变截面桩承载特性的研究综述

王金凤 曹振华

变截面桩越来越多的应用于工程实践中,它一般具有以下特点[1,2]:1)单桩承载力高;2)抗拔性能较好,稳定性强;3)节约原材料,缩短工期,从而降低工程造价;4)施工设备易于改装,工艺简便。

1 变截面桩在桩基工程中的应用

1.1 挤扩支盘桩的研究现状

有学者分别从现场测试和数值模拟等方面对挤扩支盘桩的桩身荷载传递规律进行了研究。

钱德玲[3]由现场测试分析发现,轴力分布曲线在支盘上下端位置发生了急剧的变化,轴力明显降低,其耗损的轴力完全由支盘承担,并将其转嫁到支盘底部的土层,从而使桩端阻力明显降低。这是支盘桩承力的特性,也是支盘桩高承载力的原因所在。而支盘底部土体的挤密和“预压”,为提高支盘承力起到了不可低估的作用。

杨志龙[5]和吴兴龙(2000年)[6]通过现场试验和有限元分析,发现支盘的承载作用明显、挤扩支盘桩为摩擦多支点端承桩、支盘附近的桩侧摩阻力有所下降等结论。

余建民等(2006年)[7]采用有限差分软件FLAC3D模拟支盘桩的荷载传递特性和破坏机理。结果表明,支盘桩受力过程中,由于支盘上部与土体脱离,桩侧阻力会出现负的摩阻力。推断桩的破坏是上、下盘之间的土体发生剪切破坏所致。

有以下学者主要通过现场测试对挤扩支盘桩的单桩承载特性进行了相关研究。

钱德玲(2001年)[3,4]认为挤扩支盘桩是利用支或盘将荷载逐一传递到不同深度、较好的土层,用分层承载的方法逐一卸荷,减小桩端荷载和沉降,同时使桩具有较好的稳定性和较高的承载力。其研究结果表明,影响挤扩支盘桩承载力的主要因素包括了主桩直径、承力扩大盘的高度、间距、位置及数量等。通过对大量实际工程的试验结果的统计分析,并结合灌注桩基础规范的相关规定,提出了支盘桩主桩身和承力盘直径的取值方法、支盘桩承力盘的竖向间距取值范围和群桩基础中基桩的横向合理间距。

高笑娟(2005年)[8]通过支盘桩的静载荷试验,发现承力盘位置与土层的性质密切相关,浅层承力盘先于深层发挥作用。第一个承力盘承担的荷载最大,这说明了第一个支盘的设置位置尤其重要,较好土层的性质以及较大的盘间距为第一个支盘的承载力发挥提供了必要的条件。将最靠近桩顶的承力盘设计为最大,下部承力盘直径逐渐减小,既可以充分发挥各个承力盘的作用,又可以减小混凝土的用量,达到了降低工程造价的目的。

有学者通过现场试验和室内模型试验对挤扩支盘桩的单桩破坏模式进行了研究。

钱德玲(2003年)[4]基于现场试验结果,研究了支盘桩的受力特性和破坏性状。在载荷试验前后分别做动测试验,发现成桩质量良好的支盘桩,即使在达到极限荷载后,仍保持完好的桩形,因此推断支盘桩的破坏不在于桩体本身或支盘的破损,而在于支盘下土体和桩端土体的破坏,即支盘桩的破坏是支盘下土体的剪切破坏和桩端土体的贯入破坏。钱永梅(2004年)通过对支盘桩的小比例尺模型试验也得到相似的结论。

1.2 扩底桩的研究现状

有学者分别从现场测试和数值模拟的方面对扩底桩的桩身荷载传递规律进行了研究。

施峰、蔡来炳等(1999年)[9]基于11根有埋设测试元件的现场试验的结果,研究了软土地区人工挖孔扩底桩的荷载传递机理及侧阻力、端阻力的变化规律;并统计和分析了300根人工挖孔桩的静载试验资料,提出了承载力的计算方法和桩端常用土层的极限承载力取值范围。

汪文彬,杨敏(2005年)[10]运用弹塑性有限元分析了扩底桩的荷载传递特性,指出扩底桩的桩底荷载传递率与刚度比、长径比、扩底直径、扩底性状以及荷载大小的关系;并通过对其桩底土的应力分布特性的分析,认为桩底土的竖向应力收敛快,影响范围小,且桩底土有效压缩层薄。

侯超群(2004年)[11]对两根试桩(一根直杆桩,一根扩底桩)进行了现场静载荷试验,并提出了计算人工挖孔扩底桩容许承载力的经验公式,采用有限元方法分析了桩周土及桩底土层应力应变变化规律,同时还研究了桩端土层的竖向压应力和桩侧剪应力分布特性以及扩大端的临空面对应力的影响。

有以下学者主要通过现场测试对扩底桩的单桩承载特性进行了研究。

顾宝和,高广运等(2004年)[12]对大直径扩底桩进行了现场试验研究,其研究结果表明,大直径扩底桩的变形、破坏性状不同于浅基础及一般桩基础。大直径挖孔扩底桩下的土体以竖向变形为主,伴随有侧向挤压,无向上隆起;当荷载较大时,扩底端上方有一临空面(由于土拱的作用和土的凝聚力而不致塌落),扩底端底面外侧有伞形拉裂缝,存在一拉应力区,接近扩底端头处裂缝较宽,越远越窄以至逐渐消失。

霍志芳(2002年)[13]通过大量试桩资料和有限元计算分析,给出了以强度理论和相对变形为控制标准的人工挖孔扩底桩竖向承载力计算公式,提出了扩底桩地基变形模量的确定方法,并从Mindlin解出发利用数学方法得出了影响地基土变形模量的因素——泊松比,初步确定了比较完善的变形模量计算公式;并考虑了扩底桩的“拱效应”特点引入了有效桩长的概念,最后结合公路规范推出了比较实用的人工挖孔扩底桩轴向承载力计算公式。

张志勇、陈晓平(2000年)[14]对均质地基上扩底桩单桩在不同荷载大小、不同桩土模量比、不同头径比的临界桩长进行了有限元数值模拟,得出扩底桩单桩临界桩长与桩土模量比和头径比有关,但在容许承载力范围内与荷载大小无关的结论。

2 变截面桩在复合地基中的应用

支盘桩和扩底桩均属于变截面刚性桩,研究方法多采用桩基理论,而关于变截面桩应用于复合地基的研究报道得较少。

席培胜(2007年)[15]运用能量守恒定律,分析了机械参数与单桩设计参数、工艺参数和工程地质参数之间的理论关系;通过现场载荷试验,发现变截面水泥土搅拌桩的单桩承载力和复合地基承载力比相同桩长的双搅桩和常规桩都要高,并提出单桩承载力主要是由:桩侧摩阻力;扩大头端承力;桩端阻力三部分组成。并结合三种单桩破坏模式提出了单桩极限承载力计算公式,但是尚缺少理论验证。

张善,宋宁生等(2008年)[16]运用FLAC3D对钉形桩单桩承载特性进行了三维数值分析。其结果表明钉形桩较常规桩其单桩承载力有较大提高;在其他条件相同情况下,钉形桩的单桩极限承载力在一定范围内随扩大头高度、扩大头直径增加而增大;并认为从承载力角度,钉形桩存在有效桩长。

易耀林,刘松玉(2008年)[17]运用FLAC3D对钉形桩单桩复合地基载荷试验进行了三维数值模拟。结果表明:钉形搅拌桩桩身荷载主要集中在扩大头部分,且衰减较快,变截面处桩身轴力有较大衰减,扩大头桩侧摩阻力较大,下部桩体侧摩阻力较小;桩身变形集中在扩大头,桩间土变形则集中在变截面以下较短范围内。

3 结语

变截面桩大多具有工程性能高、机械设备易改造、经济效益好等优点,越来越多的应用在各种工程中,但是变截面桩多属于新技术,在理论和设计方面有待进一步研究。

[1] 林天健.现代异形桩及其力学特点的理论评述[J].力学与实践,1998,5(20):1-11.

[2] 宰金珉,宰金璋.高层建筑基础分析与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[3] 钱德玲.对挤扩支盘桩破坏性状的探讨[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2001,24(5):955-958.

[4] 钱德玲.具有高抗拔性能的支盘桩在工程中的应用研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(4):678-682.

[5] 杨志龙.挤扩支盘桩单桩竖向承载力研究[D].天津:天津大学,2000.

[6] 吴兴龙.DX单桩承载力设计分析[J].岩土工程学报,2000,22(5):581-585.

[7] 余建民,万林海,郭 鹏,等.挤扩支盘桩承载特性的 FLAC3D模拟[J].华北水利水电学院学报,2006,27(4):78-81.

[8] 高笑娟,李跃辉.人工挖孔支盘桩承载性状试验研究[J].岩土工程技术,2005,19(3):148-151.

[9] 施 峰,蔡来炳,柳 春.人工挖孔扩底桩承载力试验研究[J].工程勘察,1999(2):21-25.

[10] 汪文彬,杨 敏.基于广义协调变形的直桩弹塑性分析[J].岩土工程学报,2005,27(12):1442-1446.

[11] 侯超群.人工挖孔扩底桩竖向承载力试验研究[D].西安:长安大学,2004.

[12] 高广运,蒋建平,顾宝和.砂卵石层上大直径扩底短墩竖向承载性状[J].岩土力学,2004,25(3):359-362.

[13] 霍志芳.人工挖孔扩底桩竖向承载力的计算[D].西安:长安大学学位论文,2002.

[14] 张志勇,陈晓平.扩底单桩临界桩长的数值模拟[J].武汉水利电力大学学报,2000,33(3):36-38.

[15] 席培胜.变截面水泥土双向搅拌桩技术及承载特性研究[D].南京:东南大学,2007.

[16] 张 善,宋宁生,孙 鹤,等.钉形水泥土双向搅拌桩单桩承载力特性的数值模拟研究[A].第十届全国地基处理学术讨论会论文集[C].2008:181-184.

[17] 易耀林,刘松玉.钉形搅拌桩复合地基荷载试验的三维数值模拟[J].东南大学学报,2008(5):821-827.