分層土中擴盤單樁水平承載特性模型試驗研究★

周 勝 男

(河南科技大學土木工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

早在20世紀90年代，擴盤樁作為一種較為先進的樁基形式被廣泛研究[1]。擴盤樁以它特殊的構造、優越的經濟技術逐漸得到業內人士的認同，由于擴盤樁自身的特殊性，在抵抗水平荷載時，相對于普通直徑樁顯現出自身巨大的優勢，特別在復雜的地層中擴盤樁的應用對巖土工程的發展起到推動作用[2]。

目前國內對擴盤樁的研究從內容和形式上相對較為豐富，豎向荷載作用下擴盤樁承載力的研究具有一定的基礎和深度，但水平荷載下承載力的研究相對較為薄弱，且存在一定的問題和不足，需要進一步深入的研究[3,4]。近十幾年來，國內外對于水平荷載下擴盤樁的承載性能影響進行了研究，彭毅等[5]通過數值模擬方法，對水平荷載下擴盤樁抗拔承載力影響進行分析。于洋[6]通過有限軟件的模擬分析確定水平荷載作用下擴盤樁的破壞特征和盤間距的大小對其水平承載力的影響，并完善了擴盤樁的設計理論基礎。黃子軒[7]、張玉輝[8]研究了水平力作用下擴盤數量和位置對擴盤樁水平承載力及土體破壞狀態的影響。盧成原等通過室內模型試驗對不同土層中不同形狀盤體組合進行分析，提出設置在不同土體中各盤盡可能采用不同的形狀，以發揮擴盤樁的承載性能。張貫鑫[9]在單樁模型的基礎上進一步研究了支盤雙樁、群樁在平盤及上盤錯盤布置情況下的承載性狀。琚蕊雄[10]結合數值分析軟件，研究了擴盤樁在不同含水率土層中的承載力變化，得到含水率對支盤承載特性的影響規律，為含水率相差較大分層土擴盤樁的研究提供相應的依據。在實際工程中擴盤樁常用在不同土層承受水平荷載，如拱橋最邊跨下的擴盤樁，處在上層高含水率較高下層比較密實的河灘土，在這種特殊條件下受到水平推力時擴盤樁承載力情況及通過加固方法提高河灘土承載力對工程的實際意義值得探究。本文將通過室內模型試驗對兩根承力盤不同位置的擴盤樁進行試驗，得到不同條件下的受力情況，對工程設計施工具有重要的實際的意義。

本文主要通過室內模型試驗對2根承力盤位置不同的擴盤樁分別進行兩種工況下的水平承載性、變形性能、樁周土壓力試驗對比分析。

1 擴盤樁模型試驗

1.1 模型的制作

模型與原型的相似性是室內模型試驗考慮的重要因素。室內試驗幾何相似、邊界條件相似較為容易實現，但材料相似難以實現，本試驗不考慮材料的相似，僅對水平荷載作用下樁—土作用進行定性分析，分析實際工程相似條件下產生的規律[11]，基于模型制作和試驗的實際狀況對模型的尺寸稍作調整，相似比計算如表1所示。本試驗采用900 mm(長)×1 mm(厚)，直徑60 mm薄壁鍍鋅鋼管樁，其中擴盤高80 mm，直徑為130 mm，采用5 mm過篩土埋置在1.2 m(長)×0.8 m(寬)×1 m(高)的土箱中。在埋置時每層土的虛鋪厚度為200 mm，每層采用手動擊實儀擊實兩遍，當土體表面距離土箱底部200 mm時放入模型樁，對于分層土來說，實驗步驟基本相同，當土夯實到距土箱底面600 mm時夯實停止，上部的400 mm不需要夯實。按照圖1所示位置埋入土壓力盒，按照土工試驗的標準[12]操作步驟，下部擊實和上部未擊實土的土的物理力學性質指標如表2所示。

表1 模型—原型相似比計算

表2 加固前后土體的物理性質指標

1.2 加載控制

水平荷載的施加采用的是定滑輪手動加載方式，見圖2，加載位置為距離樁頂下端50 mm處，豎向施加25.46 N的荷載，模擬上部結構的自重。

2 試驗結果分析

2.1 實驗結果計算與統計

本次試驗共制作兩根擴盤樁，土層分為上層擊實和上層不擊實，共四種工況。模型一擴大盤位于樁頂以下390 cm，稱為上盤樁，用模型樁A表示；模型樁二的擴大盤位于樁頂以下540 mm，稱為中盤樁，用模型樁B表示。支盤樁模型A和模型B分別選取1，2，3，4，5，6，7，8測點應變最大值時刻，根據式(1)計算出對應的樁身彎矩值，選擇兩模型測點應變最大值時刻計算樁側土壓力。

根據梁的彎矩變形與應力分析理論，樁身任一截面處彎矩可按式(1)計算：

(1)

其中,b0為同一測試斷面處應變片之間的水平距離；E為樁身材料的彈性模量；I為該斷面相對中性軸的慣性矩；Δε=ε+-ε-，ε+,ε-分別為同一截面處的拉壓應變。

2.2 參數隨荷載的變化

選取荷載等級為100 N～1 200 N，各級荷載下樁身彎矩隨深度變化關系見圖3，樁受壓側土中壓力隨深度的變化見圖4。

由圖3可看出隨著水平荷載的不斷增加，每個測點的彎矩值隨著水平荷載的增加而增大，每級水平荷載的彎矩值在樁頂以下0.34 m處達到最大。在3號測點，水平荷載每增加100 N，彎矩值依次增加27.36 N·m，32.12 N·m，30.31 N·m，32.34 N·m，28.04 N·m，37.10 N·m，26.91 N·m，21.03 N·m，35.96 N·m，27.37 N·m，17.19 N·m。在7號測點，水平荷載每增加100 N，彎矩值依次增加-1.81 N·m，-6.11 N·m，-6.56 N·m，-1.81 N·m，2.04 N·m，5.20 N·m，6.33 N·m，3.17 N·m，2.49 N·m，2.03 N·m，1.14 N·m。相對于其他測點，在3號測點，水平荷載每增加一級，彎矩值的增加幅度最大，在7號測點每增加一級荷載增加的幅度最少，且在1，2，3，4測點出現了負彎矩。從1號測點到3號測點彎矩值在不斷增加，當到達3號測點時彎矩值達到最大，從3號測點到8號測點彎矩值逐漸減小，在8號測點彎矩值達到最小值。根據彎矩值達到最大的測點位置，可以計算出當擴盤樁埋深距樁頂1/3時，彎矩達到最大值。

由圖4可以看出擴盤樁側向土壓力隨埋深的變化，隨著樁頂水平荷載的增加，c1測點的樁側土壓力不斷增加，說明離樁端較近測點的土壓力受水平荷載影響較大。從c1到c2測點樁側土壓力明顯下降，在c2測點土壓力相對比較集中。說明隨著埋深的增加樁側土壓力不斷減小，在c2測點土壓力幾乎達到最小值，這是由于支盤的存在減緩了樁側土壓力。樁對受側土的壓力主要表現在承支盤及以上深度范圍，因此上層軟弱土可能會明顯增大樁身的水平位移，有必要采取適當方式對上層土進行加固。

3 兩種因素的影響

3.1 土質的影響

選取荷載等級為1 100 N，繪制上盤樁在加固后的均質土和分層土中的彎矩值見圖5，土壓力值見圖6。

土質對彎矩值的影響見圖5，對于分層土，從1號到3號測點彎矩值逐漸增大，在3號測點達到最大值321.16 N·m；從3號到8號測點彎矩值逐漸減小，8號測點彎矩最小值達到5.65 N·m。對于加固土，從1號測點到3號測點彎矩值同樣逐漸增大，在3號測點達到最大值256.70 N·m；從3號到8號測點彎矩值逐漸減小，8號測點彎矩最小值達到21.49 N·m。通過計算可以得到分層土在3號測點的彎矩值大約是加固土在3號測點彎矩值的1.25倍。說明通過對擴盤樁周土體的加固，可以抑制樁體自身的變形。通過彎矩值對比分析，擴盤樁在加固土中最大彎矩相對于分層土中可以減少約20%。

土質對擴盤樁側土壓力的影響見圖6，在分層土中，c1測點的土壓力為1 161.62 kPa，c2測點的土壓力為35.88 kPa，土壓力從c1到c2測點土壓力值減小了1 125.74 kPa。對于加固土，c1測點的土壓力525.46 kPa，c2測點的土壓力為94.70 kPa，土壓力從c1測點到c2測點土壓力減小了430.76 kPa。c1點擴盤樁在分層土中受到的側向土壓力為加固土中的2倍，說明通過對擴盤樁周圍土體的加固，擴盤樁受到的側向土壓力可降低約50%。

3.2 承力盤位置的影響

選取荷載等級為700 N，繪制在相同土層中不同擴大盤位置的彎矩圖見圖7。選取荷載等級為900 N，繪制在相同土層中不同支盤樁的土壓力見圖8。

承力盤對彎矩值的影響，對于中盤樁從1號到4號測點的彎矩值逐漸增大，從4號測點到8號測點彎矩值逐漸減小。在4號測點達到彎矩最大值187.49 N·m，達到最大值的埋深為-0.43 m。對于上盤樁從1號測點到3號測點彎矩值逐漸增大，從3號測點到8號測點彎矩值逐漸減小。在3號測點彎矩值達到最大值209.89 N·m，達到最大彎矩值的埋深為-0.34 m。在土質相同且受到的水平荷載相同的條件下，上盤樁的彎矩值約是中盤樁的1.2倍。承力盤位置對樁周土壓力的大小的影響，中盤樁土壓力在c1測點為1 280.81 kPa，上盤樁c1測點土為917.68 kPa，同在c1測點上盤樁土壓力值比中盤樁小363.13 kPa。說明承力盤的位置在靠近上部時，樁上部的剛度相對較大，對土壓力的減緩作用明顯大于承力盤在靠近中部的工況，當支盤距樁端1/3時承力盤所減緩的側壓力是承力盤距樁端1/2時的1.40倍。

4 結語

通過設計的樁—土相互作用模型試驗系統，對模型擴盤樁進行水平荷載作用下的試驗分析，通過對試驗數據的對比分析，得出以下結論：

1)隨著水平荷載的增加，彎矩值不斷增加。水平荷載相同時，隨著埋深的增加彎矩值先增大后減小，距樁端1/3時，彎矩值達到最大值。

2)通過對樁周土體的加固，可以抑制樁體自身的變形，通過彎矩值對比分析，擴盤樁在加固土中最大彎矩相對于分層土中可以減少約20%。

3)隨著水平荷載的增加距加載位置較近的壓力盒測得的側向土壓力不斷增大，但在每級荷載下都表現為隨著埋深的增加側向土壓力逐漸減小。同一樁在加固土中樁受到的側向土壓力是分層土的1/2，通過加固擴盤樁周圍的土體可以降低50%樁受到的土側向壓力。

4)說明承力盤的位置在靠近上部時，樁上部的剛度相對較大，對土壓力的減緩作用明顯大于承力盤在靠近中部的工況，當支盤距樁端1/3時承力盤所減緩的側壓力是承力盤距樁端1/2時的1.40倍。