梁中勇，饶军应，陈再谦，帅世界，刘灯凯

(1.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

微型桩作为一种直径小于300 mm，桩体采用钢管、钢筋或型钢，以压浆方式充填细石混凝土或水泥砂浆的细长桩[1]，不仅可在复杂地形下施工，尤其在出入困难、场地狭窄等施工条件下具有更突出的优势。同时，微型桩施工对加固地层扰动小，加固范围可达地下水位以下;施工过程主要在地面进行，在滑坡或潜在滑坡地段能够很好地保证施工人员的安全。微型桩施工速度快，在抢险工程中，能够快速有效地起到加固危险土层的作用，成为工程师们应急抢险、治理滑坡和边坡加固的常用处理方式[2-4]。

在微型桩的研究方面，闫金凯等[4-6]对桩周配筋和桩心配筋微型桩单桩、群桩加固滑坡体进行模型试验，得出微型桩在滑面附近发生弯剪破坏，桩周配筋优于桩心配筋微型桩。陈再谦等[7]通过有限元软件对微型钢管桩抗弯性能进行研究，提出微型钢管桩抗弯承载力计算新方法。李舟等[8]将微型钢管桩应用到青海省道S101线DH1滑坡治理中，效果显著。刘晓[9]对不同荷载作用下的钢管-钢骨微型桩抗弯承载力进行研究，推出纯弯状态下的承载力公式。周乐等[10]推导出不同配筋形式下微型桩桩顶变形量。

微型桩的现有研究主要集中于桩周配筋微型桩、桩心配筋微型桩、钢管微型桩、钢管-钢骨微型桩等方面，对钢管-桩心配筋微型桩研究较少。微型桩作为一种细长桩体，抗弯能力往往次于抗剪能力，对于滑坡体较厚者，滑体推力作用力臂较大，力矩也较大，往往较易达到微型桩的极限抗弯承载力。同时，微型桩直径较小，刚度也较小，滑面处微小弯曲变形可能导致桩顶产生较大的位移。文献[6]提出微型桩按抗剪能力设计时，并未限制桩顶位移。文献[11]明确建议在土质边坡中以桩身最大弯矩为标准进行设计，在岩土混合边坡中以桩身最大弯矩和最大剪力为标准进行设计。因此，对于钢管-桩心配筋微型桩极限抗弯承载力进行研究很有必要。本文通过对钢管-桩心配筋微型桩进行极限抗弯承载力室内试验，总结了钢管-桩心配筋微型桩抗弯特点，并与钢管微型桩作了对比。

1 试验设计

1.1 试验装置

图1 荷载加载形式(单位：mm)

试验在贵州大学土木工程实验室完成，试验采用改装YAS-2000型压力试验机。支座间距1.5 m，2个集中力加载间距0.5 m，加载形式采用单跨简支梁上2个集中力对称同步加载，跨中设置1个位移计测量试件的挠度,如图1所示。油压千斤顶对试件加载过程中，通过传感器测定每一时刻施加在试件上的荷载和支座顶升位移。数据采集由1台静态电阻应变仪和1台计算机完成，每个试件纯弯段中点沿纵向粘贴3枚应变片，试验中进行了温度补偿。

1.2 试件

微型桩截面形式如图2所示，试件截面尺寸见表1。试件长1.5 m，其中钢筋束形心与钢管形心重合。试件采用C30细石混凝土、42.5R普通硅酸盐水泥，灌注过程中采用插入式振捣器振捣密实。每个规格试件3根，共计9根。

图2 微型桩截面形式

表1 微型桩试件截面尺寸 mm

2 试验结果分析

经过试验数据处理，得到了微型桩极限抗弯承载力、弯矩-应变曲线、加载全程的荷载-位移曲线和弯矩-挠度曲线。试验过程中，对试件状态拍照录像，掌握试件破坏全过程。

2.1 微型桩极限抗弯承载力

试验数据统计见表2，其中荷载F为试件失效时施加在试件上的集中荷载，是压力试验机供给力的1/2，试件极限抗弯承载力为0.5F。含钢率由公式ρ=As/Ac计算，式中，As表示钢的面积，为钢筋和钢管截面面积之和;Ac表示混凝土截面面积。试验过程中，微型桩变形显著就视同试件失效。表中数据为试件跨中挠度为180 mm 时的荷载值。

表2 试验数据统计

图3 极限抗弯承载力变化曲线

图3为不同含钢率时极限抗弯承载力变化曲线，可知：微型桩极限抗弯承载力与截面直径的关系可用函数y=0.015x2-2.81x+130.66拟合。随着截面直径的增大，试件的极限抗弯承载力也增大，从直径168 mm 增大到203 mm 时，微型桩极限抗弯承载力平均值增长2.4倍，体现出较强的抗弯承载能力。微型桩含钢率随截面直径的增大从30%减小到20%，但钢管壁与中性轴距离变大，截面惯性矩变大，抗弯承载力增强。钢管-桩心配筋桩中，桩心钢筋的存在有效地延缓了混凝土中剪切滑移裂缝的产生，混凝土的存在则增强了钢管、桩心钢筋的稳定性。

2.2 弯矩-应变曲线

图4为直径168 mm试件弯矩M与应变关系曲线，直径140，203 mm试件跨中弯矩与应变关系曲线与此类似，故不列出。可明显看出，在加载初期M<22 kN·m 时，试件处于弹性工作阶段，应变曲线表现为线性分布，符合平截面假定。当22 kN·m53 kN·m时，中性轴下降更明显，关系曲线不符合平截面假定。可能是因为在试验中内台座与钢管接触面太大，限制了受压侧钢管的变形导致。钢管受拉侧应变与现有钢管混凝土研究结果一致。在弯矩增加的同时，试件中性轴往受压侧移动，承载力在不断提高，设计中应考虑桩心钢筋对承载力的贡献。

图4 弯矩与应变关系曲线

2.3 荷载-位移曲线

图5为微型桩的荷载-位移曲线，可将曲线分为4个 阶段。曲线OA段为试件与试验机接触咬合阶段。曲线AB段为弹性段，在这一阶段，曲线近似于直线，压区混凝土与拉区钢管同处于低应力状态，视为混凝土单轴受压、钢管单向受拉。曲线BC段为弹塑性段，试件位移变化比荷载变化明显。曲线CD段为强化段，曲线在此阶段呈缓慢线性增长。试验结果显示受弯试件在变形很大时，荷载仍可继续增加，曲线没有明显的下降趋势，表明试件在纯弯矩作用下表现出较好的延性。

图5 荷载-位移曲线

2.4 弯矩-挠度曲线

图6为试件在不同弯矩下的挠度曲线，图中500 mm 及 1 000 mm 处挠度为试验机顶升位移。图中每1条曲线表示在试件加载过程中，当跨中挠度达到某一值时，试件的支座位置、加载点以及跨中位置的挠度的连线。试件受力全过程的挠曲线与正弦半波曲线不吻合，可能是由加载点处支座引起。曲线未出现突然下降的情况，表现出良好的延性。

图6 不同弯矩下的挠度曲线

2.5 试件破坏形态

图7为微型桩破坏形态。在纯弯荷载作用下，试件整体呈弯曲状态，加载完成后，试件中部未与两侧形成正弦挠度曲线。由于位移过大，视同试件已失效，试验中发现外侧钢管表面有较为明显的塑形变形，若继续加载，试件还可继续承载。

图7 微型桩破坏形态

3 钢管-桩心配筋微型桩与微型钢管桩对比

钢管-桩心配筋微型桩是在微型钢管桩的基础上加入桩心钢筋组合而成。现阶段对于微型钢管桩极限抗弯承载力研究相对较多，故将钢管-桩心配筋桩试验结果与微型钢管桩最新研究结果[8]进行对比。钢管-桩心配筋微型桩极限抗弯承载力与微型钢管桩极限抗弯承载力对比见表3，可发现钢管-桩心配筋微型桩极限抗弯承载力明显比微型钢管桩极限抗弯承载力高，极限抗弯承载力提高系数见表4，提高系数推荐取值为1.5。

表3 钢管-桩心配筋微型桩极限抗弯承载力与微型钢管桩极限抗弯承载力对比

表4 极限抗弯承载力提高系数

4 结论

本文通过对钢管-桩心配筋微型桩进行室内极限抗弯承载力试验，得出以下结论：

1)试验中随着弯矩增大，试件中性轴往受压侧移动，承载力不断提高，设计中应考虑桩心钢筋对承载力的贡献。通过对极限抗弯承载力变化曲线、荷载-位移曲线和弯矩-挠度曲线分析，发现试件在纯弯矩作用下表现出较好的延性，适合在工程中应用。

2)通过与微型钢管桩极限抗弯承载力对比，发现桩心钢筋的存在使得钢管-桩心配筋微型桩极限抗弯承载力在微型钢管桩的基础上提高了50%。