雙盤擠擴樁的靜承載特性試驗研究

吳怡穎，馬宏偉，姜曉強，童 宇

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

隨著經濟社會發展，各類工程建設對基礎工程的承載能力和沉降控制能力的要求不斷提高，擠擴灌注樁作為一種新型樁基礎在工程中逐漸被應用。

沈保漢等[1]對多節擠擴灌注樁的基本原理、適用范圍做了較為詳細的描述。陳立宏等[2-3]通過現場試驗對擠擴樁的適用性進行了驗證，為擠擴灌注樁的設計提供了參考。Shi等[4]推導了單向和雙向不同擠壓設備作用下兩種擠擴支盤樁承力盤的不同受力特點和適用條件，并指出單向擠擴樁適合于擠擴樁，雙向擠擴樁更適合于抗拔樁，并加深了對擠擴支盤樁的結構及其承載特性的分析。

近年來，擠擴樁的發展及研究日趨成熟，國內外學者對支盤樁的承載力能力進行了研究分析，主要研究手段有有限元數值分析、室內模型試驗、現場試驗。由于支盤樁的盤周受力分析較為復雜，數值分析更能貼合實際進行研究，王伊麗等[5]通過Flac3D數值分析了支盤位置、間距、數量和直徑對樁承載力的影響，確定了在3倍盤間距的間隔中應設置不超過三個承力盤。張清林等[6]通過數值分析研究了擠擴樁群樁的承載性狀，并指出群樁效應隨著樁間距的減小而逐漸明顯，群樁間土體沉降的最大值發生在兩擴盤中間位置處,且隨著樁間距的增大而減小。在室內模型試驗方面，錢春香等[7]運用室內小比尺模型試驗驗證該試驗方法是可靠有效的，并與現場試驗數據進行了對比。王振波等[8]將擠擴多支盤樁的上支盤做變截面處理，并做了一組改變變截面樁徑比的平行試驗，該實驗表明，階梯型變截面擠擴樁存在最優變截面比，樁徑比在0.8～0.9附近時，變截面擠擴樁的樁身側摩阻力比等截面樁發揮得更加充分。關于支盤樁的高承載力、低沉降的特征，劉干斌等[9]]推導建立了多級擴徑樁承載力和沉降計算公式。李建東[10]，張德華[11]對大厚度黃土地基、強風化巖層工作下的擠擴樁的工作性能做了詳細的研究，以及對樁身各部分的承載能力也進行了分析，分析表明單個承力盤在加載初期承擔樁頂荷載百分比達30%，由于承力盤的存在對承載力的提高、降低沉降、造價節約、縮短工期有明顯的優勢，經濟效益顯著。

本文采用室內小比尺模型試驗，研究了直孔樁、單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁在承載特性和沉降特性方面的差異，討論了雙盤擠擴樁的抗力構成及各抗力分量在不同加載階段的變化規律，為雙盤擠擴樁的優化設計及工程應用提供了參考。

1 模型試驗方案

1.1 模型箱

模型箱需要滿足樁距箱底及側壁的距離，使模型箱的邊界條件不會對試驗樁的受力及變形條件造成影響。為了實現埋樁過程的可視化，模型箱短邊側板使用有機玻璃制作，長邊側板和底板則由鋼板制作，在模型箱的周邊使用鋼抱箍進行加固。模型箱的凈空尺寸為：長800 mm×寬600 mm×高580 mm，鋼板及有機玻璃板厚度均為5 mm。

1.2 加載裝置

室內模型試驗采用砝碼加載，本試驗加載裝置采用杠桿原理設計制作。將加載梁一端用螺栓連接在支座上，另一端懸掛砝碼盤用于放置砝碼逐級加載，加載梁中部設置安裝螺桿并通過鋼球對樁頂施加荷載，以保證荷載豎直作用于樁頂。

1.3 試驗砂

模型試驗選用河砂作為地基土。所用細砂全部過2.45 mm的方孔篩，填砂過程中使用振動抹平機進行振動夯實，試驗時細砂為密實狀態。

1.4 模型樁

本次試驗以樁徑為1 500 mm、長徑比為25∶1的工程樁為原型，采用幾何相似比CL=1∶75制作模型樁。模型樁使用6063鋁合金制作，樁長L=550 mm、外徑d=20 mm、壁厚δ=3 mm，鋁管彈性模量E=63.1 GPa[12]。樁頂及樁底封底處選用同樣的樁身材料，以保證樁身的完整性。承力盤采用相同鋁材制作，承力盤的表面傾角為45°，盤徑D=50 mm。承力盤如圖1所示。

圖1 承力盤示意圖

1.5 試驗實施

試驗采用設置于樁頂的百分表測試樁體沉降，用布置在樁身上的6組應變片測試樁的軸力，采用YE2539高速靜態應變儀進行數據采集。

試驗過程中，所有的模型樁均采用預埋的方法進行，用夾具固定模型樁保證樁身軸線垂直。地基土采用分層布置，每次填入高度為10 cm，直至達到模型預設高度，埋樁工作完成后靜置12 h進行加載試驗。

試驗研究的直孔樁、單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁參數如圖2所示。

圖2 試驗樁示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 盤數對樁基承載和沉降性能的影響

通過室內模型試驗得到的靜荷載作用下直孔樁、單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁的荷載(q)-沉降(s)之間的關系如圖3所示，圖中，ZK表示直孔樁，DX1和DX2分別表示單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁。

圖3 試驗樁q-s曲線圖

由圖3可知，從極限承載力的角度來看，直孔樁、單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁的極限承載力分別為1.2、2.6、3.6 kN，擠擴樁的極限承載力優于等直徑直孔樁，特別是雙盤擠擴樁的極限承載力達到了直孔樁的3倍，顯然，承力盤的存在對提高樁基的極限承載力是十分有利的。實際上，直孔樁主要依靠樁身摩阻和樁底端阻提供承載力，其破壞的原因在于樁底端阻過大導致的樁底土體剪切破壞；而擠擴樁則可利用樁身承力盤將部分外荷載傳遞到樁周土體中，其承載力由承力盤盤阻、樁身摩阻和樁底端阻三部分組成。擠擴樁極限承載力的提高正是由盤阻的存在減小了端阻在承載力中的貢獻率而引起的，對單盤擠擴樁，當盤周土體和樁底土體均破壞時樁體達到極限承載狀態；而對雙盤擠擴樁，上盤和下盤周邊土體與樁底土體均破壞時才能達到極限承載狀態。顯然，雙盤擠擴樁對外荷載的分散性能更優，由此導致其極限承載能力在三種試驗樁中也最優。

當樁頂施加1 kN的靜力荷載時，直孔樁的沉降量為3.65 mm，而單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁的沉降量分別為1.08 mm和0.50 mm，相比直孔樁減小了70%和86%，承力盤的存在有效改善了樁基的沉降性能。在外荷載較小時，三種試驗樁的q-s曲線幾乎重合，此時沉降主要由樁底的土體壓密引起，隨著荷載的增加，三條曲線顯著分離，承力盤對荷載的分散作用逐漸體現，由此也引起了三種試驗樁的沉降差異。

2.2 雙盤擠擴樁承載特性分析

根據試驗過程中樁身應變測量結果，計算得到的雙盤擠擴樁承載力構成與外荷載的關系如圖4所示。

圖4 雙盤擠擴樁承載力的構成

根據圖4，構成雙盤擠擴樁承載力的上盤盤阻、下盤盤阻、樁身摩阻和樁底端阻等阻力均隨外荷載的變化而變化。在外荷載較小時，樁端阻力對樁基支承力的貢獻率與其他三項阻力的總和接近，隨著外荷載的增大，樁身摩阻和樁底端阻在樁體總承載力中所占比重逐漸減小，而上盤和下盤的盤阻所占比重則逐漸增大。顯然，承力盤較好地提升了樁基的承載能力，且外荷載越大，承力盤對增強樁基承載力的貢獻更大。

同時，下盤盤阻總是高于上盤盤阻，這與承力盤處的樁體下沉量直接相關，由于下盤處的下沉量大于上盤處的下沉量，根據溫克爾彈性地基假定，地基沉降量與地基抗力成正比，上盤處的地基抗力大于下盤處的，因此盤阻也存在下盤大上盤小的特征。

3 結 論

1)擠擴樁的極限承載力優于直孔樁，雙盤擠擴樁的極限承載力為直孔樁的3倍，承力盤對提高樁基的極限承載力十分有利。

2)擠擴樁的沉降變形量遠小于直孔樁，1 kN的靜力荷載作用下試驗得到的單盤擠擴樁和雙盤擠擴樁的沉降量比直孔樁減小了70%和86%。

3)雙盤擠擴樁的盤阻在樁基承載力中的占比隨荷載的增大而增大，且下盤盤阻大于上盤盤阻。

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