水平荷載作用下混凝土擴盤樁研究現狀及工作機理★

錢永梅 王 潔 王若竹 翟 蓮

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118； 2.吉林省結構抗震技術創新中心，吉林 長春 130118)

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·巖土工程·地基基礎·

水平荷載作用下混凝土擴盤樁研究現狀及工作機理★

錢永梅1,2王 潔1王若竹1翟 蓮1

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118； 2.吉林省結構抗震技術創新中心，吉林 長春 130118)

總結了水平荷載作用下擴盤樁的研究現狀，并結合樁身及樁周土體的荷載傳遞規律，闡述了混凝土擴盤樁在水平荷載作用下的工作機理,提出了需要在破壞機理及承載力等方面進一步研究的內容，為該型樁的推廣應用提供借鑒。

混凝土擴盤樁，水平荷載，承載力，彎矩

1 概述

混凝土擴盤樁作為一種新型樁，在工程領域發揮了其獨特的優勢。由于擴大盤的存在，使得混凝土擴盤樁單樁抗壓承載力有了極大的提高，同時具有良好的抗拔性能。對此，國內外學者做了大量研究，其豎向承載性能的研究基本趨于完善。近些年來，隨著我國國民經濟的日益增長，城市建設的不斷發展，地下空間的開發和利用，不同功能和種類的建設項目日益增多，土木工程中的建筑物、構筑物、橋梁、地下空間工程的基礎承受水平荷載作用，甚至承受水平動力荷載的情況也逐漸增多，如：地震，風力，海洋平臺，高壓電網及深基坑支護等等。如何解決工程結構中，水平荷載作用下，樁基礎的抗傾覆承載力已成為目前一個經常面臨并急需解決的問題。普通的混凝土等截面直孔灌注樁的抗傾覆能力十分有限，混凝土擴盤樁作為一種新型變截面樁，當然是解決抗傾覆問題最有效的方式，在實際工程中的應用也日益廣泛。由于擴大盤的存在，使其表現出了良好的水平承載性能，并可以有效減小樁長，實現了其社會效益和經濟效益。雖然近年來，國內外對混凝土擴盤樁的研究取得了一定的進展，但是，混凝土擴盤樁仍處于初期探索階段，國內、外對混凝土擴盤樁的研究成果更多地集中在抗壓、抗拔承載力的研究，對水平荷載作用下的破壞機理及承載力研究相對欠缺，到目前為止，僅有少量文獻中對擠擴多盤樁在水平受力狀態進行了初步的研究，包括數值模擬和室內模型試驗的研究。其中對于混凝土擴盤樁水平承載力計算和設計的相關參數并不完善，因此，對于混凝土擴盤樁水平承載性能的研究還有一定差距。

2 研究現狀分析

混凝土擴盤樁自產生以來得到了快速的發展和應用，對混凝土擴盤樁豎向抗壓抗拔承載性能的研究基本趨于完善，目前，對混凝土擴盤樁水平承載性能的研究成為工程領域一項新的研究熱點。

隆威教授通過有限元軟件Adina模擬，分析了不同位置設盤的擠擴多盤樁在水平荷載作用下的承載力性能。提出支盤的埋設深度是影響支盤作用的重要因素，并提出盤徑、盤坡角也是影響支盤抵抗水平荷載的因素，其中，支盤的埋設深度對其影響最大[1]。

盧錫雷等人通過室內模型試驗，對比分析了當支盤樁支盤設置在樁身上部、下部不同位置時，其荷載傳遞規律和樁土相互作用機理。提出支盤設置在樁身上部更能發揮支盤抵抗水平荷載的優勢，同時，設盤位置要在土體可能隆起的范圍以下；取樁身中部某一點土體，相同水平力作用下，支盤設置在上部時這一點的土壓力更小[2]。

高笑娟的研究以普通樁在水平荷載下的解析解為依據，提出擠擴支盤樁水平承載力計算方法。同時，通過有限元模擬，定性的分析了盤位置、個數、間距、直徑以及樁長、樁徑、樁頂約束條件、土的特性對擠擴支盤樁的水平承載性能的影響[3]。

王海天等人以彈性地基反力法為基礎，結合樁身變形曲線，利用有限差分法得出了支盤樁樁身位移和內力的計算方法[4]。

盧成原教授以兩樁群樁為研究模型，通過室內模型試驗，分析了樁間距分別為2D,2.5D,3D(D為盤徑)時，支盤樁群樁的受力和變形特征。提出隨樁距增大，樁身彎矩、撓曲變形均減小；樁頂位移增大時，擴大盤發揮良好的平衡樁身彎矩的作用，盤下樁身彎矩明顯減小；樁距越大，群樁效應越微弱，當樁距大于3倍盤徑時，群樁效應可以不予考慮[5]。

趙利平教授以2×4排的群樁模型，研究探討了水平力下擠擴多盤樁群樁的受力特性。文中首先分析了樁身彎矩的變化結果，提出群樁效應和邊樁效應同時對樁身彎矩產生影響。再次，當樁間距離為2倍盤徑時，群樁效應比較明顯，距離土表面0 m～2 m處的樁間土體存在應力疊加現象。在水平荷載的分配比例方面，前排樁承受的水平荷載大于后排樁，而后排樁則先于前排樁與樁后土體分離[6]。

3 水平荷載作用下擴盤樁的工作機理

3.1 剛性樁和彈性樁

在水平荷載作用下，根據樁土相對剛度的大小，樁分為剛性樁和彈性樁[2]。一般情況，當樁徑較大，樁長較短，樁周土體性質較差時，認為混凝土擴盤樁為剛性樁，反之，為彈性樁。在水平力作用下，剛性樁繞樁身一點發生剛性轉動，彈性樁則從樁頂到樁端呈拋物線變形，盤上樁身曲率大于盤下樁身，如圖1所示。

混凝土擴盤樁的水平承載力主要取決于樁的尺寸和形狀，樁身強度和剛度以及樁周土的性質，即土的抗剪強度[7]。剛性樁的水平承載力主要取決于樁周土強度，而彈性樁的水平承載力由樁身的抗彎剛度和樁周土強度共同決定。

3.2 水平荷載作用下混凝土擴盤樁的工作機理

與普通混凝土直孔樁相比，由于擴大盤的存在，增大了樁與土的接觸面積，當混凝土擴盤樁在水平力作用下產生側向位移時，擴大盤隨之產生一定的轉角，盤上下土體壓縮產生抗力，即抵抗彎矩，平衡樁身彎矩，使樁的水平承載力大大提高。本文以剛性樁為例，如圖2所示，論述水平力作用下混凝土擴盤樁的荷載傳遞規律。

1)當樁頂水平位移很小時，水平力由盤上樁身傳給上層土體，上層土體處于彈性壓縮狀態，產生抗力抵抗水平荷載。此時，由于混凝土擴大盤樁側向位移很小，擴大盤幾乎沒有發生轉動，盤周圍土體沒有產生明顯的抵抗彎矩。

2)荷載繼續增大，擴大盤隨樁身發生較大轉動，上層土體進入

塑性變形狀態，土體變形區域沿樁身往下延伸，荷載傳給下部土體。此時，盤兩側土體由于被擠壓分別產生向上向下的抗力q，q′，形成抵抗彎矩M。抵抗彎矩大大平衡了樁身彎矩，使盤下樁身彎矩變小，從而提高水平承載能力，有效抵抗側向位移。同時，在水平力加載方向一側，上層土體壓縮范圍以外，會有部分土體微微隆起。這表明，當樁頂位移很小時，擴大盤基本不產生作用。只有樁頂位移足夠大，擴大盤產生一定的轉角時，盤周圍土體才會產生抵抗彎矩，擴大盤的優勢才得以發揮。在實際工程中，如果樁頂位移被嚴格限制，擴大盤的優勢不能充分發揮。

4 結論與展望

混凝土擴盤樁獨特的構造，增大了樁土接觸面積，使其抵抗水平荷載的能力遠大于普通混凝土直孔樁。實際工程中承受水平力的結構比比皆是，混凝土擴盤樁無疑是解決這一問題的有效方法。雖然對于混凝土擴盤樁的水平承載性能，國內學者做了一定的研究，但僅限于有限元數值模擬和室內模型試驗，研究結果也只是給出了粗略的定性分析。因此，對于混凝土擴盤樁的研究還遠遠不夠，還應從以下方面對混凝土擴盤樁的水平承載性能做出更全面深入的研究：

1)目前的研究一般通過樁身應變片和土中埋置的壓力盒收集數據進行對比分析，不能真切看到破壞過程中樁身及樁周土體變化情況。針對這一問題，可以采用錢永梅教授等人發明的可視半面樁室內模型試驗裝置，深入研究樁身及樁周土荷載傳遞規律及位移變化情況，分析水平荷載下混凝土擴盤樁的破壞機理；2)由于室內模型試驗存在一定的局限性，應結合現場大型試驗對混凝土擴盤樁水平力作用下的參數進行收集對比分析；3)對各種影響因素給出確切的取值范圍，為混凝土擴盤樁設計提供可靠的理論依據，完善混凝土擴盤樁水平承載力計算模式。

[1] 隆 威，陳 賓.擠擴支盤樁抵抗水平荷載作用的數值模擬分析[J].山西建筑，2008,34(2):9-10.

[2] 盧錫雷，盧成原，盧鴻凱.不同設盤支盤樁的水平承載性狀研究[J].浙江工業大學學報，2011,39(1):51-56.

[3] 高笑娟，劉豐軍，李躍輝，等.樁的水平承載力若干問題的探討[J].工程力學，2009,26(7):97-104.

[4] 王海天，王安華，張 鐵.水平荷載作用下擠擴支盤樁的承載性能分析[J].江蘇建筑，2014,5(1):76-78.

[5] 盧成原，顏建華.不同樁距支盤樁群樁水平承載性狀試驗研究[J].建筑技術，2013,44(4):373-377.

[6] 趙利平，向 黎，盧 陳，等.水平荷載下擠擴支盤樁群樁受力特性分析[J].工業建筑2009,39(10):52-56.

[7] 林海軍，夏良峰，劉 瑱.樁的水平承載力若干問題的探討[J].浙江建筑，2009,26(5):26-29.

The research status and working mechanism of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load★

Qian Yongmei1,2Wang Jie1Wang Ruozhu1Zhai Lian1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China；2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

This article summarizes the research status of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load. Combining the load transfer law of pile and soil surrounding the pile, it describes the working mechanism of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load and puts forward the need of further research for the destruction mechanism and capacity. This provides reference for designation and promotion of this type of pile.

concrete plates-expanded pile， horizontal load， bearing capacity, bending moment

1009-6825(2016)13-0062-02

2016-02-27★:國家自然科學基金項目(項目編號：51278224)

錢永梅(1970- )，女，博士，教授； 王 潔(1989- )，女，在讀碩士； 王若竹(1971- )，男，教授；

TU473

A

翟 蓮(1977- )，女，副教授