软土地基微型预制管桩承载性能的模型试验研究

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微型预制管桩基础适用于各类软土地质条件,具有广泛的应用前景。在输电线路中采用微型管桩基础,符合国家电网公司积极推进“两型三新”的输电线路建设要求,具有巨大的经济和环境效益。目前,在基础工程中对微型预制管桩的试验研究和实际应用还比较少。因此,有必要对微型预制管桩的承载性能进行试验研究,从而为其在输电线路基础工程中的应用提供相关依据。  本文基于竖向受荷桩的运动方程和水平受荷桩的挠曲微分方程,推导分析了微型预制管桩模型试验的相似性。基于输电杆塔基础在应用中的受力特点,采用慢速荷载维持法,在淤泥质粉质黏土中分别开展了微型预制管桩的受压、受拔和水平静载模型试验,分析了微型预制管桩单桩与群桩在受压、受拔和水平荷载作用下的承载性能,主要成果如下:  (1)管桩生产行业中,管桩的最小直径为300mm。本文根据300mm直径的PHC原型管桩的相关参数,选取模型试验比尺λL=1/10,设计模型桩的尺寸为长1.1m、桩径30mm和壁厚70mm。在模型桩制作上,本文采用两根PVC管间灌注环氧树脂的成桩方式,该方式得到的模型桩满足本文模型试验在弹性模量相似性上的要求。  (2)本文研制了微型预制管桩受压、受拔和水平受荷试验系统。试验系统由1.5m×1.5m×2m的钢制模型箱与受压试验、受拔试验和水平受荷试验加载装置组成,受压试验加载装置通过杠杆法施加荷载,受拔试验和水平受荷试验加载装置通过滑轮组来传递荷载。针对受压、受拔和水平受荷试验分别设计了单桩、2×2群桩和3×3群桩静载试验,其中2×2群桩的桩间距为2.5d,3×3群桩的桩间距为3d,承台板厚15mm,群桩均采用高承式布置。  (3)通过微型预制管桩单桩和群桩的受压静载试验,发现单桩和群桩受压时的荷载位移曲线呈“陡降型”,得到单桩、2×2群桩和3×3群桩的抗压极限承载力Qu1、Qu2和Qu3分别为190N、835N和1660N。采用规范法估算微型预制管桩单桩的抗压极限承载力结果与试验得到的结果基本一致。2×2群桩、3×3群桩的抗压极限承载力群桩效应系数分别为1.09和0.97,说明群桩受压时,群桩中的基桩承载力与单桩差不多,但随着桩数的增加,群桩的抗压承载力效率会有所下降。单桩和群桩在达到或超过极限荷载时,单桩和基桩在深度30cm以上由于土体发生剪切破坏,侧摩阻力有所下降,而下部摩阻力仍然增大。单桩侧摩阻力充分发挥时的桩土相对位移约在1~1.6mm之间。  (4)通过微型预制管桩单桩和群桩的受拔静载试验,发现单桩和群桩受拔时的荷载位移曲线呈“陡降型”,得到单桩、2×2群桩、3×3群桩的抗拔极限承载力Tu1、Tu2和Tu3分别为170N、480N和1000N。采用规范法估算公式计算微型预制管桩单桩的抗拔极限承载力结果与试验结果基本一致。2×2群桩和3×3群桩的抗拔极限承载力的群桩效应系数分别为0.706和0.654。说明群桩受拔时,群桩中的基桩承载力较单桩并未完全发挥,且随着桩数的增加,群桩的抗拔承载力效率降低。单桩和群桩在上拔过程中,单桩和基桩在深度50cm以上侧摩阻力处于极限值的时间较久,而深度70cm以下侧摩阻力在受拔荷载达到极限承载力时依旧很小,可认为该处侧摩阻力达到极限值后的时间很短,桩身上拔量就突然大幅增大,桩土体系破坏。本文模型桩受拔时桩侧摩阻力充分发挥时的桩土相对位移约在2~3mm之间。本文模型试验群桩在拔出土面时,可以观察到桩间土并未随群桩带出,说明群桩桩土呈非整体破坏。  (5)通过微型预制管桩单桩和群桩的水平受荷静载试验,发现单桩水平受荷时的荷载位移曲线呈“缓变型”,群桩水平受荷时的荷载位移曲线前段缓变,但当水平荷载达到极限承载力时,曲线有明显的位移突变。单桩的水平临界荷载Hc1为50kN,单桩、2×2群桩和3×3群桩的水平极限承载力Hu1、Hu2、Hu3分别为110N、390N、600N。2×2群桩和3×3群桩的水平极限承载力的群桩效应系数分别为0.886和0.606,这说明群桩水平受荷时,群桩中的基桩承载力较单桩并未完全发挥,且随着桩数的增加,群桩的水平承载力效率降低。单桩和群桩水平受荷时,单桩和基桩的桩身弯矩自上而下先增大后快速减小,最大弯矩处于深度30cm处左右,深度70cm以下弯矩基本为零。单桩水平荷载和基桩平均水平荷载相等时,桩身弯矩的表现为:群桩中后排桩的弯矩<群桩中前排桩的弯矩<单桩的弯矩。微型预制管桩单桩水平受荷时,m法分析单桩弹性阶段的桩身弯矩变化规律与试验结果较一致。当水平荷载达到极限承载力之前,p~y曲线法计算基桩桩顶荷载位移曲线与试验结果较一致。
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