桩长对咬合桩抗弯性能影响的试验研究_李恒.pdf

江西建材试验与研究322023年1 月作者简介：李恒（1995-），男，湖北黄冈人，硕士，主要研究方向为岩土工程。通信作者：谢洪阳（1973-），男，江西南昌人，博士，教授，主要研究方向为结构设计优化、结构抗震机理等。桩长对咬合桩抗弯性能影响的试验研究李 恒1，谢洪阳1*，叶云雪1，徐升才2，邓 勇11.南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063；2.江西中恒地下空间科技有限公司，江西 南昌 330052摘 要：文中通过室内试验，分析了咬合桩在不同桩长情况下的抗弯性能，揭示桩长对咬合桩的抗弯性能的影响，并探讨了素桩在咬合桩的抗弯作用。结果显示，随着桩长的增加，咬合桩的抗弯性能降低，其中，素桩对咬合桩的抗弯能力做出了较大的贡献。关键词：咬合桩；抗弯性能；模型桩试验；桩长中图分类号：TU473.1 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0032-04Experimental Study on Effect of Pile Length on Flexural Property of Secant PileLi Heng1，Xie Hongyang1*，Ye Yunxue1，Xu Shengcai2，Deng Yong11.School of civil Engineering and Architecture,Nanchang HangkongUniversity,Nanchang,Jiangxi 330063;2.Jiangxi Zhongheng Underground Space Technology Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330052Abstract:In this paper,the flexural performance of the secant pile under different pile lengths is analyzed by laboratory test,which reveals the influence of pile length on the flexural performance of the secantpile.And discusses the role of the plain pile in the bending resistance of the snap pile.The results show that with the increase of pile length,the flexural property of secant pile decreases.Theplainconcrete pile makes a great contribution to the flexural ability of the secant pile.Key words:Secant pile；Flexural ability；Model pile test；Pile length0 引言咬合桩作为一种新型基坑支护结构，具有防水效果好、施工速度快、安全性好、成本低等诸多优点。随着科技的发展，咬合桩的应用前景越来越广泛，国内外的许多学者对咬合桩的性能进行了深入研究。叶帅华等1根据某工程中的支护结构、基坑开挖、周围土体以及附近建筑物监测的数据进行数值模拟，分析了在开挖过程中对基坑变形以及对附近建筑物的影响。Mohamed I Ramadan等2通过数值模拟建立三维有限元模型，使用各种各样的砂密度、开挖深度、咬合桩的抗弯刚度和咬合桩之间的黏结进行了参数研究。陈秀辉3通过ABAQUS软件对基坑支护结构的变形情况进行了数值模拟，并将模拟的结果与工程监测结果进行了对比与分析，印证了所建立的模型是正确的。然后在此模型上讨论锚索预应力的设置、桩径以及桩长等因素对基坑变形的影响。高文根4使用ABAQUS软件建立咬合桩支护结构的数值模型，研究咬合桩在改变咬合量大小、素桩混凝土强度、桩径和桩体的嵌固深度这四种因素的情况下，分析各种因素的影响权重和给出相应建议值。嵇晓雷等5通过使用混凝土抗渗仪对混凝土和水泥土这两种材料的咬合面进行抗渗性能试验，分析了间隔时间、土质、含水率和水泥掺入比等因素对咬合桩的咬合面抗渗性能影响。韦石6对素桩材料性能进行了研究，得出素桩的混凝土强度是影响荤桩倾斜度的重要因素之一,素桩自身具有的良好抗渗性能，是对咬合桩止水效果的一种保障。目前，国内外学者对咬合桩的施工技术、材料性能进行了较多研究，但是对于咬合桩的力学性能研究较少，大多数学者是通过模拟进行研究。本文拟对咬合桩的抗弯性能进行研究，通过室内缩尺试验，分析桩长对咬合桩抗弯性能的影响以及素桩对咬合桩承载力的贡献，为后续咬合桩的研究工作以及工程应用提供参考。1 试验概况本次室内试验主要研究了咬合桩的抗弯性能。本试验是破坏性试验，试验内容主要包括施加荷载时的挠度变化以及桩身应变分布。试验使用了4根模型桩，3根桩长分别为0.8m、0.9m和1m的荤素咬合桩以及1 根1m的荤桩（单桩），模型桩其他的参数一致。试验采用四分点加载方式，其纯弯曲段的长度为40cm。模型桩的基本参数情况如表1 所示。表1 咬合桩力学性能试验试件模型桩编号类型桩长/m主筋配置混凝土AHSZ-8000.856C30BHSZ-9000.956C30CHSZ-10001.056C30DHZ-10001.056C30注：HSZ为荤素咬合桩，HZ为荤桩（单桩）。江西建材试验与研究332023年1 月2 模型桩制备及试验仪器2.1 模型桩的制作咬合桩的制作对于试验具有关键性影响。因此，试验采用特制的模具对咬合桩进行制作。同时，咬合桩的强度采用 C30，其材料配比参照 JGJ 55-2011普通混凝土配合比设计规程。考虑到混凝土配置过程中存在相应的误差，从而对桩体的强度等级有较大影响。因此，在制作咬合桩的过程中，制作了3个大小为150mm150mm150mm的标准立方体试块。这些试块在浇筑24h后脱模，再在同条件下养护28d。将养护完成后的试块进行单轴压缩试验，试验结果见表2，可以看出，咬合桩的混凝土抗压强度满足要求。表2 试样单轴抗压强度测试结果试块编号单轴抗压强度/MPa133.4234.8333.7平均值33.92.2 加载装置试验采用某科技有限公司生产的分离式液压千斤顶和反作用力钢架。分离式液压千斤顶的加载极限为200kN，有效行程为200mm；反作用力钢架提供大约180kN左右的反作用力。因此，加载装置的实际加载值为180kN。加载装置如图1 所示。图1 加载装置2.3 试验测量设备2.3.1 桩体挠度测量在桩体中心的下方及两侧设置三个高精度百分表，用以测量桩体的挠度。高精度百分表使用的是桂林某公司生产的百分表，其最大量程为50mm，精度为0.01mm。2.3.2 桩身应变测量在桩体下方等距离粘贴应变片，用以记录桩体在加载过程当中的应变。应变片的型号为BMB120-50AA-P150-D，电阻值为（120.00.3），灵敏度系数为（2.01）%。2.4 数据采集系统采用静态应变测试仪（DH3818-2型号）来获取咬合桩上应变片的数据，再将电脑中安装 DH3818 型号静态应变测试系统软件，使用原装数据线与电脑进行连接，记录静态应变测试仪获取的数据。3 试验结果及分析3.1 HSZ-800、HSZ-900 和 HSZ-1000 抗弯性能对比HSZ-800、HSZ-900 和 HSZ-1000 模型桩为桩长不同的咬合桩，其挠度的发展情况如图2 所示。HSZ-800 模型桩的荤桩和素桩在极限荷载时对应的跨中挠度为10.62mm和10.78mm。HSZ-900 模型桩在极限荷载时对应的跨中挠度为15.69mm和15.86mm，相对于HSZ-800模型桩分别提高了47.7%和47.1%。HSZ-1000模型桩在极限荷载时对应的跨中挠度为20.62mm和20.74mm，相对于HSZ-800模型桩分别提高了94.1%和92.4%。（a）HSZ-800 挠度发展（b）HSZ-900 挠度发展（c）HSZ-1000 挠度发展图2 咬合桩的荷载-挠度图3 为 HSZ-800、HSZ-900 和 HSZ-1000 模型桩的应变随荷载的发展情况。根据模型桩的荷载与应变的关系图以及试验现象可知，在加载前期，桩身出现微小裂缝，其应变片测出的数值较小，荷载与应变的关系曲线大致呈现为线性关系，表明模型桩正处于弹性变形阶段。随着桩体出现裂缝，测点的应变增加较快，此时模型桩正处于塑性变形阶段。当桩体的裂缝增加越多以及裂缝变宽，应变出现突增的现象，直到超出了应变片自身的量程或者应变片断开，此时模型桩正处于塑性破坏阶段。咬合桩破坏变化见图4。在荷载作用下，HSZ-800模型桩的最大应变为2867.23，HSZ-900模型桩的最大应变为2719.58，HSZ-1000模型桩的最大应变为2641.02。总体上看，三种模型桩的最大应变相差不大，其破坏形式都是混凝土被压碎。江西建材试验与研究342023年1 月（a）HSZ-800 应变发展（b）HSZ-900 应变发展（c）HSZ-1000 应变发展图3 咬合桩的荷载-应变（a）裂缝出现 （b）裂缝加宽（c）裂缝最大 （d）混凝土压坏图4 咬合桩破坏变化3.2 HZ-1000 和 HSZ-1000 抗弯性能对比HZ-1000 和 HSZ-1000 模型桩的挠度与荷载的曲线如图5 所示。HZ-1000 模型桩在极限荷载时对应的跨中挠度为18.95mm。HSZ-1000模型桩的跨中挠度为20.62mm，比前者的跨中挠度提高了8.8%。HZ-1000 的极限荷载为15.9kN，HSZ-1000的极限荷载为17.8kN，后者的强度得到了明显提高，极限荷载值较前者提高了11.9%。（a）Z-1000 挠度发展（b）HSZ-1000 挠度发展图5 咬合桩的荷载-挠度HZ-1000 和 HSZ-1000 模型桩的应变发展情况如图6 所示。两种模型桩在加载的前期，应变和荷载呈现线性关系，随着荷载的增加，应变增长较快，这是由于桩身产生裂缝。当应变突增时，直到应变片拉断或者超过自身的量程。两种模型桩对应的最大应变分别为2414.15和2641.02。两者数值相差不大，破坏形式为混凝土被压碎。模型桩的应变变化最大主要集中在中部或者靠近中部，离中部越远，应变变化越小，裂缝缝隙越小，这是由于中部受到的弯矩最大而产生的现象。（a）HZ-1000 应变发展（b）HSZ-1000 应变发展图6 咬合桩的荷载-应变（下转第37 页）江西建材试验与研究372023年1 月图4 莫尔应力圆及包络线采用回归分析得出强度参数 c值和 值，即 c=1.42MPa，=57.67，tan=1.58。得到强度准确表达式：=1.58+1.42。3 结论（1）使用 X射线粉晶衍射的试验方法，测定了嵊州红层软岩的矿物成分含量，得到了其黏土矿物的含量较高。（2）利用Instron1346试验机获得了几组红层软岩的峰值强度、残余强度，总结了红层软岩的三轴压缩试验的变形规律。（3）通过最小二乘法绘制最佳关系曲线。（4）得到了岩石强度的准确表达式。（5）红层软岩的黏土矿物含量较高，遇水易发生崩解软化，应进行不同含水量状态下的三轴试验，以更好地研究降水、渗流对红层软岩强度的影响。（6）在后续三轴试验中，应考虑红层软岩含有大量的层理、节理、软弱夹层等结构面对试验的影响。参考文献 1 程强，寇小兵，黄绍槟，等.中国红层的分布及地质环境特征J.工程地质学报，2004（1）：34-40.2 郭永春，谢强，文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题J.水文地质工程地质，2007，34（6）：67-71.3 肖平，陆琦，于吉顺.采用 X 射线粉晶衍射仪实现岩石薄片中矿物的原位微区分析J.矿物岩石，2014，34（1）：6-9.4 闫丽娜，李胜荣，张聚全，等.大气颗粒物矿物相组成与微观形貌研究进展J.矿物学报，2020，40（2）：213-222.5 赵明