试件进行极限抗弯承载力试验,发现桩心配筋桩极限抗弯承载力较低且为脆性破坏,钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩表现出较高的极限抗弯承载力和延性性能。对桩心配筋桩、钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩荷载位移曲线进行分析,将桩心配筋桩受荷分为试件咬合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,将钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩分为试件咬合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段。钢管+桩心配筋桩极限抗弯承载力计算可用钢管混凝土桩极限抗弯承载力乘以1.2的提高系数计算。
The ultimate flexural bearing capacity test was carried out through a total of 27 root specimen of the heart reinforcement pile, the steel pipe + heart reinforcement pile, the steel pipe + H section steel pile. It wasfound that the heart reinforcement pile ultimate flexural bearing capacity is low and that the failure was of brittle type, while the steel pipe + heart reinforcement pile and the steel pipe + H section steel pile show a higher bearing capacity and was of better ductility performance. Through the load-displacement curve, the heart reinforcement ile under loading is divided into specimen bite stage, elastic stage, elastic-plastic stage and failure stage, while the steel pipe + heart reinforcement pile and the steel pipe + H section steel pile can be divided into specimen bite stage, elastic stage, elastic-plastic stage and strengthening stage. The ultimate flexural bearing capacity for steel pipe + heart reinforcement pile can be regarded as that of steel pipe concrete pile multiplied by an increase coefficient of 1.2.
微型桩作为一种直径小于300 mm的钻孔灌注桩,桩体主要采用钢管、钢筋或型钢等材料,钻孔成型后以压浆方式充填细石混凝土或水泥砂浆[
通过几种不同截面形式下的微型桩极限抗弯承载力试验取得的一些试验结果,总结出微型桩的抗弯承载力与桩体截面形式的关系。
1) 试验准备阶段:查阅相关资料,购买试验材料,制作试验所需的试件和混凝土立方体标准试块,试件养护,压力试验机和应变测试系统的调试。
2) 试验实施阶段:将试件需贴片处表面打磨,粘贴应变片,按试验试件摆放位置安装试件,连接数据采集系统,设置数据采集相关参数,最后采用预设的加载方式进行加载直至试件破坏或变形达到试验要求为止,并用相机拍摄试验过程中的试件状态图片。
3) 试验后处理阶段:数据整理。
微型桩的极限抗弯承载力试验采用改装过的YAS-2000型压力试验机,在试验台上部的刚性横梁上焊接倒挂外台座,并固定横梁位置,通过压力油泵将焊接内台座的试验台下部顶升,从而满足微型桩试件中段为纯弯段的试验条件,如
改装过的YAS-2000型压力试验机
Modifiedyas-2000 pressure testing machine
荷载加载形式
Loading mode
数据采集装置主要由一台静态电阻应变仪和一台计算机组成,在试验开始前需将电脑和静态电阻应变仪接通,并调试正常,使试验数据能准确地被计算机记录,试验进行中,采用温度补偿,为测量试件在受力全过程中的纵向变形,在每个试件中点所对应的截面位置沿纵向粘贴应变片,此过程需注意的是,应变片和试件粘贴牢固,连接导线编号分组,等应变片和试件的粘接强度达到共同变形的要求后方可进行试验,过程中保持应变片平整无折痕。
微型桩的截面形式多样,有桩周配筋、桩心配筋、钢管注浆等。试验采用的3种截面形式如
3种微型桩的截面形式
Section form of three micro-piles
微型桩试件截面尺寸(单位:mm)
Section size of micro-pile specimen (unit: mm)
尺寸规格 | 指标 | 桩心配筋桩 | 钢管+桩心配筋桩 | 钢管+H型钢桩 |
尺寸规格1 | 外径 | 140 | 140 | 140 |
钢管壁厚 | 4.5 | 4.5 | ||
钢筋直径 | 25 | 25 | ||
H型钢规格 | HN100×50 | |||
尺寸规格2 | 外径 | 168 | 168 | 168 |
钢管壁厚 | 5 | 5 | ||
钢筋直径 | 25 | 25 | ||
H型钢规格 | HN100×100 | |||
尺寸规格3 | 外径 | 203 | 203 | 203 |
钢管壁厚 | 6 | 6 | ||
钢筋直径 | 25 | 25 | ||
H型钢规格 | HN125×125 |
经过对试验数据的处理,得到了各试件的极限抗弯承载力、加载全过程的荷载-位移曲线,在试验完成后,对试件的最终状态拍照记录,了解试件的破坏形态。
经试验测得,桩体破坏且产生过大变形(约15 cm)时的最终荷载值如
试验数据统计表
Statistical table of test data
试件型号 | 直径/mm | 桩心配筋桩 | 钢管+桩心配筋桩 | 钢管+H型钢桩 | ||||||||
荷载 |
平均力/kN | 极限抗弯承载力/(kN·m) | 荷载 |
平均力/kN | 极限抗弯承载力/(kN·m) | 荷载 |
平均力/kN | 极限抗弯承载力/(kN·m) | ||||
尺寸规格1 | 140 | 22.79 |
23.33 | 11.67 | (64.60) |
108.30 | 54.15 | 97.03 |
100.56 | 50.28 | ||
尺寸规格2 | 168 | 28.97 |
15.48 | 166.94 |
76.81 | 180.11 |
82.77 | |||||
尺寸规格3 | 203 | 45.70 |
39.16 | 19.58 | 361.27 |
365.43 | 182.72 | 421.94 |
418.42 | 209.21 |
通过
极限抗弯承载力变化曲线
Curves of ultimate flexural capacity
整理试验数据发现,对于同类不同直径下的桩心配筋桩、钢管+桩心配筋桩、钢管+H型钢桩荷载-位移曲线类似,故各取一组数据作说明。
桩心配筋桩荷载-位移曲线(直径168 mm)
Heart of pile reinforcement of pile load-displacement curves(Diameter is 168 mm)
第1阶段:试件咬合阶段
第2阶段:弹性阶段
第3阶段:弹塑性阶段
第4阶段:破坏阶段
试验过程中明显发现,从荷载正常施加开始,受拉侧混凝土便产生微裂缝,一直不断向受压侧扩展,呈脆性破坏趋势,钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能都未得到充分的体现,此种组合方式在工程中不适宜推广使用。
钢管+桩心配筋桩荷载-位移曲线(直径168 mm)
Steel pipe + heart reinforcement pile load-displacementcurves (Diameter is 168 mm)
钢管+H型钢桩荷载-位移曲线(直径168 mm)
Steel pipe + H section steel pile load-displacement curves(Diameter is 168 mm)
第1阶段:试件咬合阶段
第2阶段:弹性阶段
第3阶段:弹塑性阶段
第4阶段:强化阶段
通过分析试件的破坏形态不仅可以直观地得出试件是延性破坏或脆性破坏,还可了解影响试件破坏形态的因素以及对各因素采取针对性的措施,以充分发挥试件的承载能力。
桩心配筋桩破坏形态
Failure mode of heart of pile reinforcement of pile
钢管+H型钢桩破坏形态
Failure mode of steel pipe + H section steel pile
理论分析采用如下基本假定:
1) 组合构件截面应变沿截面高度呈线性分布,即符合平截面假定,忽略剪力对构件变形的影响;
2) H型钢与混凝土、混凝土与钢管、混凝土与钢筋之间无相对滑移,协同作用,钢管、钢骨的应力取其应变与弹性模量的乘积;
3) 忽略受拉区混凝土对抗拉承载力的贡献,混凝土受压区为半圆形,其应力图采用实际受压区高度的矩形图形,混凝土极限应变取0.003。
由试验结果看,当直径为140 mm时,桩心配筋桩的极限抗弯承载力仅为11.67 kN·m;直径为168 mm时,极限抗弯承载力仅为15.48 kN·m;直径为203 mm时,极限抗弯承载力仅为19.58 kN·m。钢筋、混凝土材料的性能没有有效的发挥出来,不适宜推广,故不对其承载力公式计算进行推算。
试验中发现,钢管+桩心配筋桩纯弯段中性轴在加载过程中从对称轴往受压区移动,桩心钢筋贡献了部分拉力,但由于距离中性轴较近,未能达到屈服。参考文献[
式中:
式中:
现将试验值与文献[
试验值与文献[
Comparison between test value and reference [
直径/mm | 试验值/(kN·m) | 文献[ |
比值 |
140 | 054.15 | ||
168 | 076.81 | 043.06 | 1.78 |
203 | 182.72 | 101.11 | 1.81 |
混凝土达极限压应变
Comparison between reference [
直径/mm | 试验值/(kN·m) | 文献[ |
比值 | 推荐 |
140 | 036.40 | 1.2 | ||
168 | 064.23 | 043.06 | 1.49 | 1.2 |
203 | 126.92 | 101.11 | 1.26 | 1.2 |
由
采用极限状态下的叠加原理[
钢管+H型钢桩计算简图
Calculation diagram of steel pipe +H section steel pile
根据
混凝土受压区合力
H型钢上翼缘弹性受压
H型钢腹板弹性受压
H型钢腹板弹性受拉
钢骨腹板部分受拉屈服
钢骨受拉翼缘
受压钢管
受拉钢管
按
此时,
式中:
现以直径为140 mm的钢管+H型桩为例进行计算,
当取
1) 钢管抗弯承载力最大值为
2) 混凝土抗弯承载力最大值为
3) H型钢受压承载力最大值为
4) H型钢受拉承载力最大值为
因此,
同理,可计算得
从理论计算与试验结果来看,试验结果显著大于理论计算结果。分析原因发现,理论计算结果未考虑钢管对混凝土及桩心H型钢的约束作用,仅为各建材承载力的简单叠加,从而导致理论计算结果偏小。建议在对钢管+H型钢桩抗弯承载力理论计算时,仍可按文中式(5)~式(15)计算,但最终结果需对原简单叠加公式进行修正,修正后的钢管+H型钢桩抗弯承载力计算式为
式中:
混凝土达极限压应变时的试验与修正理论结果
Modified theoretical results and test results when concrete reaches
直径/mm | 试验值/(kN·m-1) | 修正理论值/(kN·m-1) | 误差/% |
140 | 39.95 | 32.94 | 17.55 |
168 | 65.71 | 60.69 | 7.64 |
203 | 131.93 | 107.08 | 18.84 |
从
1) 通过对桩心配筋桩、钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩共27根试件进行极限抗弯承载力试验,发现桩心配筋桩表现出较低的极限抗弯承载力和脆性破坏特征,钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩表现出较高的极限抗弯承载力和较好的延性性能。
2) 通过对桩心配筋桩、钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩荷载-位移曲线分析,可将桩心配筋桩受荷分为试件咬合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,将钢管+桩心配筋桩和钢管+H型钢桩分为试件咬合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段。
3) 对钢管+桩心配筋桩极限抗弯承载力计算可由钢管混凝土桩极限抗弯承载力值乘以1.2的提高系数。
4) 计算钢管+桩心H型钢桩极限抗弯承载力时需考虑钢管对混凝土及桩心H型钢的约束系数作用,建议取约束系数为1.8。
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