自锁型悬臂桩承载性能研究

张小凯 朱玉霖

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

自锁型悬臂桩承载性能研究

张小凯 朱玉霖

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

对悬臂单桩与自锁型悬臂桩进行了室内模型试验，测试了试验过程中桩身的位移、应变及桩前土压力，通过对试验结果的分析，得到了两类桩桩前土的破坏过程、桩的变形及桩前土压力的变化规律，指出自锁桩较单桩的水平承载性能有明显优势。

自锁型悬臂桩，悬臂单桩，模型试验，承载力

0 引言

悬臂桩主要靠嵌固段来承受桩后推力，提高其承载力一般通过增加嵌固段长度、改变悬臂桩的受力结构形式及改善桩周土的强度等来实现。如李凯玲的锚索抗滑桩、肖世国的椅式抗滑桩、周翠英的门架式双排式抗滑桩、刘新荣与欧朋喜的h型抗滑桩[1-3]。这些不同类型的桩从不同受力角度阐述了相对于单桩的优点。

目前，模型试验作为研究岩土体与抗滑桩相互作用的主要手段，许多学者利用模型试验进行了一定的研究，均取得了重要的研究成果。由于岩土体参数的不确定性，试验条件的局限性以及其他因素，使得许多试验虽然提供了一些有用的研究成果[4-8]，但没有很好地应用于现场工程。

本文利用砝码加载法对普通悬臂桩、自锁型悬臂桩的水平受荷模型进行逐级加载(见图1)，并最终使桩前土体发生失稳破坏。通过对试验过程中桩身的位移、应变及桩前土压力进行监测，得到两类桩桩前土的破坏过程、桩的变形及应变，以及桩前土压力的分布及变化规律，比较两类桩的承载能力，为抗滑桩的设计理论方法提供试验基础，从而改善冲洪积层不易机械施工而采用人工挖孔桩的状况，服务于工程实际。

1 自锁型悬臂桩水平承载力试验

1.1 试验准备

模型试验在3.0 m×0.62 m×0.7 m(长×宽×高)的模型箱内进行，模型由角钢和塑料板制作而成。用细砂∶粉石砂=3∶1搅拌均匀来模拟冲洪积层，标重10 kg的砝码逐级加载，通过滑轮由竖向力转变为水平力，中间连接量力计可标定力的实际大小，减小误差。

本次实验共埋设2根模型桩(单桩、自锁型桩)，桩体采用合金钢，横截面尺寸为20 mm×80 mm，桩长为1.2 m，其中悬臂段0.6 m，嵌固段0.6 m，具体试验模型见图2，图3。

1.2 测试设备

为了获得桩体与周围土体相互作用压力的变化和桩体内力的变化，在模型桩桩前布设一定数量的土压力盒，选用丹阳市龙宇土木工程仪器厂的电阻式微型土压力盒。桩后与土压力盒对应的位置布设应变片，由江苏泰斯特电子设备制造有限公司的TST3830动静态应变测试分析系统采集数据，桩顶和桩间利用便携式位移计收集数据。

1.3 试验方法

首先对已贴好应变片的模型桩进行三点弯曲试验，通过应力—应变曲线及M=Wz×E×ε得到模型桩的弹性模量E=210 GPa。

试验采用砝码加载，荷载为水平集中荷载。试验通过人工加载，设计分为100 N，200 N,300 N,400 N,500 N,600 N共6级荷载，数据采集间隔为30 s，在每级荷载维荷1 h后，再施加下一级荷载。如果在加载过程中，桩体被拔出或桩顶位移大于25 mm就认为发生破坏，则停止加载，试验结束。

2 试验结果分析

2.1 试验现象

从观察记录看，当加载量为200 N时，单桩桩身与桩后土体有明显的分离现象(约2 mm)；加载量为300 N时，自锁桩才有此现象。

桩前土的开裂现象，单桩桩前土的开裂裂缝在与桩边缘约成45°的扇形区域内，自锁桩桩前土的开裂裂缝在与桩边缘约成75°的扇形区域内，可见，自锁桩能更多的调动桩前土来承受更大的水平荷载，同等级的水平荷载自锁桩的桩前土开裂裂缝小于单桩的。

桩身变形情况，同等级水平受荷时，单桩自由段弯曲程度明显大于自锁桩。由桩顶位移和压脚处位移曲线可知，加载量为600 N时，单桩桩顶位移大于20 mm，桩前土基本破坏，并且随着加载级数的增加，单桩位移的增速大于自锁桩。

2.2 试验结果分析

2.2.1 位移分析

试验中布设了4个位移计(见图2，图3)，分别来监测桩顶的水平位移和自由段与嵌固段交界面处的位移。单桩和自锁桩的4个位移计随时间变化情况见图4，图5。

根据桩顶及压脚处的位移曲线可知，在试验前期加载量为0 N～300 N时，桩顶位移变化较小，最大位移约8 mm；而在试验后期，加载量为400 N～600 N时，位移的变化量增加较大，平均增加量为2 mm，且单桩位移增速大于自锁桩。

压脚处位移变化速率和增速都小于桩顶位移，且单桩位移明显小于自锁桩位移，可见，自锁桩有更好的水平承载力。

2.2.2 土压力分析

试验中，对土压力盒测得的频率值，换算得到土压力值，图6,图7分别为单桩、自锁桩桩前土压力变化曲线。

由图6，图7可知，两类桩都有如下规律：桩的1/3，1/2嵌固段处土压力较大，是承受水平荷载的主要位置，且1/2嵌固段处土压力总体大于1/3嵌固段处；嵌固段底端基本不受力；桩身各部分承受土体压力的都随着加载量的增加而增加。

不同之处在于同级数的荷载下自锁桩的承受力均大于单桩相同部位，且随着加载量的增加，自锁桩的受力中心相对于单桩有较大上移，更集中于1/3嵌固段处。

所以，提高桩身嵌固段1/3处～1/2处的刚度和强度很有必要；自锁桩的承载性能明显优于单桩；由于自锁桩的受力中心上移，可以考虑缩短自锁桩的嵌固段长度，从而不仅可以节省材料,还可以达到理想的工程使用性能。

2.2.3 桩身应变分析

在试验过程中，对采集到的桩后背上布设的应变片的应变值进行转换，得到应变测试曲线见图8，图9。

在加载过程中，单桩的最大微应变为820，而自锁桩的最大微应变为550，且同等级荷载下自锁桩桩身应变均大于单桩。

在各级荷载变化处，单桩的应变曲线斜率大于自锁桩，这就说明单桩会随着加载量的增加，其抵抗桩前土压力的韧性不如自锁桩好，在工程实践中可能发生桩的突然破坏。

两种桩的桩身应变曲线变化也刚好吻合于桩前土压力曲线变化，可以更好的佐证自锁桩水平承载性能优于单桩。

3 破坏模式分析

在桩前土的表面用筛子撒上一层极薄的石膏粉，便于观察桩前土的破坏形式以及裂缝开展情况，如图10，图11所示。

单桩桩前土表面破坏时先由较多裂隙产生，随着加载量的增加，裂隙发育，最后表现出许多小裂隙伴随着几条较大的裂缝；最边缘的裂缝与桩的边缘约成45°夹角。

而自锁桩由于压脚的存在，开始时并没有太多小裂隙，随着加载量的增加，在压脚的前边缘和后边缘各有1条明显的裂缝与桩边缘约成75°夹角，且自锁桩的裂缝延伸长度稍大于单桩，桩后土与桩身之间的分离距离刚好吻合于位移计测到的数据。可见，自锁桩承受水平荷载时其能调动更大范围的桩前土共同参与受力，因此自锁桩较单桩的水平承载性能有明显优势。

4 结语

1)由单桩、自锁桩的应变曲线和桩前土压力曲线可知：悬臂桩的水平承载受力主要部位集中在1/3嵌固段处。

2)自锁桩在承受水平荷载时，相比于单桩能更多的调动桩前土来参与共同作用，承受更大的水平荷载。

3)自锁桩桩身受力中心随着荷载的增加会发生上移，嵌固段末端基本不参与受力，可以截去，进而节省施工材料。

4)从桩身变形、桩前土压力分布、压脚处位移和桩顶位移三个方面综合分析得到：冲洪积层中的自锁桩水平承载性能优于单独悬臂桩。

[1] 李凯玲，门玉明.锚杆抗滑桩与岩土体相互作用研究[J].水文地质工程学报，2006，33(1)：20-22.

[2] 肖世国.边(滑)坡治理中h型组合抗滑桩的分析方法及工程应用[J].岩土力学，2010，31(7)：2146-2151.

[3] 周翠英，刘祚秋，尚 伟，等.门架式双排抗滑桩设计计算新模式[J].岩土力学，2005，26(3)：441-449.

[4] 闫金凯，殷跃平，门玉明.微型桩单桩加固滑坡体的模型试验研究[J].工程地质学报，2009，17(5)：669-674.

[5] 李寻昌，门玉明，何光宇.锚杆抗滑桩桩侧地层抗力分布模式的试验研究[J].岩土力学，2009，30(9)：2655-2659.

[6] 李寻昌，门玉明，王娟娟.锚杆抗滑桩体系的群桩、群锚效应研究现状分析[J].公路交通科技，2005，22(9)：52-55.

[7] Li Xunchang，Men Yuming. Anchoring depth research of anti-slide piles of anchor bar in soil[J]. Earth Science Frontiers，2009(16)：182.

[8] 门玉明，邓军涛，李金湘.锚索抗滑桩设计中几个问题的探讨[J].公路交通科技，2005，22(6)：52-54.

Bearing performance research of self-locking type cantilever pile

Zhang Xiaokai Zhu Yulin

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454000,China)

The paper carries out indoor model test of single cantilever pile and self-locking cantilever pile,and tests pile displacement,stress and pile soil pressure. Through comparing experimental results,it achieves changing law of two kinds of pile soil damage process,pile deformation and pile soil pressure,and points out that:self-locking cantilever pile has better bearing performance than that of single cantilever pile.

self-locking cantilever pile,single cantilever pile,model test,bearing capacity

2015-10-12

张小凯(1990- )，男，在读硕士；朱玉霖(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)36-0049-03

TU473.11 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A