北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩试验研究_李欣.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220107 第一作者:第一作者:李欣,硕士,高级工程师,主要从事大型公建项目建造及施工,Email:1710941523 。通信作者:通信作者:万征,博士,副研究员,主要从事地基基础、大跨钢结构设计、咨询、研究工作,Email:1184624319 。北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩试验研究李 欣1,王 猛1,万 征2,3,郭雅兴1(1 北京建工集团有限责任公司,北京 100055;2 河北省土木工程灾变控制与灾害应急重点实验室,廊坊 065201;3 华北科技学院建筑工程学院,廊坊 065201)摘要:以北京工人体育场改造复建项目作为工程背景,分析了水泥土复合管桩在密实砂卵石地层中的工作性态,并给出了水泥土复合管桩在砂卵石地层中的加载试验与数值模拟结果对比。采用 FLAC3D 软件模拟了水泥土复合管桩加载以及其与地层相互作用机理。结合试验与模拟结果,分析了水泥土复合管桩的破坏机理。结果表明,水泥土复合管桩在竖向荷载作用下的荷载-位移曲线模式是典型的摩擦桩工作模式,桩端阻力约占桩顶荷载的1/3;桩侧摩阻力荷载传递具有双层模式特点,即荷载由管桩先传递到管桩周围的水泥土桩,再由水泥土桩传递到桩间土中;水泥搅拌桩在砂卵石地层中可形成刚度大、强度高的水泥土外桩;管桩的压入有效提高了水泥土复合管桩的刚度,而水泥土外桩有效改善了桩土界面的摩擦接触效应,结合桩端砂卵石层,可有效提高水泥土复合管桩的承载力。关键词:北京工人体育场;水泥土复合管桩;预应力管桩;砂卵石层;桩身轴力;桩侧阻力;桩承载力 中图分类号:TU318+.1 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0053-06引用本文 李欣,王猛,万征,等.北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩试验研究J.建筑结构,2023,53(6):53-58.LI Xin,WANG Meng,WAN Zheng,et al.Experimental study on cement-soil composite pipe pile in dense sand pebble layer of Beijing Workers StadiumJ.Building Structure,2023,53(6):53-58.Experimental study on cement-soil composite pipe pile in dense sand pebble layer of Beijing Workers Stadium LI Xin1,WANG Meng1,WAN Zheng2,3,GUO Yaxing1(1 Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2 Hebei Key Laboratory of Civil Engineering Catastrophe Control and Disaster Emergency Response,Langfang 065201,China;3 Architectural Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:Based on the Beijing Workers Stadium reconstruction project as an engineering background,the working state of cement-soil composite pipe pile in dense sand pebble formation layer was analyzed,and the comparison between the loading test and numerical simulation results of cement-soil composite pipe pile in sand pebble layer was given.FLAC3D software was used to simulate the loading of cement-soil composite pipe pile and its interaction mechanism with stratum.Combined with the test and simulation results,the failure mechanism of cement-soil composite pipe pile was analyzed.The results show that the load-displacement curve mode of cement-soil composite pipe pile under vertical load is a typical working mode of friction pile,and pile tip resistance accounts for about 1/3 of pile top load.Pile side friction load transfer is characterized by a double-layer mode,that is,the load is first transferred from the pipe pile to the cement-soil pile around the pipe pile and then from the cement-soil pile to the soil between the piles.Cement mixing pile can form cement-soil pile with high stiffness and strength in sand pebble layer.The stiffness of soil-cement composite pipe pile is improved effectively by pressing pipe pile,and the cement-soil external pile can effectively improve the friction and contact effect of pile-soil interface,which can effectively improve the bearing capacity of cement-soil composite pipe pile when combined with the sand pebble layer at the pile end.Keywords:Beijing Workers Stadium;cement-soil composite pipe pile;prestressed pipe pile;sand pebble layer;axial force of pile body;lateral pile resistance;bearing capacity of pile建 筑 结 构2023 年0引言 相较于灌注桩等传统桩型,预应力管桩存在成桩工艺成熟、成本可控、工期较短、无污染等诸多优点,在我国华北、华东及华南地区应用较为广泛,目前大量应用于工业及民用建筑、交通道路以及港口码头等基础设施工程中1。虽然预应力管桩积累了较为丰富的技术资料以及施工工艺经验,但这通常应用于黏土地区,当持力层为砂卵石层时,桩身采用预应力管桩的尚不多见,至于桩身采用外桩身为水泥土桩,芯桩身为预应力管桩的水泥土复合管桩就更为少见,且有关试验也所见极少。但由于水泥土复合管桩与灌注桩都同属于地下隐蔽构件,其基本的工作状态,可参考灌注桩的成熟理论2-3。桩基在地层中的工作状态可大致分为三种基本工作模式,这三种工作模式分别对应着三种破坏模式4-6:(1)刺入型破坏模式。此破坏主要是由于桩基相对于桩周土及持力层的刚度过大,导致桩与桩周土的变形很难协调。这时桩基承载力主要取决于桩端以及桩周土的刚度,其承载力由沉降指标来控制。(2)压弯破坏模式。对于端承桩,当桩底持力层刚度很大,如基岩;而桩侧为软土层,其刚度很小;则在桩顶竖向荷载作用下,由于桩周围土层抗力不够,在水平荷载如地震作用下桩会出现过大的弯矩,当桩身自身抗力低于弯矩时,则会出现由于弯矩而形成的压弯裂缝,从而造成桩身破坏7-9。(3)剪切破坏模式。当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时,桩在轴向受压荷载作用下,由于桩底持力层以上的软弱土不能阻止滑动土楔的形成,桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏10-13,此时,桩承载力主要取决于桩底土的支承力,桩侧摩阻力也起一部分作用,桩承载力主要是由桩周土强度决定。综上所述,决定单桩极限承载力指标的特性不仅与桩身材料相关,同时也与桩周土及桩端持力层直接相关14-15。虽然上述破坏模式可为水泥土复合管桩的破坏问题提供参考,但为进一步了解水泥土复合管桩破坏机制及水泥土复合管桩与土层相互作用机理,本文以北京工人体育场改造复建项目16为工程背景,其附属结构基础选用水泥土复合管桩,通过现场加载试验和 FLAC3D 数值模拟对水泥土复合管桩进行研究。1工程概况 图 1 为北京工人体育场三维空间位置图,主场馆在平面上呈现为椭圆形,南北方向为长轴方向,按照使用功能区分为三大区域:主场馆区域,纯地下室区域,与地铁车站接驳区域。本工程0.00 标高的高程为 40.60m。如图 2 所示,主场馆区域基底埋深 约 为 26.10m,而 纯 地 下 室 底 板 埋 深 约 为21.60m,与地铁车站接驳区域埋深为约 16.28m。图 1 北京工人体育场三维空间位置图图 2 北京工人体育场馆区与地层关系立面图勘探揭示表层厚度为 1.205.50m 的黏质粉土填土、砂质粉土素填土层及房渣土、碎石填土1层。人工堆积层以下为第四纪沉积的黏质粉土层,粉质黏土1层,重粉质黏土2层及粉砂3层;细砂层;卵石层,中砂1层及黏土2层;黏土层,黏质粉土1层,砂质粉土2层及中砂3层;中砂层;卵石层及中砂1层;黏质粉土层,重粉质黏土1层,砂质粉土2层及细砂3层;卵石层及中砂1层;黏土层,黏质粉土1层及细砂2层;中砂?I1层。水泥土复合管桩桩底位于中砂1层,黏土层,中砂层,卵石层。底板标高最高的场馆区选择的持力层为第一层卵石层,看台区承重结构采用筏板桩基的基础形式,桩采用灌注桩,桩端持力层位于第二层卵石45第 53 卷 第 6 期李 欣,等.北京工人体育场密实砂卵石层水泥土复合管桩试验研究层。本次试桩桩长从 11m 到 14m 不等,试桩范围在场馆看台区桁架受力区内。北京工人体育场改造复建项目采用了预应力管桩+水泥土搅拌桩复合桩工艺,这种复合桩基(即水泥土复合管桩)具有造价低、施工便捷、节省工期等优点,且同时也能满足承台或者筏板基础对于桩基的使用要求。2水泥土复合管桩试验及结果分析图 3 水泥土复合管桩2.1 水泥土复合管桩试验 图 3 为水泥土复合管桩的实物图。水泥土复合管桩成桩施工工艺为先用钻机成孔,并进行水泥喷射,形成水泥搅拌桩;然后,将管桩插入到水泥搅拌桩中,形成水泥土复合管桩。具体的水泥土复合管桩施工工艺可参考相关文献17。表 1 为不同地层的桩侧摩阻力及端阻力参数,此参数可作为后文 3.1节设计以及数值模拟参考使用。表 1 不同地层桩侧摩阻力及端阻力参数地层号地层名称极限侧摩阻力标准值/kPa极限端阻力标准值/kPa细砂653 600卵石130