引用本文
崔宏环, 王文涛, 崔乃夫, 杨兴然, 何静云, 张振寰. 钢纤维混凝土桩水平承载特性试验研究[J]. 北京交通大学学报, 2019,43(3): 130-136.
CUI Honghuan, WANG Wentao, CUI Naifu, YANG Xingran, HE Jingyun, ZHANG Zhenhuan. Experimental study on horizontal bearing characteristics of steel fiber reinforced concrete pile[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2019,43(3): 130-136.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20180178  
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钢纤维混凝土桩水平承载特性试验研究
崔宏环a,b, 王文涛b, 崔乃夫b, 杨兴然b, 何静云b, 张振寰b
河北建筑工程学院 a.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,b.土木工程学院,河北 张家口 075000

第一作者:崔宏环(1974—),女,河北张家口人,教授,博士.研究方向为非饱和土基本性质与本构模型研究.email:cuihonghuan729@163.com.

收稿日期: 2018-12-17
基金: 河北省教育厅重点项目(ZD2018101); 河北建筑工程学院创新基金项目(XB201810)
摘要

为研究钢纤维混凝土桩水平荷载下的受力特性,开展了单桩水平静载试验,并设置素混凝土桩作为对比工况,将弯钩型钢纤维掺入混凝土桩进行试验,对比分析了钢纤维混凝土桩与素混凝土桩在水平荷载作用下的桩顶变位、桩身变形以及桩侧土抗力的变化规律,并对钢纤维混凝土桩基于水平荷载工况下的作用机理进行了分析.结果表明:由于钢纤维混凝土具有良好的抗拉性能,钢纤维的掺入对桩的水平承载特性有所提升,水平荷载下钢纤维混凝土桩相对于素混凝土桩来说,桩顶位移、桩身最大弯矩、桩侧土抗力均得到了有效控制,桩身最大弯矩大致分布在入土深度约0.43 m,桩身弯矩影响深度约为0.85 m.

关键词: 混凝土桩; 钢纤维; 承载特性; 模型试验
中图分类号:TU375 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2019)03-0130-07
Experimental study on horizontal bearing characteristics of steel fiber reinforced concrete pile
CUI Honghuana,b, WANG Wentaob, CUI Naifub, YANG Xingranb, HE Jingyunb, ZHANG Zhenhuanb
a.Reconstruction and Disaster Relief Key Laboratory,b.College of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou Hebei 075000, China
Fund:Key Project of Education Department of Hebei Province (ZD2018101); Innovation Fund Project of Hebei University of Architecture and Engineering (XB201810)
Abstract

In order to study the mechanical characteristics of steel fiber reinforced concrete pile under horizontal load, a single pile horizontal static test is carried out, when working condition with plain concrete pile is set incontrast test. The experiment of bending hook steel fiber being mixed with concrete pile is carried out,then we compare and analyze the change law of pile top displacement, pile body deformation and pile side soil resistance when steel fiber reinforced concrete pile and plain concrete pile are under horizontal load. And the mechanism of steel fiber reinforced concrete pile under horizontal load is analyzed. The results show that the reason why permeation of steel fibers can improve horizontal bearing capacity of pile is owing to the good tensile performance of steel fiber reinforced concrete. Compared with the plain concrete pile, the displacement of pile top,the maximum bending distance of pile body and pile side soil resistance are effectively controlled when the steel fiber piles reinforced concrete are under horizontal load. The maximum bending distance of pile body is approximately distributed with the soil depth of about 0.43 m, and the bending moment of pile body has a influence depth of about 0.85 m.

Keyword: concrete pile; steel fiber; bearing characteristics; model test

在基础工程和基坑支护工程中, 桩不仅要承受垂直荷载, 同时也要承受一定的水平荷载, 随着中国高层建筑以及深基坑的发展, 对桩的水平承载力的要求也逐渐提高, 一些研究无法直接在实际工程中开展试验, 所以一些学者在研究不同桩体的水平承载特性时, 往往采用室内模型试验的研究手段.

Sim等[1]研究表明玄武岩纤维混凝土与普通纤维混凝土相比, 其受拉强度高出1.5~2倍, 延伸率高出4~6倍, 而且破坏形态及特征、承载力都有所改善.刘汉龙等[2]开展了大型模型槽足尺试验, 根据桩身变形和弯矩分析了现浇混凝土桩的水平承载特性.Trochanis等[3]通过横、竖向荷载作用下三维有限元数值分析指出单桩横向荷载的存在对竖向承载力有一定提高.Meera等[4]的研究结果表明桩顶既有竖向荷载导致桩身水平位移的增大和水平承载力的降低.马金栋等[5]研究了水平荷载下变截面工字型钢筋混凝土桩的水平承载特性, 发现垂直翼缘方向的水平承载能力是腹板方向的3倍, 并对桩身最大弯矩与影响深度之间的关系进行了总结.魏焕卫等[6]为了研究被动桩的内力和变形规律, 在已有计算方法上推导了侧向受荷桩的内力变形微分方程.袁炳祥等[7]通过模型试验, 利用数字技术观测侧向受荷桩土体位移情况, 分析得到了侧向受荷桩周土体位移场的发展变化规律.郭亮等[8]研究了不同施工工艺微型灌注桩的水平承载特性, 对桩土最优刚度比和最佳注浆深度均进行了研究.王建华等[9]利用真空预压法, 研究了软土地基中桶型基础的承载特性.夏冬桃等[10]研究了混杂纤维喷射混凝土的弯曲韧性, 发现混杂纤维喷射混凝土展现出了良好的裂缝控制能力.欧阳芳等[11]进行了钢纤维混凝土桩承载特性模型试验, 发现掺入钢纤维能有效增大桩体抵抗压缩变形的能力, 提高了素混凝土桩的抗裂性能.尤志国等[12]等发现钢纤维掺量与钢纤维在试件断面处分布的均匀程度、根数等, 影响钢纤维混凝土试件的抗弯强度与弯曲韧性.张延年等[13]研究钢纤维混凝土拉压比的影响, 结果表明:钢纤维能提高混凝土立方体抗压强度和劈拉强度, 显著改善混凝土受压和受拉破坏形态.何桥敏等[14]研究了不同钢纤维掺量混凝土性能的影响, 钢纤维混凝土的最佳钢纤维掺量为1.5%.徐礼华等[15]研究了循环受压状态下的钢纤维混凝土, 分析钢纤维特征参数对其影响, 在此基础上, 建立了钢纤维混凝土循环受压弹塑性损伤本构模型.

综上所述, 以往研究对钢纤维混凝土桩的竖直承载特性研究较多, 对水平承载特性的研究较少, 但是工程中桩常受到挡土墙的水平荷载作用, 因此水平承载特性也是桩受力过程中不能忽略的部分.对于桩的水平承载特性研究, 模型桩试验具有一定的创新性, 且更能发挥研究人员的自主设计和钻研能力, 虽然与实际工程具有一定区别, 但是仍旧可以为工程实际和科研工作提供一些有益的方法, 因此本文作者首先开展素混凝土桩的水平承载特性试验, 根据试验结果, 将钢纤维掺入素混凝土桩中, 开展室内钢纤维混凝土桩模型试验, 研究钢纤维混凝土桩的水平承载特性.

1 试验概况
1.1 试验材料

试验所采用的土料取自河北建筑工程学院试验基地的粉质黏土, 对土料分别进行击实试验和液塑限联合测定试验, 得到其基本物理参数与试验所用钢纤维的基本参数见表1.水泥采用PC42.5号普通硅酸盐水泥, 砂采用水洗砂, 细度模数2.6, 石子粒径5~15 mm.素混凝土桩与钢纤维混凝土桩配合比为水:水泥:砂:石子=250:439:602:1140, 钢纤维掺量为50 kg/m3.

表1 材料基本参数 Tab.1 Basic parameters of material
1.2 试验模型

试验模型主要由加载设备、模型箱、测量系统3部分组成.加载设备采用RJ-10手动液压型千斤顶, 用于提供水平荷载, 最大量程为100 kN, 电子屏显可提供峰值荷载.模型桩桩径为150 mm× 150 mm, 桩长1.2 m, 模型箱尺寸为1.5 m× 1.5 m× 1.3 m.测量系统的主要测量设备包括DH3818-1静态应变测试仪、JMZX-3001土压力测试仪.测量元件包括电阻应变片、土压力盒、百分表.试验全景见图1.桩身两侧在被动土压力区各布置两个土压力盒, 左侧为A1、A2, 布置在桩身入土深度中下部, 其距离上部表层土体的位置为55、90 cm, 右侧为B1、B2, 布置在桩身入土深度中上部, 其距上层土体的位置为10、45 cm, 见图2, 其中桩的入土深度为1.0 m; 应变片紧贴桩身对称布置, 从上到下依次距离表层土体为7.75、35.75、64.25、94.75 cm.

图1 模型桩试验全景Fig.1 Panorama of model pile test

图2 模型桩仪器布置示意图Fig.2 Layout of model pile instrument

1.3 试验方案

1)确定模型桩混凝土配合比、桩的长度与截面尺寸, 进行素混凝土桩和钢纤维混凝土桩的预制.

2)模型桩在标准养护室养护到28 d龄期后拿出, 桩身贴应变片, 准备进行水平荷载下模型桩试验, 将素混凝土桩和钢纤维混凝土桩埋入模型箱中, 并进行填土, 对填土分5层进行夯实, 并在填土过程中按照设计方案埋设土压力盒.桩顶高出填土高度10 cm.模型桩埋设完毕后, 设置水平加载千斤顶和水平位移百分表, 模型试验装置基本完成.

3)模型试验装置布置完毕后, 正式进行试验, 采用逐级加载不卸载的方式, 对模型桩进行水平加载, 每级加载到指定力值稳定后, 加载速率约为0.05 MPa/s, 恒载5 min, 每隔5 s采集1次数据, 待数据稳定后, 利用相关设备记录模型桩桩顶位移、桩身应变、桩侧土压力随加载过程的数据, 然后进行下一级加载, 当位移超过15 mm后, 终止加载, 通过进一步分析, 得出试验结论.

因模型试验与实际试验具有一定偏差, 故需遵循相似原理, 本试验主要根据几何相似原则, 即原型和模型所对应的线性变量的比值相等原则, 得到长度比尺 λL、面积比尺 λA、体积比尺 λV分别为

λL=LpLm(1)

λA=ApAm=Lp2Lm2=λL2(2)

λV=VpVm=Lp3Lm3=λ3L(3)

式中: $L_p$ 、$L_m$ 分别为原型、模型长度; $A_p$ 、$A_m$ 分别为原型、模型截面积; $V_p$ 、$V_m$分别为原型、模型体积.试验以张家口市某实际工程为例, 该工程采用的支护桩桩长8 m, 桩径0.8 m, 同时考虑到桩周土边界距离应不小于3倍的桩径, 进行空间缩尺.关于材料模量缩尺方面, 本试验主要研究钢纤维掺入混凝土桩的水平承载特性, 设计 λA=6结合室内试验条件, 确定了模型箱尺寸以及模型桩尺寸.

2 试验结果分析
2.1 桩顶水平位移分析

对模型桩进行水平加载, 得到力-位移梯度以及力-位移曲线见图3、图4.图中 Y表示桩顶位移; H表示桩所受荷载.由图3可得, 当入土深度为1 m时, 素混凝土桩与钢纤维混凝土桩均加载到5 kN时发生位移梯度的突然增加, 因此认为极限荷载为5 kN.素混凝土桩与钢纤维混凝土桩相比, 掺入钢纤维对桩极限荷载影响不大, 但是可以明显看出钢纤维混凝土桩的位移梯度曲线相对于素混凝土桩来说较为平缓, 认为钢纤维混凝土桩在一定程度上减小了水平荷载下混凝土桩的水平变位.

图3 力-位移梯度曲线Fig.3 Force-displacement gradient curves

图4 力-位移曲线Fig.4 Force-displacement curves

由图4可知, 在水平荷载初始加载过程中, 两种桩体处于弹性阶段, 位移差相差不大, 当加载到3 kN时, 两种桩体处于微裂缝扩展阶段, 在水平荷载下的位移差开始发生明显增大, 最后直到桩体达到极限荷载, 进入破坏断裂阶段, 两种桩体的位移差一直相差较大.这是由于桩顶位移主要取决于桩身本身的刚度及桩间土的强度.在弹性阶段, 土体均开始受力, 这时桩体刚度的差别无法体现, 因此出现位移相差不大的结果, 随着逐渐加载到微裂缝扩展阶段再到破坏阶段, 这时钢纤维的作用就开始显现, 表现为钢纤维混凝土桩的桩顶位移要小于素混凝土桩, 当荷载达到极限荷载时, 桩体发生破坏.

由图3、图4可知, 对比素混凝土桩和钢纤维混凝土桩, 钢纤维混凝土桩的极限承载力并没有明显提高, 认为钢纤维对混凝土桩的刚度提升还不足以弥补其承受的被动土压力作用, 因此极限承载力没有明显提高.

2.2 桩身弯矩分析

根据桩身各点应变片读数可得桩体在各级荷载下的弯矩, 设计混凝土强度C30, 在不考虑桩重力引起轴力的前提下, 材料截面弯曲应力为

σ=M/W(4)

式中: M为截面弯矩; W为抗弯截面系数.通过提取各测点应变值, 利用式(4)计算各点在加载过程中的弯矩变化, 进而做出纵深下的弯矩分布图, 如图5、图6所示.

图5 素混凝土桩弯矩Fig.5 Bending moment of plain concrete pile

图6 钢纤维混凝土桩弯矩Fig.6 Bending moment of steel fiber reinforced concrete pile

由图6可知, 素混凝土桩与钢纤维混凝土桩, 两侧弯矩规律均大致呈对称分布, 趋势变化一致, 随着桩身埋深的增加, 从第1个应变片位置到第2个应变片位置, 桩身弯矩逐渐增大, 距离桩顶0.45 m处的弯矩达到最大, 之后随着桩身埋深的增加, 弯矩逐渐减小.试验的弯矩影响深度大概在0.8~0.9 m, 试验后经开挖发现, 桩身断裂位置距离桩顶大约为0.43 m, 与第2个应变片位置, 即35.75 cm处基本吻合, 大约占桩身的2/5, 最大拉应力基本处于该位置, 通过对比桩两侧最大拉应力可得, 当入土深度为1.0 m时, 钢纤维混凝土桩与素混凝土桩相比, 钢纤维混凝土桩最大弯矩小于素混凝土桩, 说明钢纤维的掺入分担了拉应力, 增强了桩身上部的抗弯能力.由试验发现桩身末端弯矩没有出现完全零点, 是由于室内已有试验条件的限制, 使得试验桩身埋深相对实际工程较浅, 但钢纤维混凝土桩在水平荷载下相对素混凝土桩仍具有改良作用.

2.3 桩侧土抗力分析

图7为素混凝土桩和钢纤维混凝土桩桩侧土压力变化曲线, 图8为土压力随位移增长的变化曲线.由图7可知, 两种桩的土压力变化趋势基本一致, 在水平荷载下土压力零点大致在入土深度的50%~60%之间, 说明该位置处于主动土压力状态.最大土压力为第1个土压力盒, 随着位移的变化距离桩顶0.1 m处的土压力增长幅度较大, 埋深增加, 土压力逐渐减小, 而受拉侧的最大土压力出现在距离桩顶0.9 m处, 得出桩体在这两处承受了较大的被动土压力.由图8可知, 随着桩顶位移的增加, 埋深0.1 m处的土压力上升幅度较大, 另外3个埋深测得土压力上升幅度较小, 表明上部表层土体对桩身水平承载特性有重要作用, 因此在地基处理过程中, 应对桩体表层土体进行加固处理, 增加桩体水平承载力.

图7 桩体土压力Fig.7 Soil pressure of pile

图8 桩体位移-土压力曲线Fig.8 Pile displacement-soil pressure curves

素混凝土桩与钢纤维混凝土桩最大土压力比见图9, 两种桩体最大土压力处的差异并不明显, 钢纤维混凝土桩的土压力值略低于素混凝土桩, 桩再逐渐达到极限荷载, 达到破坏阶段时, 二者差值逐渐增大, 说明钢纤维的掺入控制了桩体变形, 减小了桩体对土体的挤压作用, 从而减小了被动土压力, 但钢纤维的掺入没有对桩侧土压力的分布产生影响.

图9 最大土压力对比Fig.9 Comparisons of the maximum soil pressure

2.4 水平荷载下钢纤维混凝土桩作用机理分析

图10为钢纤维混凝土桩与素混凝土桩的断裂情况, 由图可知, 两种桩体的断裂长度相差不大, 并且断裂位置大致相同, 表明上部土体对桩身作用较为明显.由断裂面可得, 弯钩型钢纤维没有被拉断, 其端部弯钩发生被拉直现象, 表明在桩身受力破坏过程中, 弯钩型钢纤维的端部能够起到抵抗的作用, 并且根据试验结果发现, 加入钢纤维之后的混凝土桩由于减小了桩体的变形, 其对于水平荷载的承载能力优于素混凝土, 认为桩在受力时钢纤维发挥了明显的作用.

图10 桩体断裂示意图Fig.10 Diagram of pile fracture

对承受水平荷载的模型桩最大应力处进行分析, 处于土体中的桩体, 在水平加载的过程中, 钢纤维的作用机理表现出特殊性, 从加载到破坏, 主要分为以下3个阶段:

1)在承受水平荷载且并未破坏的过程中, 在最大受拉界面处, 沿桩体纵深, 水平加载过程中, 中性面左侧受拉, 右侧受压, 此时破坏面处于弹性阶段, 钢纤维尚未开始发挥作用.

2)微裂缝扩展阶段向破坏阶段发展时, 桩身最大弯矩处混凝土逐渐趋于受拉破坏, 此时钢纤维开始发挥作用, 通过钢纤维与混凝土的握裹力抵抗水平荷载产生的弯矩, 此时主要作用力为静摩擦力.

3)当桩身最大应变处表面混凝土发生开裂开始, 材料中性面逐渐向受压侧靠近, 沿着破坏面方向的钢纤维依次因桩体破坏与混凝土基体产生相对滑动, 最终被拔出.

3 结论

试验选取弯钩型钢纤维作为模型桩试验掺入纤维, 预制混凝土桩, 设置模型桩入土深度1.0 m, 模型桩采用方桩, 截面为150 mm× 150 mm, 进行水平荷载试验, 对加载过程中的桩顶位移、桩身应变、桩侧土压力进行了研究, 得到以下结论:

1)加载过程中, 钢纤维混凝土桩的桩顶位移小于素混凝土桩的桩顶位移, 两种桩体的极限承载力相差不大, 其极限承载力为5 kN, 在承受水平荷载时, 上部土体的作用较为明显.

2)桩身纵向弯矩分布趋势基本一致, 表现为最大弯矩位置处于桩身入土深度的2/5处, 桩身弯矩影响深度大约为0.85 m.

3)钢纤维混凝土桩与素混凝土桩的桩侧土压力分布规律基本一致, 在加载过程中, 钢纤维混凝土桩土压力变化最大处的土压力值整体小于素混凝土桩, 土压力分布规律较为一致, 钢纤维的掺入使得桩侧土抗力得到有效控制.

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