圓孔擴張理論在擠擴支盤樁研究中的應用

王清正

河北工程大學土木工程學院，中國·河北 邯鄲 056038

1 引言

支盤樁是一種變截面樁型，是在普通灌注樁基礎上通過擴大局部樁身直徑形成擴徑體，通過擴徑體的端阻力使得其承載性能提高，沉降量減小，廣泛應用于工程建設中。支盤樁應用發展幾十年來，已經取得豐碩的研究成果，張延慶[1]等對某現場支盤樁進行抗拔試驗，總結在受壓和受拉荷載下的承載機理的不同點；盧成原[2]等采取模型試驗，在非飽和土體中對支盤處土體的擠密效應進行研究，提出擠密效應綜合影響系數概念；李連祥[3]等利用圓孔擴張理論，采用分段位移協調迭代算法對支盤樁的荷載傳遞進行研究，推導出擴徑端阻力與豎向位移的關系。

支盤樁在擠擴成型過程中，擠擴機通過對周圍土體進行擠壓，逐漸形成支盤體，支盤體周圍的土體受到擾動，土體參數已經發生改變，土體被壓密，密實度提升，支盤處土體存在明顯的擠密效應，論文采用圓孔擴張理論對擠擴支盤處擠密土體進行分析。

2 圓孔擴張理論假設及模型分析

2.1 圓孔擴張理論基本假設

Gibson[4]最開始以圓孔擴張理論解釋巖土問題，之后該理論被廣泛應用到巖土領域中來解釋相關問題。

在擠擴支盤樁中應用該理論，假設土體均為理想彈性體，現做出假設：

①支盤處土體為彈性體，不會發生剪切破壞；

②支盤成型后，周圍土體處于受力平衡狀態；

③土體服從Mohr-Coulomb屈服準則。

2.2 模型分析

圓孔擴張過程示意如圖1所示，在擠擴作用下，圓孔受到均勻的擠擴壓力P，土體由初始孔徑R0逐漸擴大到R。在擴張過程中，土體受擠擴作用，土體出現塑性變形，遠處土體仍然保持彈性體。

圖1 圓孔擴張理論模型示意圖

假設一單元體r，在圓孔擴張過程中其法向應力為σr，切向應力為σθ，參考周航等人的相關文獻[5]。在荷載情況下，水平內壓力與擴張半徑的關系為：

式中，G為土體剪切模量。

擠擴前土體密度假設為e0，擠擴完成后土體密度為e，在擠擴過程中的單位體的土體密度為er，則土的壓縮模量：

3 擠擴支盤樁抗拔承載機理

擠擴支盤樁在受到豎向上拔荷載時，發揮抗拔作用的是樁側摩阻力。隨著荷載的增加，在達到一定值時，樁側摩阻力達到最大值，這時支盤端阻力開始發揮作用，支盤的受力面積增大，荷載被傳遞到周圍土層中較多，因此抗拔能力提升，在多支盤體中，首個支盤在承受較多荷載之后，相繼第二個支盤開始發揮作用，隨著荷載增加，之后支盤隨著開始發揮作用。

支盤在設置的時候，往往會選擇持力層較好的土層，實際工程中樁徑為600~800mm。支盤樁的支盤樁直徑一般在1400mm以上，根據某樁基礎公司提供的支盤機參數，其提供最大推力在4000N以上。可想而知，在這樣大的擠擴力下，對土體的擠密效果是非常可觀的，土體密度增大，壓縮模量和土體強度都會隨著提高，承載力就會隨之提高。

錢德玲[6]提出，支盤樁的抗拔承載力由四部分組成，即樁側摩阻力Ps、支盤的抗拔阻力Pz、倒圓臺土體的有效自重Pcz和樁體的有效自重Wc。

根據錢德玲博士的研究可知，圓孔擴張理論主要與支盤的抗拔阻力有聯系。通過圓孔擴張理論對支盤處的土體分析，其壓縮模量減少，土體的壓縮性提高，土體的承載能力提高。

4 非飽和土體擠密試驗驗證

根據盧成原學者對非飽和土體中土體擠密試驗的研究，其土質情況均勻，在成盤位置處屬于中等壓縮土，所有土樣均為不飽和狀態。試驗擠擴支盤樁的樁徑為600mm，支盤處直徑最大為1400mm，通過鉆孔，擠壓成型。擠擴支盤樁的擠壓應力對樁周土的影響范圍進行研究，實驗包括對樁周土水平方向和豎直方向上的影響范圍的變化規律。

在樁體成型后，對樁體支盤周圍的土的干密度進行分層取樣，試驗結果表明樁周土的擠密效應十分明顯，擠壓區內的干密度增幅最大可達20%以上，這也證明了擠壓土體的壓縮性增大，從而土體的承載力提高。

利用式（1）計算初始和擠擴結束兩個狀態的土體干密度對應壓強R0和P。利用式（2）對土體壓縮模量Es進行計算，對比初始狀態時的壓縮模量。可以得知，土體壓縮模量變小，土體壓縮性提高。

5 結語

第一，支盤樁支盤處土體在擠擴壓力的作用下會被擠密，土體的干密度提高，壓縮性提高，擠擴支盤樁的抗拔承載力得到提高。

第二，應用圓孔擴張理論對支盤成型過程中進行理論分析，說明支盤成型過程土體受壓縮，土體壓縮模量減小，土的壓縮性提高。

第三，擠擴支盤樁的抗拔承載可以分為四個部分，抗拔過程中樁側摩阻力首先發揮作用，隨著荷載的增大，支盤端阻力逐漸發揮作用。