擠擴(kuò)支盤樁試驗(yàn)研究進(jìn)展

王勝，張成富，孟凡臣，朱寧，史仕熒

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司蘇里格分公司，內(nèi)蒙古烏審旗 017300；3.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東濟(jì)寧 272000；4.中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

擠擴(kuò)支盤樁，又稱為DX樁，是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種新型樁基礎(chǔ)，其根據(jù)仿生原理（樹根構(gòu)造）在傳統(tǒng)等截面鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上演變而來[1]。其成樁第一步采用普通鉆機(jī)形成等截面鉆孔樁，然后根據(jù)不同土層的特性利用專用擠擴(kuò)裝置在樁身不同深度部位擠密出若干承力盤或分支，然后放入鋼筋籠并澆筑混凝土成擠擴(kuò)支盤樁[2]。通過承力盤或分支的端承作用，樁端承載力大大提高，且位移量大大減小[3]。除此之外，擠擴(kuò)支盤樁還具造價低、工期短、樁基安全性高等優(yōu)點(diǎn)，有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果[4]。

圖1 擠擴(kuò)支盤樁示意圖

對于這種在工程項(xiàng)目上獲得廣泛關(guān)注的新型樁，理論研究還不成熟，通過試驗(yàn)來研究其載荷傳遞機(jī)理、承載力性能和破壞模式等是目前常用的方法。該文主要綜述了擠擴(kuò)支盤樁的基本試驗(yàn)方法，從實(shí)物試驗(yàn)（包括現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)小尺度模擬試驗(yàn)）、數(shù)值試驗(yàn)三個角度系統(tǒng)介紹了試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，為新進(jìn)入擠擴(kuò)支盤樁研究領(lǐng)域的學(xué)者提供一個整體的概念。

1 擠擴(kuò)支盤樁的實(shí)物試驗(yàn)

在對擠擴(kuò)支盤樁的眾多研究中，實(shí)物試驗(yàn)是一種研究方法，分為現(xiàn)場實(shí)物試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)物模擬試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映擠擴(kuò)支盤樁在應(yīng)用中的性能，從而為后期應(yīng)用提供施工經(jīng)驗(yàn)；室內(nèi)模擬試驗(yàn)可以根據(jù)需要進(jìn)行很靈活的設(shè)計(jì)，可以做小尺度試驗(yàn)以節(jié)省成本，還能利用現(xiàn)代化的測試設(shè)備開展各種性能試驗(yàn)、對比試驗(yàn)以得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)[5-6]。

在實(shí)物試驗(yàn)時，根據(jù)載荷類型的不同，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不同。載荷主要有如下幾種類型：下壓+水平聯(lián)合工況、上拔+水平聯(lián)合工況、水平載荷、下壓載荷等。目前關(guān)于下壓載荷的研究較多，其試驗(yàn)系統(tǒng)大都采用圖2所示的方法，利用電子位移傳感器記錄樁的位移，測力傳感器測量應(yīng)力。其中測力傳感器的布置是關(guān)鍵，在承力盤上下界面上布置傳感器可得到承力盤的承載性能，在主筋上安裝可以得到樁身軸力信息并研究擠擴(kuò)支盤樁Q-S曲線、載荷傳遞機(jī)理等。實(shí)物試驗(yàn)中利用土壓力盒還可測量土體與基礎(chǔ)之間壓力的變化[9]。

其中：對于上拔載荷的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與圖2所示的設(shè)置類似，即主要在樁軸線上施加載荷；對于具有水平載荷的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要在水平方向上施加載荷，肖琦[5]的試驗(yàn)方法如圖3所示，亦采用千斤頂加載水平載荷，與圖2不同的是，需要添加反力基礎(chǔ)給試驗(yàn)樁提供水平反力，從而研究輸電線路等工程擠擴(kuò)支盤樁在承受水平載荷時的性能。

圖2 擠擴(kuò)支盤樁室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3 水平加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

在試驗(yàn)系統(tǒng)搭設(shè)完畢后，為獲得擠擴(kuò)支盤樁載荷傳遞機(jī)理、承載力等性能，涉及到如何加載和卸載。對于施加載荷的方法目前大多采用慢速維持載荷法，即逐級加載，并在加載時保證載荷傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，當(dāng)每級載荷達(dá)到相對穩(wěn)定后記錄沉降量和應(yīng)力，然后施加下一級載荷[10]。卸載時，亦逐級卸載。卸載清零后，維持一段時間，測讀樁頂殘余沉降量。每級加載和卸載時，間隔記錄各測試設(shè)備的數(shù)值，直到沉降量在一定時間前后相鄰兩次讀數(shù)之差小于0.1 mm可視為穩(wěn)定[10]，并進(jìn)行下一步加載或者卸載。同時，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)單樁設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)樁頂位移達(dá)到40 mm時，終止加載[11]。

從上面的敘述可以看出，由于不允許破壞工程樁，為獲得工程樁的極限載荷，一般通過模擬、推算等方法來估算。

在對擠擴(kuò)支盤樁的破壞模式研究中，大都認(rèn)為在成樁質(zhì)量較好的情況下，主要是土體的破壞。現(xiàn)階段關(guān)于土體破壞形式的研究主要基于如下試驗(yàn)方法：搭建半面樁小型試件試驗(yàn)系統(tǒng)，采用鋼化玻璃缸裝黏性土并埋置試件，然后加載，同時用數(shù)碼相機(jī)拍攝試驗(yàn)前后樁土的狀態(tài)及土的破壞形式，最后用媒體計(jì)算機(jī)處理拍攝照片以得到土體位移的變化情況，分析土體破壞形式[8]。為減少玻璃摩擦帶來的試驗(yàn)誤差，王成武等[12]在玻璃的內(nèi)表面涂上硅油后拍照，得到土體位移的變化情況。上述試驗(yàn)方法發(fā)展到現(xiàn)場大比例半截面實(shí)樁試驗(yàn)，在半截面樁一側(cè)利用固定好的鋼化玻璃罩住，然后對半截面樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，得到載荷、位移等數(shù)據(jù)，并觀察樁土的狀態(tài)[13]。

上述室內(nèi)小尺度實(shí)驗(yàn)雖然能獲得土體的破壞形式，但是由于影響因素眾多，在進(jìn)行小尺度的模擬試驗(yàn)時，應(yīng)進(jìn)行相似準(zhǔn)則分析，選用最重要的無量綱數(shù)進(jìn)行縮尺度，但是目前的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很少學(xué)者開展這方面的工作；且尺度小，與真實(shí)的土體、樁體仍然不同，試驗(yàn)結(jié)果對于大尺度的樁體是否適用仍然存在問題。

2 擠擴(kuò)支盤樁的數(shù)值模擬試驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的不斷提高，使得數(shù)值模擬中的巨型計(jì)算成為可能，促進(jìn)了數(shù)值模擬成為擠擴(kuò)支盤樁的一種研究方法，不少學(xué)者采用這種手段對其工作機(jī)理進(jìn)行了研究，從而節(jié)省了研究成本、縮短了研究周期[14]。巨玉文等[15]采用載荷傳遞函數(shù)自行編程推求擠擴(kuò)支盤樁頂載荷Q-樁頂沉降s曲線；米曉慶等[16-17]采用基于有限差分分析軟件FLAC對擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；蘇小培等[18]采用基于有限元分析軟件MIDAS/GTS研究了不同支盤直徑、樁間距等對支盤性能影響；王坤等[14]采用MARC有限元軟件獲得了擠擴(kuò)支盤樁在下壓載荷下樁身軸力傳遞規(guī)律等；巨玉文等[19]、唐孟雄等[20]通過ANSYS有限元軟件研究了支盤間距等對其工作性能的影響；高笑娟等[7]、王伊麗等[21-22]借助ABAQUS軟件進(jìn)行了擠擴(kuò)支盤樁的相關(guān)研究。從上述調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，目前采用自行編程獲得的信息較少，利用這種方法的學(xué)者少；大部分研究采用基于有限差分或有限元的數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算[12,21,23]。

在進(jìn)行數(shù)值模擬的時候，通常先建立物理模型，然后劃分網(wǎng)格求解。物理模型建立的正確與否，與計(jì)算結(jié)果是否可靠息息相關(guān)。

對于物理模型計(jì)算域的選擇，為保證邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響較小，根據(jù)彈性理論，單樁的水平邊界取6D～60D（D為主樁直徑）之間[24]。大多數(shù)學(xué)者建立的物理模型均在此范圍內(nèi)，如王坤等[14]建立樁側(cè)水平土體大約10D的三維空間作為物理模型；蘇小培等[18]在研究單排樁取水平邊界20D約束其水平位移；米曉慶等[16]、王伊麗等[21]取約15D樁徑為水平邊界；對于樁底土體深度，有取10D，也有取50%樁長、60%樁長，還有取1倍樁長，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研來看，很多文獻(xiàn)將樁底土體深度取為1倍樁長左右，以滿足計(jì)算精度[25]。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，三維模型對于具有分支結(jié)構(gòu)的擠擴(kuò)支盤樁計(jì)算更能貼近實(shí)際，采用三維模型成為研究的主流[10,17]。對于三維模型邊界條件設(shè)置問題，一般將樁頂端設(shè)置為自由面，樁周土體邊界上施加x、y、z方向的0位移約束，樁底土體邊界上施加x、y方向的0位移約束。在建立模型后劃分網(wǎng)格時，一般需要在樁身、樁端和承力盤部位進(jìn)行局部加密。

樁體模型采用線彈性材料，各向同性；土體選用理想彈塑性材料，Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行分析，樁土接觸面設(shè)置為摩擦因數(shù)不變的接觸單元，從而模擬樁-土相互作用的物理力學(xué)特性。計(jì)算時，在樁頂中心處施加下壓載荷，用時間步數(shù)模擬逐級加載過程[22]。

采用數(shù)值模擬的方法能夠獲得實(shí)物試驗(yàn)所不能得到的信息，如樁身任一點(diǎn)處的位移、軸力等，但是數(shù)值模擬的結(jié)果是否可靠仍然需要試驗(yàn)的檢驗(yàn)[14]。

3 結(jié)論

為擴(kuò)大擠擴(kuò)支盤樁的使用范圍和系統(tǒng)了解這種新型樁的工作機(jī)理，對于擠擴(kuò)支盤樁的試驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸從定性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭O(shè)計(jì)，研究范圍逐漸從單一載荷轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N載荷，研究對象逐漸從樁本身發(fā)展到關(guān)注樁土耦合效應(yīng)，研究內(nèi)容逐漸從單一方面走向系統(tǒng)。

在理論研究還不成熟的前提下，試驗(yàn)研究就顯得尤為重要。目前對于擠擴(kuò)支盤樁如何確定極限承載力的實(shí)物試驗(yàn)方法有待發(fā)展，如何設(shè)計(jì)小尺度實(shí)驗(yàn)從而為工程實(shí)踐提供有實(shí)際指導(dǎo)價值的數(shù)據(jù)仍有待完善。在現(xiàn)階段，將實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)合起來，即采用實(shí)物試驗(yàn)獲得基本的數(shù)據(jù)，從而為數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證提供參考，然后利用數(shù)值模擬開展系統(tǒng)的研究，是一種經(jīng)濟(jì)快速的研究方法。可以利用這種方法開展對比性試驗(yàn)、載荷傳遞規(guī)律等系統(tǒng)試驗(yàn)，為高效開展擠擴(kuò)支盤樁的理論、設(shè)計(jì)和現(xiàn)場應(yīng)用研究服務(wù)。