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大直径随钻跟管桩竖向抗压承载性能及抗震性能的试验研究

杨晓松  
【摘要】:桩基础是我国高层建筑中最常见的基础形式,在我国存在钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔桩和预应力混凝土管桩等多种桩型,但都存在着各自的优缺点,广州市建筑科学研究院有限公司研发的随钻跟管桩施工工法,实现了钻进、沉桩和排土同步进行,同时避免了泥浆护壁带来的污染及钻(冲)孔灌注桩成桩质量难以保证等问题。为进一步验证该工法在实际工程中推广应用的可靠性,本文对该试验桩进行了竖向抗压承载性能的测试及数值分析,并按照相应的缩放比例,开展了随钻跟管桩模型振动台试验研究,具体研究内容及主要结论如下:1、本文详细介绍了随钻跟管桩施工工艺,依据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014,对两根随钻跟管试验桩开展了单桩竖向抗压静载荷试验,试验测得1#、2#试验桩的极限承载力分别达到了20571kN、15100kN,其承载力为相同直径和相同地质条件的钻孔灌注桩或打入桩(锤击桩或静压桩)的极限承载力(经验值约12000kN)的1.25~1.7倍。2、本文基于内聚力模型理论,采用内聚力单元(cohesive element)模拟桩-注浆土体接触面,建立二维桩-注浆体-土体ABAQUS数值模型,由此反映大直径随钻跟管桩的竖向抗压承载性能及潜在的失效机理,总结了桩-注浆体-土体系受竖向荷载作用时,存在三种常见的破坏模式,并得出了该工艺钻孔的灌浆质量与钻孔孔壁的坚硬及稳定性(桩侧土体模量衰减)之间的权衡关系是非常重要的,结合数值分析,对今后的随钻跟管桩的施工过程提出了几点建议。3、在前人研制模型土箱的基础之上,课题组自行研制了圆形叠层剪切箱,设计并实现了随钻跟管桩模型振动台试验,通过圆形叠层剪切箱在空箱状态下,测出其自振频率为4.25Hz,并利用自由振动衰减法,测得模型土箱空箱状态下的阻尼比4.32%,结果显示圆形叠层剪切箱的自振频率和阻尼比均远离了箱内模型土体的自振频率和阻尼比,后期的边界效应测试结果也显示课题组自行研制的圆形叠层剪切箱的边界效应较小,能够在一定程度上减小甚至消除模型箱侧壁边界上的反射效应或散射效应,从而实现更加真实的模拟土箱内土体在地震作用下的自由剪切运动。4、振动台试验考虑了挤土模型桩和注浆模型桩的对比、桩顶的不同约束形式、桩顶不同的上部荷载(25kg、50kg、100kg)、不同震级强度的地震波激励等形式的对比,输入了三类典型的地震波:El-Centro波、天津波和Kobe波,获取了挤土桩和注浆桩在上述不同工况下的桩侧土体加速度响应、桩身应变幅值响应、桩身弯矩幅值响应规律,同时对两种模拟不同施工工法形成的桩基础进行规律对比分析。试验结果显示,同种工况下,挤土桩桩侧土体加速度放大系数总是大于注浆桩桩侧土体加速度放大系数;无论桩顶采用何种约束形式(铰接或固接),桩侧土体加速度放大系数自下而上呈现先减小后增大,类似于“k”字形分布规律;同种工况中挤土桩桩身最大弯矩总是大于注浆桩桩身最大弯矩,0.2g、0.4g、0.6g峰值加速度强度的El-Centro波、天津波、Kobe波的挤土桩身与注浆桩桩身最大弯矩幅值之比分别是:1.3~2.52倍、1.1~1.63倍、1.53~2.63倍,很显然注浆桩在桩基础抗震设计中是有利的。


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