DX桩承载特性的模型试验研究

李 仲，张 航，古 源，南 勇，陈立宏

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

1 前言

多节扩孔灌注桩最早出现在20世纪50年代的印度，随后英国、前苏联等国也进行了相关的试验研究［1］。随后出现的AM桩、支盘桩以及DX桩等作为这种多节扩孔桩的改良桩型得到了广泛的应用。其中DX桩在施工工艺，机械设备等方面比其他桩型具有明显的优势，试验证明，DX桩具有的多个承力盘，大大提高了桩身承载力并有效地降低了沉降［2］。在某桥梁工程的应用中，通过对比直孔桩与DX桩，结果表明采用DX桩方案以后，每个桥墩的桩数减少了1/3，桥墩部分节约混凝土27%，总造价比直孔桩节约18%，不仅降低了成本、缩短了工期，更取得了良好的经济效益和环保效果［3］。然而目前，对DX桩的理论研究远滞后于工程实践，尤其是在沉降计算方面，工程中仍采用偏于保守的实体基础的沉降设计理论。

目前国内许多学者针对DX桩进行了室内模型试验，浙江工业大学的李天宝等［4］在非饱和粉土中的试验表明支盘桩的承载力提高了2倍左右;吉林建筑工程学院的钱永梅等［5］得出盘间距对承载力的影响，结果表明盘间距越大，桩身沉降越小，合理的盘间距应为:在粘土、粉土中大于2．5倍的桩径，在砂土中大于3倍的桩径。浙江工业大学的卢成原等研究了在不同土层的模型支盘桩试验，结果均表明DX桩在砂土、软土及泥土中都有很好的承载效果［6～9］。

笔者通过室内小比尺模型试验，对加载过程中桩身的受力情况进行量测，将获得的位移数据与桩身各部应变进行整理，分析其荷载的传递规律，进一步揭示DX桩的承载机理。

2 模型试验研究

2．1 试验装置

该试验为室内小比尺模型试验，在自制的模型试验箱中进行。模型箱的规格长×宽×高为600 mm×600 mm×900 mm，采用钢板和钢化玻璃制作，并且在侧壁采用加劲板加固。具体装置见图1。

地基土采用砂土模拟，砂土的粒径小于0．63 mm，试验时控制的孔隙比为 0．68，为中密状态。

图1 模型试验箱示意图Fig．1 Sketch of model test chamber

为了更好地模拟大直径长桩，采用长径比25∶1作为模型试验几何比尺的控制条件。模型桩桩径为22 mm，桩长为650 mm，有效桩长为500 mm，盘径为50 mm。试验桩采用铝棒制作，为确保承力盘与桩身为一整体，制作时采用铝棒一次加工成型，其具体尺寸见表1，模型桩示意图见图2。

表1 模型桩的具体参数Table1 Parameters of model piles

加载装置采用杠杆与砝码加载系统逐级加载。试验时采用:a．百分表测量桩顶的沉降量;b．应变式压力传感器，精确测得加载在桩顶的荷载大小，压力传感器的最大量程为5 kN，精度为1%F．S．(满量程);c．应变片及应变读数仪，量测桩身的轴力。应变片分别贴于两个承力盘的上下桩身部位，以量测桩身轴力在承力盘处的变化情况。

2．2 试验步骤及方案

采用直孔桩与DX桩对比试验和DX桩平行试验:

1)先在桩身预设部位贴上应变片，并用万用表检查应变片是否完好，之后用AB胶封住以保护应变片。

2)将试验桩用木架固定于模型箱内，以保证桩身竖直。

3)向模型箱内分层填土，每次填土后，将砂面抚平，用固定高度的落锤夯实两遍。

4)将砂土全部填入箱内压实后，卸下木架，连接压力传感器，设置百分表等。

图2 模型桩示意图(单位:mm)Fig．2 Sketch of model piles(unit:mm)

5)将应变仪读数清零后按照预估承载力分为10级加载，第一次加载2级。每级间隔10 min以确保桩身及土体稳定。

3 试验结果分析

3．1 直孔桩与DX桩Q－s曲线结果分析

将DX桩与直孔桩置于同一条件下进行对比试验，试验的荷载－位移曲线见图3。从图3中可以看出，直孔桩在荷载作用下其沉降趋势明显要比DX桩沉降快，当桩顶施加荷载大小为1000 N时，等直径桩的桩身沉降为3 mm左右，而DX桩的沉降值为0．8 mm左右，其沉降与直孔桩相比明显减少。而在承载力方面，当桩身沉降均为1 mm时，等直径桩的承载力为500 N，而DX桩的承载力为1500 N。此外，还可以看出当承载力达到1000 N以上时，等直径桩的沉降急剧增加，丧失稳定性，而DX桩的沉降随承载力的增加而平稳缓慢增加。

3．2 DX桩承力盘的受力分析

通过试验，得出盘阻与沉降的关系(见图4)，在施加荷载的整个过程中，承力盘所承受的总承载力随着沉降的增加而增大，而上盘阻与下盘阻相比发挥较大的承载力。此外，当桩身沉降达到2．8 mm，上盘承载力达到600 N以后其承载力所占比重有逐渐下降的趋势，而下盘阻承载力所占比重增大，开始承担更多的力，总盘阻保持均匀增长，从而可以判断，在施加荷载过程中DX桩承力盘的受力先以上盘为主，而随着施加荷载、沉降的增大，下盘承载力所占比重逐渐加大。

图3 直孔桩与DX桩的Q－s曲线Fig．3 Q －s curves of straight piles and DX piles

图4 盘阻与沉降的关系曲线Fig．4 Curves of bell resistance and settlement

图5为盘阻分布情况曲线，从图5中可以看出随着桩身所受承载力的增大和沉降的增加，盘阻所受承载力占总荷载的比重有下降趋势。这是由于随着施加荷载的增大，桩身沉降增加，此时侧摩阻力开始逐渐承担更多的荷载，相应的盘阻所占总荷载的百分比就有所下降。

3．3 盘阻、侧阻、端阻与总荷载的相互关系

图6、图7为DX桩盘阻、侧阻和端阻各占总荷载百分比与沉降关系曲线及其承载力情况。可以看出，在加载初期，承力盘就开始发挥较大承载力，而随着施加荷载的增大以及桩身沉降的增加，侧摩阻力显著增加，与此同时承力盘所承受荷载比重有所下降。但从整个加载过程中来说，侧阻所受承载力占总荷载的65%左右，端阻在此沉降范围内发挥作用不明显，只占5%左右，而承力盘在整个DX桩受力过程中所受力占总荷载的比重保持在30%左右，发挥着相当重要的作用，明显提高其承载能力。

图5 盘阻受力情况Fig．5 Results of cell bearing capacity

图6 各部分占总荷载百分曲线Fig．6 Curves of each part occupy total load

图7 各部分承载力情况Fig．7 Bearing capacity of each part

4 结语

通过以上数据分析，可得出以下结论:

1)在本试验条件下的DX桩与直孔桩相比，发生同等沉降(1 mm)时DX桩的承载力约为直孔桩3倍，而在相同荷载(1000 N)作用下，DX桩沉降仅为直孔桩的27%。

2)DX桩的承力盘从加载初期就承担很大的荷载，其承载比重为总荷载的30%左右。

3)DX桩不同位置的承力盘的承载力发挥情况不同。在加载初期，上盘承载力的增速较下盘快，并且在整个试验中，上盘承载力都大于下盘。随着荷载的增大，下盘承载力所占比重有增长趋势。

致谢

本试验得到了北京交通大学大学生创新性实验计划项目的支持，同时得到了袁希雨硕士的大力帮助，在此表示感谢。

［1］沈保汉，贺德新，刘振亮，等．DX多节挤扩桩的产生及特点［J］．工业建筑，2004，34(3):1－4．

［2］沈保汉，贺德新，陈 轮，等．DX多节挤扩灌注桩［J］．地基工程，2002，5(4):30－34．

［3］夏德欣．DX挤扩桩用于某大桥桩基础［J］．公路与汽运，2009，133(4):206－208．

［4］李天宝，卢成原，王科元．支盘桩工作性状的模型试验研究［J］．浙江工业大学学报，2008，36(3):290－294．

［5］钱永梅，尹新生，钟春玲，等．挤扩多盘桩土体破坏机理的试验研究［J］．岩土工程界，2003，6(12):78－80．

［6］卢成原，贾颖栋，周 玲．重复荷载下模型支盘桩工程性状的试验研究［J］．岩土力学，2008，29(2):431－436．

［7］卢成原，孟凡丽，吴 坚，等．不同土层对支盘桩荷载传递影响的模型试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(20):3547－3551．

［8］王科元，朱兴海，卢成原．挤密效应对支盘桩承载性能影响的模型试验研究［J］．浙江工业大学学报，2009，37(1):53－57．

［9］邓友生，龚维明，戴国亮，等．多级支盘桩与等截面直孔桩承载力对比试验［J］．重庆建筑大学学报，2005，27(5):52－56．