界面状态对PHC管桩填芯抗拔承载性能影响试验研究.pdf
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1、 年 月上第 卷 第 期施工技术(中英文):界面状态对 管桩填芯抗拔承载性能影响试验研究王 彬,郭昭胜,贺武斌,刘瑞峰,许春博,成旭振(太原理工大学,山西 太原)摘要 对考虑两种界面状态和 种填芯长度的 管桩混凝土填芯足尺试件开展轴心抗拔静载试验,获得了极限轴心抗拔荷载值、界面滑移量、分段黏结强度和平均黏结强度等试验数据。分析试验数据表明:相同填芯长度下,管桩内壁的两种界面状态对极限轴心抗拔荷载值影响并不明显;相同界面状态下,极限轴心抗拔荷载值随着填芯长度的增加呈线性增大趋势;混凝土填芯界面平均黏结强度试验值介于 。相对试件加载远端,加载近端处的填芯混凝土界面黏结强度和滑移量均相对较大,表明加
2、载端的填芯混凝土承担了大部分的轴拉荷载;无端板试件的 管桩在加载端附近出现竖向开裂,表明加载端填芯混凝土在轴拉作用下存在剪胀现象,应引起重视。关键词 管桩;填芯混凝土;抗拔承载性能;界面状态;黏结强度;试验中图分类号 文献标识码 文章编号(),(,):,:;国家电网公司科技项目:输电线路用预应力高强度混凝土管桩抗拔抗剪承载性能关键技术研究()作者简介 王 彬,硕士研究生,:通信作者 郭昭胜,博士,副教授,:收稿日期 引言 预应力高强混凝土管桩(管桩)以其产品系列化、生产高效、质量稳定、承载力高和节约资源等优势在基础工程中被广泛应用。在大型地下室抗浮基础、输电线路基础与高耸建筑物基础等应用场景中
3、 管桩作为抗拔桩使用。管桩抗拔工程实践中,一方面受 管桩管孔中空的截面特点限制,另一方面遇到施工截桩情况,为满足抗拔承载力要求,采用钢筋混凝土填芯填实 管桩管孔并配以抗拔钢筋是最常见的构造措施。管桩钢筋混凝土填芯抗拔承载力的大小与 施工技术(中英文)第 卷填芯混凝土长度、填芯混凝土强度和 管桩内壁界面状态等因素有直接关系。其中填芯长度和填芯混凝土强度都相对可控,而 管桩内壁界面状态则受管桩内壁天然粗糙程度和原始孔径的影响较大,而管桩内壁粗糙程度与管桩产品出厂时的孔内浮浆状态及现场工人对内壁的处理措施有关。经调研,国内 管桩内壁浮浆因生产工艺经常会产生波纹状特点,如图 所示。现场工人实际操作中很
4、难按照国内各类标准规范的要求彻底清除内壁浮浆。图 管桩内壁水泥浮浆细节 表 填芯混凝土轴心抗拔试验 试件编号填芯长度填芯平均直径填芯纵筋界面状态轴心抗拔力设计值轴心抗拔试验力界面平均黏结强度 填芯混凝土抗拉强度标准值 界面黏结系数 不处理 水泥浆 不处理 水泥浆 不处理 水泥浆 平均值 注:试验前对混凝土立方体试块进行抗压强度试验,试验抗压强度最低为 ,最高为 ,平均为 目前,填芯混凝土与 管桩内壁黏结滑移性能的研究尚不充分,国内专门研究 管桩填芯界面滑移轴心抗拔承载特性的文献相对较少。国内各类标准规范中均规定填芯抗拔荷载设计值在理论上等于填芯混凝土圆柱体周长乘以填芯长度,再乘以填芯混凝土与管
5、桩内壁的平均黏结强度设计值,考虑工程实际情况后再乘以折减系数。针对界面平均黏结强度一般要求现场试验确定,或者根据经验取值()估算,但估算取值范围过宽,计算误差较大。刘庆斌对填芯混凝土与管桩内壁的黏结性能进行抗拔试验研究,提出了填芯混凝土与管桩内壁间平均黏结系数的建议值。刘永超等对 管桩及其填芯混凝土进行了现场抗拔试验,试验结果表明,管桩与填芯混凝土界面平均黏结强度为填芯混凝土抗拉强度的。崔伟完成 管桩填芯混凝土抗拔特性现场试验研究,建议 管桩的填芯混凝土长度最优取值不小于 倍桩径,管桩内壁与填芯混凝土的界面平均黏结强度可取 。为此,本文针对现场施工难以处理管桩内壁浮浆的实际界面状态,对考虑 种
6、界面状态和 种填芯长度的 管桩混凝土填芯足尺试件开展轴心抗拔静载试验。管桩填芯抗拔试验概况 试件设计与制作 试验采用 管桩,外径,壁厚,桩身混凝土设计强度等级为,有效预压应力为 。桩身轴心受拉承载力设计值为 ,其他主要设计参数详见 预应力混凝土管桩。试验首先考虑两种管桩内壁界面状态,一种是原始状态,即管桩内壁不做任何处理(施工现场往往没有条件进行处理或无法处理),另一种界面状态是对管桩内壁浮浆层进行清水清洗后,涂刷 层 水泥净浆。然后结合工程中常用的填芯长度,和 (为管桩外径),共制作 根填芯足尺试件。管桩试件长度根据填芯长度由整桩截断,因此存在加载端有端板和无端板两种情况。试件制作采用 普通
7、商品混凝土对 管桩进行填芯,试件具体参数如表 所示。每根管桩填芯钢筋笼由 根 钢筋组成并均匀布置,钢筋外露足够长度,以便安装自行设计的自平衡轴拉试验装置。试件制作过程如图 所示。图 填芯轴心抗拔试件 王 彬等:界面状态对 管桩填芯抗拔承载性能影响试验研究 管桩填芯轴心抗拔试验测试 桩身混凝土应变和填芯纵筋应变 同时采集试件同一截面处的桩身混凝土表面应变和填芯纵向钢筋应变。试件的应变测点布置如图 所示。因涉及 种填芯长度(,和),故试件长度有,和 共 种,应变测点布置方式为:外露纵筋中部截面 处每根钢筋均有应变测点;桩身混凝土表面应变测点和填芯纵筋应变测点均处同一截面,自加载端面(图中右端)每隔
8、 ()取 个截面设置应变测点,自加载端起 往后,间隔距离改为 (),往后均按此间距设置应变测点截面,直至试件填芯远端(图中左端)。图 试件应变测点布置 填芯混凝土滑移量测试 在管桩表面开直径 圆孔,从孔口位置引出一段钢筋,钢筋一端浇筑在填芯混凝土中。利用引出钢筋沿管桩纵向布置位移计,测出内部填芯混凝土与管桩内壁之间的滑移。引出钢筋沿管桩纵轴线垂直的 向和 向两个正交方位间隔 布置,恰好布置于图 所示应变测点之间。填芯拉拔试验加载方式 填芯拉拔试验加载装置利用 管桩桩身承担加载反力,在桩身与混凝土填芯之间形成自平衡受力体系。台 液压千斤顶向上施加的荷载由加载圆盘传递给填芯纵筋,填芯纵筋端头设置螺
9、纹套筒锚固在圆盘端板上,填芯纵筋依靠握裹力向填芯混凝土传递竖向轴拉力,填芯混凝土与管桩内壁间依靠黏结强度传递力。千斤顶底座向下的反力通过承压圆盘传递给桩身混凝土。自平衡加载装置下填芯混凝土及 管桩受力如图,所示。图中体现了填芯纵筋内力,桩身混凝土截面内力,填芯混凝土内力,二者界面黏结力,内力系保持平衡。分析时假定破坏时填芯纵筋和混凝土之间无相对位移,并忽略单位长度填芯混凝土自重。图 试件受力示意 图 填芯受力示意 试验时按表 填芯轴心抗拔力设计值 进行分级加载,共分为 级,每级荷载持荷。当填芯混凝土端面出现明显滑移拔出或填芯纵筋产生过大的应变时(超过 )终止试验。试验加载情况如图 所示。图 自
10、平衡试验加载装置 管桩填芯轴心抗拔静载试验结果及分析 试件破坏时最大轴拉荷载值及平均黏结强度 设 管桩填芯试件中距加载端面的任意距离 处的黏结强度 是混凝土抗拉强度 与距离 的函数关系(,),则沿填芯长度,黏结力 可按式()计算:(,)()式中:为填芯混凝土的长度;为填芯混凝土抗拉 施工技术(中英文)第 卷强度;为混凝土填芯外径。填芯混凝土抗拉强度沿填芯长度 方向不断变化。而且受制作工艺的影响,管桩内壁一般会有水泥浮浆层(经调研,浮浆层水泥净浆实际抗压强度等级不低于),导致界面上 和管桩孔径 也具有一定的随机性。因此(,)函数也具有一定的随机性。为便于工程应用,一般取平均黏结强度 代替黏结强度
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