沈 朗，楊慶光，李毛毛，唐庭軍

（1.湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007 ；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000）

填芯管樁在基坑支護工程中水平承載性狀分析

沈 朗1，楊慶光1，李毛毛2，唐庭軍1

（1.湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007 ；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000）

為研究混凝土管樁在基坑支護中的承載性能，通過對2組不同內徑的6根混凝土管樁進行填芯或不填芯處理，并進行室內水平承載性能模型試驗，分析基坑開挖后混凝土管樁在不同內徑和相同內徑條件下不同填芯強度對混凝土管樁的水平承載性能的影響。試驗結果表明：通過填芯可以有效提高混凝土管樁的基坑支護性能，且外徑相同的條件下，內徑越大樁身受基坑開挖影響越大；通過填芯加固處理可以有效提升管樁支護的安全性。

填芯管樁；基坑支護；水平承載性能

0 引言

混凝土管樁具有豎向承載力高，環(huán)境適應能力強以及造價低廉等優(yōu)點，在軟土地基施工中得到了廣泛的應用。隨著城市建筑規(guī)模的擴大，基坑開挖深度越來越大，基坑開挖與支護成本也隨之增加。為減小基坑投資成本，混凝土管樁逐漸被應用到基坑支護中，并在部分地區(qū)取得了良好的效果。但是由于管樁水平抗剪能力相對于實芯樁有一定差距，因此，深入研究管樁水平承載性能對于管樁的應用有著重要的意義。

目前，混凝土管樁在樁基礎中的應用，學者們研究較多，對于水平承載性能的研究也逐漸引起了學者的注意，并取得了一些成果[1-2]。在混凝土管樁抗彎性能方面，宋寅等[3-4]通過室內模型試驗，并根據管樁開裂彎矩和極限彎矩，推導出填芯管樁的抗彎承載力和抗裂彎矩理論公式；王威等[5]通過室內大模型試驗研究，認為采用素混凝土填芯可以提高PHC管樁抗彎承載力，并對PHC填芯管樁的抗彎承載力計算方法進行了探討；張忠苗等[6]根據原型試驗，對管樁抗彎和抗剪能力進行研究，得到通過布置普通螺旋鋼筋可以較大幅度提高管樁的抗彎承載性能，但對其抗剪承載力影響不大的結論。在混凝土管樁填芯性能方面，盛海等[7]通對ANSYS模型分析，認為通過鋼筋混凝土填芯可以將管樁抗剪承載力提升30%左右，但填芯部分箍筋作用不明顯；唐孟雄等[8]通過室內試驗對填芯管樁抗壓性能進行了研究，結果表明通過混凝土填芯可以使管樁抗壓強度提升50%以上，并且隨著管徑增大，填芯材料對抗壓承載力貢獻越大；黃陽等[9]采用孔內攝像檢測技術確定管樁缺陷類型，提出應針對管樁缺陷類型進行合理填芯措施的觀點，填芯不當可能影響管樁水平承載性能；鄭剛等[10]討論了多種剪跨比、混凝土強度等級等因素對填芯管樁抗剪強度的影響，并提出了相應的理論計算公式。管樁在基坑支護中的應用方面，吳步青[11]分析了土體側移下管樁的受力特性，對比分析了各種開挖方式下管樁的側移與內力；葛鵬等[12]依托工程證明了管樁在軟土地基中的適用性及經濟性，并建議與內支撐同時使用；張仕等[13]通過深度為7～9 m的地下基坑支護，探討了管樁在深基坑工程綜合治理中應用的方法和可行性，建議采用混凝土填芯、邊挖邊錨等綜合措施，提高管樁在支護中的有效性。

本文通過對管樁模型的室內試驗，分析管樁在支護過程中的承載性狀，并根據承載性狀的變化規(guī)律，提出通過填芯來增強管樁支護性能的措施，為工程實踐提供參考。

1 水平承載性能計算方法

1.1 非填芯混凝土管樁抗裂彎矩

根據GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》，考慮混凝土塑性發(fā)展性能的影響，得到非填芯混凝土管樁的抗裂彎矩公式

γ為混凝土管樁抗彎截面塑性影響系數，γ=(0.7+60/R)×(1.6-0.24r/R) ，其中r, R分別為混凝土管樁內外半徑，R≤200 mm時，取R=200 mm，當R≥800 mm時，取R=800 mm；

ftk為混凝土管樁抗拉強度標準值；

W0為管樁混凝土換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

1.2 填芯混凝土管樁抗裂彎矩

填芯混凝土管樁填芯材料性質與原材料存在差異，使其在承受荷載時應力分布更加復雜。假設填芯材料與混凝土管樁內壁不存在相對移動，在共同受力時符合平截面假設。

Ec樁為混凝土管樁彈性模量。

根據疊加原理，將樁身與填芯部分進行疊加可得填芯混凝土管樁的抗裂彎矩公式

式中：γ′為管樁填芯材料抗彎截面塑性影響系數，γ′=1.6(0.7+60/r) ；

ft芯為填芯材料抗拉強度標準值；

W0芯為填芯材料受拉邊緣彈性抵抗矩[6]。

2 模型試驗與分析

2.1 試驗裝置與數據采集

試驗在6.0 m×3.0 m×4.0 m的室內基坑中進行，樁間距1.3 m（大于6d），具體布置如圖1所示。

試驗加載采用樁一側堆載和另一側土層開挖形式實現，開挖分2層進行，每層開挖200 mm，具體加載如圖2所示。試驗中，側向堆載采用5 kg標準砝碼施加，荷載通過360 mm×360 mm荷載板傳遞至地表，堆載距樁外徑邊緣50 mm。樁身應力通過DH3815N型應變采集儀采集，應變片為BX120-200AA，樁身表面對稱粘貼，上下應變片之間間隔100 mm，共計7組14個，采用連續(xù)采集。樁頂位移采用30 mm百分表測量，每次讀表間隔15 min，每根樁計讀300 min。

2.2 模型樁與試驗土樣

試驗管樁外壁采用自制鋼模成型，管樁內壁采用內置70 mm和50 mm的PVC管實現。樁身材料采用M15水泥砂漿，填芯材料采用M5和M10水泥砂漿。樁身養(yǎng)護完成后，將管樁內壁打磨并壓入基坑后，灌入對應砂漿，養(yǎng)護28 d，具體操作如圖3所示。

本試驗采用6根管樁進行試驗模擬，包括2根空心管樁和4根填芯管樁。試驗分為2組進行，樁身長度均為700 mm，材料采用M15砂漿，試驗樁內徑和填芯材料不同，填芯材料為M5和M10砂漿。試驗樁有關參數見表1。

試驗用土取自某小區(qū)基坑4.2 m處黏性土，加水拌勻靜置養(yǎng)護后使用。試驗前對基坑內土體進行常規(guī)土工試驗，土體參數見表2。

3 試驗結果與分析

3.1 樁頂水平位移

圖4為不同開挖深度下6根試驗樁的樁頂水平位移-時間變化曲線。從開挖結束開始每15 min對百分表讀數進行記錄。當1 h內百分表讀數變化不超過0.01 mm時，認為變形基本穩(wěn)定，再進行第二層開挖。

在土層開挖過程中，開挖側土體應力釋放，樁后土體向樁身運動，管樁懸臂端受到主動土壓力使樁身產生橫向位移。從圖4中可以看出，開挖階段樁頂位移均呈現陡變型，且相同開挖深度下，二次開挖產生樁頂位移大于第一層開挖位移量。此外，2#, 3#, 5#, 6#樁的樁頂水平位移明顯小于未進行填芯處理的1#和 4#管樁，且填芯強度越大樁頂位移越小。這表明通過填芯可以有效增強管樁抗側移能力。

目前，GB50497—2009《建筑基坑工程檢測技術規(guī)范》對各類支護樁的水平位移進行了詳細規(guī)定，但未對支護樁樁頂位移允許值進行規(guī)定。本文以鋼板樁水平位移允許值為參考依據，分析管樁支護水平性能。在開挖第一層至穩(wěn)定階段，開挖深度約為樁長的28.6%，1#樁頂最大位移為2.558 mm，大于2 mm（0.01h，其中h為基坑開挖深度），滿足基坑支護三級安全標準； 2～6#樁頂位移均小于2 mm，滿足二級安全標準。第二層開挖至穩(wěn)定階段，開挖深度約為樁長的57.1%，1#和4#樁頂位移均大于4 mm（0.01h），不滿足二級安全邊坡要求；填芯管樁位移最大為3.609 mm均滿足二級安全邊坡要求。因而，混凝土管樁在二級安全等級及以上邊坡應謹慎使用，通過填芯或縮小管樁內徑可以有效減小管樁水平位移，增強管樁的適用性。

3.2 樁身彎矩

根據應變采集儀數據，通過處理與分析獲得樁身不同深度時的樁身彎矩值，得1#, 2#和3#樁在兩次開挖條件下的樁身彎矩曲線，如圖5所示。

對比圖5a與5b中彎矩變化曲線可知，無論是否填芯，兩次開挖后樁身彎矩均呈現先增大后減小的趨勢，且最大彎矩在開挖面以下，嵌固段彎矩趨于一致。此外，在開挖深度一致時，填芯管樁樁身彎矩小于空心管樁，且填芯強度越大，樁身彎矩變化越小。因此可以認為，通過填芯措施可以有效增強管樁在基坑支護中的橫向承載性能。

混凝土管樁樁身開裂后，由于其工作環(huán)境特殊，細小裂縫可能造成樁身鋼筋銹蝕，因而保證管樁在工作過程中表面應力小于管樁開裂彎矩產生的應力也是衡量管樁水平承載性狀的重要依據。模型樁最大實測彎矩與樁身抗裂彎矩理論值比較如表3所示。

由表3可知，通過填芯，2#, 3#樁的抗裂彎矩值得到一定的提升，在開挖過程中，樁身產生的最大彎矩均小于樁身開裂彎矩，隨著填芯強度的增大，開挖所產生的彎矩與開裂彎矩的比值逐漸減小，在3根試驗樁中，最大比值為0.30，有較大的安全儲備，因而管樁在基坑支護中其樁身表面抗裂彎矩滿足支護要求。

4 結論

通過上述研究可得如下結論：

1）通過對支護管樁進行填芯處理，可以有效減小樁頂水平側移，填芯強度越大，管樁抗側移能力越強；在外界條件相同時，管樁壁厚越大，管樁抗側移能力越大。因而根據工程實際選擇管樁壁厚及填芯措施可以有效提高管樁的安全性。

2）在基坑支護中，管樁樁身彎矩隨深度呈先增大后減小的趨勢，并在樁端趨于相同。隨著開挖深度增加，樁身彎矩有顯著增大。對于填芯管樁，其樁身彎矩增大幅度小于空心管樁，這與樁土間分擔土體側壓力的比例有關。

3）在基坑開挖過程中，樁身產生的彎矩滿足樁身材料的抗裂彎矩值，并具有較大安全儲備，通過填芯可以提升混凝土管樁抗裂彎矩值，因而滿足基坑支護需求。

本文對填芯管樁在開挖過程中的彎矩變化規(guī)律進行了研究，其變化原因與樁土間樁側土壓力分擔比例有關，具體關系有待進一步研究。

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（責任編輯：鄧光輝）

Analysis of Horizontal Loading Behavior of Filling Core Pipe Piles in Foundation Pits

SHEN Lang1，YANG Qingguang1，LI Maomao2，TANG Tingjun1
（1.School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.Sinohydro Bureau 14 Co., Ltd.，Kunming 650000，China）

With an aim to study the bearing capacity of concrete pipe piles in foundation pit supports, an indoor model test of its horizontal bearing capacity has thus been made of 6 sets of concrete pipe piles of different inner diameters in 2 groups, after a filling treatment as well as a non-filling treatment, followed by an analysis of the horizontal bearing capacity of concrete pipe piles of different diameter and with different core strengths after the excavation of foundation pits.Experimental results show that the core filling can effectively improve the foundation pit supporting performance of the concrete pipe piles.With the external diameter a constant, the longer the pile diameter is, the greater the effect exerted by the excavation on the pile foundation pits will be.Thus the core filling and reinforcement help to effectively enhance the safety of pipe pile supports.

core pipe pile；foundation pit supporting；horizontal bearing capability

TU473.1

A

1673-9833(2017)01-0041-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.007

2016-10-12

國家自然科學基金資助項目（51208194），湖南省自然科學基金資助項目（2016 JJ2046）

沈 朗（1990-），男，江蘇宿遷人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為地基處理技術，E-mail：shenlangwelcomeu@163.com