不同樁端形狀對短樁垂直承載性狀影響的模型試驗研究

陳瑞紅

（浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310032）

前言

在一般房屋基礎工程中，樁主要承受垂直的軸向荷載。樁基通過作用于樁端（或稱樁尖、樁底）的端阻力和樁周土層的側摩阻力來支撐軸向荷載。對短樁而言，側摩阻力屬于滑動摩阻力，占樁垂直承載力標準值的比值較小，而端阻力占短樁垂直承載力標準值的比值較大。國內外關于樁端幾何形狀對短樁垂直承載性狀的影響方面的研究較少[1]。而事實上，樁端幾何形狀對于短樁垂直承載性狀的影響是很顯著的。

1 試驗方案

結合工程應用情況，以約1:10的比例制作混凝土圓樁模型。樁身直徑45 mm，樁身（不含樁端）長為550 mm，埋入土中部分為450 mm。樁端形狀分別為平底樁端、90 °錐角錐形樁端和半球形樁端。

參考以往室內模型試驗的經驗[2]，基于將邊界的影響降至可忽略的原則，模型箱內凈空尺寸為：1200 mm（長）×600 mm（寬）×800 mm（高）。模型箱框架由L30 ×30 角鋼焊接而成，四周用厚度為12mm的實木板與角鋼用螺栓連接高。模型箱及模型樁尺寸示意圖如圖1。

試驗用土為杭州某施工現場取得的粉質粘土，土層制作時分層夯實。土層制作完畢后，養護2 天，然后用小鏟挖孔，將模型樁置入土中450mm 深，樁身外露100mm，以便于加載。樁土共同養護15 天后，采用快速維持荷載法分別對三種樁端形狀的短樁進行逐級加載。第一級加載為0.1 kN，第二級開始以0.1 kN的增量逐級加載，直至滿足終止加載條件。杠桿加載裝置示意圖見圖2，實驗實物照片見圖3。

2 試驗結果

2.1 模型樁極限承載力

三種樁端形狀的短樁加載后得到的Q-s 曲線如圖4 所示。

三種樁端形狀的短樁荷載-沉降(Q-S)曲線皆可歸類為“陡降型”，參照樁基的豎向極限承載力判別標準[3]可判斷樁端形狀為平底的短樁其極限承載力1.2 kN，樁端形狀為90 °錐角的短樁其極限承載力為1.1 kN，樁端形狀為半球形的短樁其極限承載力為 1.3 kN。

2.2 土樣物理性質實驗

靜載試驗完成后，在樁端底部位置取土樣進行室內土工實驗，得到土的物理性質和各項力學指標見表1。

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3 試驗結果分析與討論

本文試驗結果顯示，樁端形狀為90 °錐角的短樁其極限承載力為1.1 kN，樁端形狀為平底的短樁其極限承載力1.2 kN，樁端形狀為半球形的短樁其極限承載力為 1.3 kN。

Lobo-Guerrero[4]研究了不同樁端形狀（平底樁端、三角形樁端）的單樁沉樁過程中土顆粒的破碎情況，研究結果顯示平底樁端壓碎的土顆?？倲刀嘤谌切螛抖藟核榈耐令w粒總數。

Daichao Sheng[5]用ABAQUS 有限元軟件數值模擬了錐角為 30 °、40 °、45 °、50 °、60 °、70 °、80 °、90 °、180 °（平底樁端）的錐形樁端對樁承載力的影響，研究結果顯示錐角介于25 °和90 °之間時，樁的總承載力隨錐角的增大而線型增加；當錐角介于90 °和180 °之間時，因ABAQUS 單元網格嚴重變形，不能揭示樁的總承載力與錐角的變化之間的關系。

綜上所述，筆者認為樁端幾何形狀對短樁垂直承載性狀的影響是很顯著的。半球形樁端外形圓潤，加載過程中溫和漸進的先向下擠壓土層，使樁端下面的土層愈趨致密，進而提高了樁端承載力；而錐形樁端尖銳入土，將土層向樁端四周擠壓，樁端阻力較小，樁的承載力亦較??；平底樁端外形介于半球形樁端與錐形樁端之間，既不太圓潤，又不過于尖銳，因而樁端形狀為平底的短樁其垂直承載力介于二者之間。

樁土相互作用關系十分復雜，本文僅研究了粉土中三種閉口樁端形狀(平底樁端、90 °錐形樁端、半球形樁端)對預制短樁垂直承載性狀的影響，僅以此為樁基工程的設計與施工提供必要的試驗依據。

[1]曹燕,謝衛平,鐘建龍.淺談預制方樁樁尖設計[J].廣東土木與建筑,2000,(4)10,15-16

[2]龔峰,丁翠紅,應義淼.靜壓擴底管樁模型試驗研究[J].浙江工業大學學報,2007,(10)

[3]樁基工程手冊編寫委員會.樁基工程手冊[M].北京:建筑工業出版社,1995

[4]Lobo-Guerrero,S.,Vallejo,L.E.:Influence of pile shape and pile interaction on the crushable behaviorofgranularmaterialsaround driven piles_DEM analyses.Granular Matter 9(2007),241-250

[5]D.Sheng et al.Finite element analysis of pile installation using large-slip frictional contact[J].Computers and Geotechnics 32(2005)17-26