推擠式支樁承載特性模型試驗研究

陳 新,李光范,丁慶磊,張仰福,符羽佳,鐘梓良

1.海南大學土木建筑工程學院,海南 海口 570228

2.山東大學巖土與結構工程研究中心,山東 濟南 250061

3.海南魯鄆基礎工程有限公司,海南 海口 570228

4.海口經濟學院,海南 海口 571127

傳統樁通過樁側摩阻力和樁端端承力傳遞上部荷載，具有承載力高、穩定性好的特點[1]，使建筑物達到沉降量小而均勻、后期沉降速率收斂較快的目的[2]。通過改變樁身縱向截面形狀得到的變截面異形樁，可以經濟有效的提高樁的承載能力[3]，增加樁-土接觸面的不平直度和粗糙度[4]。在此基礎上，擠擴支盤樁、擴底樁等樁型不斷實踐進步，盧成原[5-7]針對多支盤樁實際工程情況，設計了多個模型試驗驗證了擠擴支盤樁相較于等截面樁對承載力提高的有益影響；錢德玲[8,9]針對擠擴支盤樁的荷載傳遞規律及抗壓抗拔特性做了研究；吳江斌[10]等對比了等截面樁與擴底樁的抗拔承載特性；曹兆虎[11]等利用透明土，對比了等截面樁與楔形樁的沉樁效應。

推擠式多支樁是一種利用樁內油壓推擠式裝置在普通灌注樁基礎上改良的新型樁[12]，在樁施工挖孔過程中，將推擠裝置下放井內并利用油壓裝置向樁側推擠形成空穴，灌注混凝土后形成支部結構，增加了通過推擠樁側孔壁而形成的“支”，其施工技術已獲得國家專利授權。本文采用縮尺模型試驗，設計了單層、雙層、三層、四層支樁的模型試驗，對其承載和沉降特性進行了分析研究。

1 試驗內容

1.1 支樁模型

模型試驗采用直徑32 mm、壁厚2 mm 的鋁合金管作為模擬樁體，模型樁樁徑32 mm，樁長1000 mm，埋置深度960 mm，支部結構（支塊）與樁身通過密封膠粘合，粘合24 h 以上確認牢固后投入試驗，支樁結構及樁體尺寸示意圖見圖1。在每個支部結構下部分別嵌入直徑約10 mm、厚7 mm 的微型土壓力盒，樁底嵌入并粘合直徑約28 mm、厚11 mm 的土壓力盒，以此獲得樁端及支部結構下的土壓力信息，觀測樁底及支底壓力的變化。由計算，管材抗壓剛度EA=1.97×104kN/m（彈性模量E=7.2×107kN/m3，截面面積A=2.73×10-4m2），對應于實樁剛度5×107kN/m，與直徑為1.6 m 的混凝土樁抗壓剛度典型值相近，根據相似理論，模型幾何相似比CL=50，重度相似比C=1，力學相似比CF=C×CL3=1.25×105。

圖1 樁體示意圖Fig.1 Pile diagram

1.2 試驗環境

試驗以砂性土地基作為試驗環境，其具有天然散粒特性，其密實度、含水量等指標較易控制，從而可以提供較穩定的試驗條件、反映模型樁的受力特點。試驗用砂的物理力學性質見表1。

試驗砂箱基礎尺寸為2000×2000×1500 mm（長×寬×高），砂箱頂部設置可移動杠桿加載裝置，設置反力架用于放置位移計。

埋置模型樁時，首先開挖砂土，之后下放模型樁，在保證模型樁豎直的狀態下填埋砂土至砂箱頂面，在砂土填埋至支塊位置時，利用細鐵絲在支部附近穿插搗實，模擬多支樁支塊推擠形成時對支塊周圍的擠密，埋置后的試驗裝置靜置12 h 以上，使模擬地基中的砂土較好擠密。

表1 試驗用砂物理參數Table 1 Sand physical parameters for test

試驗加載設備采用樁頂杠桿裝置逐級加載，載荷采用等重砝碼。在樁頂設置固定的兩個位移百分表量測模型樁樁頂的沉降變形量，每一級加載后待沉降穩定，按照規范的規定時間間隔記錄位移百分表的讀數。試驗裝置布置情況如圖2 所示。試驗過程中，為緩解邊界效應的影響，模型樁設置于試驗砂箱中部，距砂箱側壁900 mm 以上。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.3 試驗內容

主要試驗內容有：設置單層、兩層、三層、四層支部結構的模型樁沉降特性試驗。依照支部結構距樁底距離（Lb）,在樁身選取具有代表意義的四個位置作為支部結構設置處，分別為Lb1=200 mm，Lb2=400 mm，Lb3=600 mm 及Lb4=800 mm 處。根據支部結構位置、數量、層數將試驗分為22 組進行，分組情況見表2，大體分為七類，等截面樁（無支樁）試驗（#00*）、單層雙支試驗（#12*）、單層三支試驗（#13*）、單層四支試驗（#14*）、雙層試驗（#2**）、三層試驗（#3**）、四層試驗（#4**）。試驗編號中，前兩位數字分別表示模型樁設置的支部層數、每層支部數量。

表2 試驗分組Table 2 Test group

均為12.485N，多層支樁試驗（#2**、#3**、#4**）每級加載均為24.970 N。滿足試驗終止條件后停止進行加載，之后逐級卸載直至試驗結束，挖取模型樁并檢查確認模型樁完整性。根據《建筑樁基檢測技術規范（JGJ 106-2014）》結合模型比例情況，確定出現下列情況之一時，視為滿足試驗終止條件：（1）當載荷沉降曲線上有可判定極限承載力的陡降段，沉降量達到上一級荷載最終沉降的兩倍；（2）當載荷沉降曲線呈緩變型時，樁頂總沉降大于4 mm；（3）樁身發生斷裂。

2 結果及分析

2.1 每層支部數量的影響

試驗結果以樁頂沉降量（4 mm）作為控制因素。由圖3 單層支樁與等截面樁Q-s曲線的對比，設置支部結構的模型樁相較于等截面樁，均獲得了更高的豎向承載力，其沉降特性也更優異。由圖4 等截面樁與雙層支樁加載試驗的Q-s曲線比較，圖中靠上側的藍、紅、黑曲線分別代表雙層四支樁、雙層三支樁、雙層兩支樁的沉降曲線，與最左側的等截面樁Q-s曲線相比，雙層支樁的抗沉降性能更有優勢，同樣展現在三層支樁與四層支樁的情況中；圖5 等截面樁與三層支樁加載試驗的Q-s曲線比較，圖中靠上側的藍、紅、黑曲線分別代表三層四支樁、三層三支樁、三層兩支樁的沉降曲線；圖6 等截面樁與四層支樁加載試驗的Q-s曲線比較，圖中靠上側的藍、紅、黑曲線分別代表四層四支樁、四層三支樁、四層兩支樁的沉降曲線。顯然：設置支部結構的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現，當上部荷載一定時，多層支樁的沉降量更少，且隨著支部結構每層數量的增加，這種優異的沉降性能愈發突出，同時其Q-s曲線逐漸區別于等截面樁的陡降型曲線而趨向于緩降型曲線，其力學性能也更表征出抗沉降優良及承壓優良的特點。

圖3 單層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.3 Comparison of Q-s curves between single-layer pile and equal-section pile

圖4 雙層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.4 Comparison of Q-s curves between double-layer pile and equal-section pile

圖5 三層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.5 Comparison of Q-s curves between three-layer pile and equal-section pile

圖6 四層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.6 Comparison of Q-s curves between four-layer pile and equal-section pile

試驗結果以樁頂沉降量（4 mm）作為控制因素，由圖7 等截面樁與雙支樁加載試驗的Q-s曲線比較，由右側向左側的曲線分別代表雙四層兩支樁、三層兩支樁、雙層兩支樁、單層兩支樁及等截面樁的沉降曲線；圖8 等截面樁與三支樁加載試驗的Q-s曲線比較，由右側向左側的曲線分別代表雙四層三支樁、三層三支樁、雙層三支樁、單層三支樁及等截面樁的沉降曲線；圖9 等截面樁與四支樁加載試驗的Q-s曲線比較，由右側向左側的曲線分別代表雙四層四支樁、三層四支樁、雙層四支樁、單層四支樁及等截面樁的沉降曲線。可以佐證：設置支部結構的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現。同時可以得出：當上部荷載一定時，隨著支部結構層數的增加，模型樁的沉降性能愈發優異；與此同時，支部結構層數與支部結構每層數量兩個變量中，支部結構層數對模型樁力學性能的影響更突出，具體表現在四層兩支樁（#420-8642）的沉降特性優于三層四支樁（#340-0864），而三層兩支樁（#320-0864）的沉降特性優于雙層兩支樁（#220-0064），相同層數（圖5、圖6、圖7、圖8）的情況下，模型樁在改變每層支部結構數量時，其Q-s曲線形態相似，相同層數（圖10、圖11、圖12）情況下，模型樁在改變每層支部結構數量時，其Q-s曲線形態也相似，佐證了這一點。

圖7 雙支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.7 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

圖8 三支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.8 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

圖9 四支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.9 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

2.2 支部設置層數的影響

以樁頂4 mm 的沉降量作為控制指標，將本次試驗所有模型樁試驗在此時的承載力進行統計比較，見表3。表中可以清晰看到模型樁的豎向承載力和承載力提高百分比的變化。

表3 樁頂沉降為4 mm 時各模型樁承載力對比Table 3 Bearing capacity comparison of each model pile when the pile top settlement was 4 mm

以此為基礎，為更好的表征支部結構設置層數與模型樁承載力的關系，以支部結構設置層數為橫坐標，以模型樁承載力為縱坐標，作折線圖如圖10。圖中由上至下四條線分別代表每層四支、每層三支、每層雙支及無支情況下，支部結構設置的層數對模型樁承載力的影響。在支部結構設置層數不變的情況下，每層四支的模型承載力由單層四支的283.49 N 提高到四層四支的547.10 N，每層三支的模型承載力由單層三支的218.43 N 提高到四層三支的502.31 N，每層雙支的模型承載力由單層雙支的191.69 N 提高到四層雙支的467.27 N，顯然，支部結構層數，對樁承載力的提高越明顯。

圖10 支部結構設置層數與承載力的關系Fig.10 Relation between the layers and bearing capacity of branch structure

圖11 多層條件下支部數量與承載力的關系Fig.11 Relation between branches and bearing capacity under multi-layer

圖12 所有試驗模型樁承載力對比Fig.12 Comparison of bearing capacity of all test model piles

圖13 試驗結果擬合Fig.13 Fitting of test results

為更好的表征每層支部數量與模型樁承載力的關系，以每層支部數量為橫坐標，以模型樁承載力為縱坐標，作折線圖如圖11。圖中由上至下黑、紅、藍、綠線，分別代表四層、三層、兩層及無支情況下，每層支部數量對模型樁承載力的影響。在每層支部數量不變的情況下，四層的模型樁承載力由四層雙支的467.27 N 提高到四層四支的547.10 N，三層的模型承載力由三層雙支的344.08 N提高到三層四支的362.61 N，兩層的模型承載力由兩層雙支的277.77 N 提高到兩層四支的306.83 N，單層的模型承載力由單層雙支的191.69 N 提高到單層四支的283.49 N，顯然，支部結構設置層數越多，則對樁承載力的提高越明顯。

將模型樁承載力數據按照支部結構設置的位置作統計圖如圖12，圖中以支部結構設置位置為橫坐標，豎向承載力為縱坐標。單層試驗以單個點的形式，標注在圖中，例試驗“#120-0002”，其支部結構設置位置Lb1=200 mm，則以200 為橫坐標、以其試驗承載力為縱坐標標注單個點；多層試驗以點線形式標注在圖中，例試驗“#440-8642”，其支部結構設置位置Lb1=200 mm、Lb2=400 mm、Lb3=600 mm、Lb4=800 mm，則以200、400、600、800 為橫坐標、以其試驗承載力為縱坐標標注四個點，并連線。圖中較清晰地展現了各個試驗的承載力比較。

2.3 多支樁承載特性的綜合影響因素

以支部結構設置層數為x軸，以每層支部數量為y軸，以模型樁承載力為z軸，作圖13。圖中可以看出支部結構層數與支部結構每層數量共同促進多支樁承載力的提高，且均呈現線性正相關：z=100.08+82.41x+14.03y。其中z表示承載力，x表示支部層數，y表示每層支部數。方差為0.9079，相關性較高。可知，推擠式多支樁承載力的提高隨著支部層數及每層支部數的變化而變化，其中支部層數對于多支樁承載力的影響較大，主要原因在于每增加一層即增加更多的支部結構，且說明多層設置的推擠式多支樁更有利于支部結構作用的有效發揮。

2.4 支底壓力變化

推擠式多支樁與等截面樁相比最大的特點是在支底反力、樁側摩阻承擔上部荷載的基礎上增加了一個支底反力。等截面樁（#000-0000）受力情況見圖14，樁側摩阻對模型樁的豎向承載力產生了較大的貢獻，其分擔的豎向荷載約占整體75%，樁底反力承擔的荷載相對較小；單層四支樁（#140-0004）受力情況見圖15，隨著樁頂荷載的不斷增加，其樁底反力、支底反力也逐漸增加，支底反力為分擔上部荷載做出了貢獻，尤其在樁側摩阻力軟化后，支底反力的上升速度發生更快的變化，與此同時樁底反力也逐漸增大超過樁側摩阻力；四層四支樁（#440-8642）受力情況見圖16，樁側摩阻力在該次試驗中，對整個豎向承載力的貢獻約占35%，支底反力較早的超過了樁底反力，樁側摩阻力在軟化后下降明顯，低于支底反力與樁底反力。

從增加的豎向接觸面積來看，支底反力的增加與支部數量（支部設置層數與每層支部數的乘積）有著極大聯系，盡管由單層試驗可以得知支部結構設置的位置對支底所能承擔的承載力有所影響，但其變化幅度不大，基本可以認定支底總面積與支部結構所能提供的總的承載力呈正相關，也就是支部數量與支底反力呈一定程度上的正相關。同時，設置多層的支樁的支阻具有“阻礙效應”，即不同高度的支阻產生阻力時的上部荷載較為接近，但達到的最終支阻與支部位置相關，其中對比模型樁的試驗結果：單層條件下，在每層支部數量相同時，支部設置于距樁端400 mm～600 mm 處時對樁的承載力提高較大，對于該現象可通過模型樁樁體及支部結構受力來分析，在每層支部數量相同時，影響模型樁承載力的主要因素在于支部受力情況，支底反力的不同來源于支部周圍土體壓力及支部結構的向下位移，支部結構出現最優位置的原因，主要在于兩者對支部發揮作用的最佳配合，樁身所受到的樁側土壓力隨著樁身自上而下逐漸增大，而樁身的形變隨著樁身自上而下緩慢達到一個峰值都下降，這使得當支部結構設置于偏上部時，支部結構雖然可以在加載過程中發生較大的形變，但由于樁側圍土壓力較小，因而不能產生較大的承載力，而當支部結構設置于偏下部位置時，支部結構樁側圍土壓力較大，但由于支部產生的形變較小，無法將圍土的優良特性轉化為更多的承載力，因此產生支部結構的最優位置，即該位置設置支部結構時，支部周圍的圍土壓力足夠大，支部又能夠隨著樁身在應對上部荷載的同時產生較大形變，所以設置多層支樁其每層達到的最大支阻不同。

圖14 等截面樁端底壓力與樁側摩阻對比Fig.14 Comparison between pile bottom pressure and pile side friction

圖15 四根樁單樁底壓力的比較Fig.15 Comparison of the bottom pressure of four piles in a single layer

圖16 四層四支樁樁底支底壓力對比Fig.16 Comparison of the bottom pressure of four branch pile in four layers

3 結論

（1）相較于等截面樁的Q-s曲線呈現的陡降形態，含有支部結構模型樁的Q-s曲線多呈緩和形態。其具有更優異的承載性能及抗沉降表現；

（2）設置支部結構的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現，當上部荷載一定時，多層支樁的沉降量更少，且隨著支部結構每層數量的增加，這種優異的沉降性能愈發突出。支部結構每層數量與模型樁承載力呈線性正相關；

（3）支部結構設置層數與模型樁承載力呈線性正相關；

（4）支部層數與每層數量兩個變量中，支部結構層數對模型樁力學性能的影響更為突出；

（5）上部荷載的施加過程中，支阻一定程度上抵消了側阻軟化的負面效果，且設置多層支的支樁其每層達到的最大支阻不同。