扩大支盘加筋水泥土桩抗拔承载性能模型试验研究

任冬生，顾欢达,李艳婷，方咸美

(1.上海市隧道工程轨道交通设计研究院地下结构分院，上海200235；

2.江苏省结构工程重点实验室(苏州科技学院)，江苏 苏州 215011；3.苏州科技学院土木工程系，江苏苏州215011；

4.江苏师范大学审计处，江苏徐州221116；5.江苏建院营造有限公司岩土院，江苏苏州215011)



扩大支盘加筋水泥土桩抗拔承载性能模型试验研究

任冬生1,2，顾欢达3,李艳婷4，方咸美5

(1.上海市隧道工程轨道交通设计研究院地下结构分院，上海200235；

2.江苏省结构工程重点实验室(苏州科技学院)，江苏 苏州 215011；3.苏州科技学院土木工程系，江苏苏州215011；

4.江苏师范大学审计处，江苏徐州221116；5.江苏建院营造有限公司岩土院，江苏苏州215011)

摘要：通过室内模型试验，研究扩大支盘加筋水泥土桩的抗拔承载性能。建立桩在上拔作用下的力学分析模型。采用上述模型对上拔力作用下结构的受力性能进行了参数分析，对支盘所处桩身位置、桩身支盘数量、桩身材料对桩的抗拔承载性能的影响进行了分析，研究各因素对支盘桩的承载力发挥效果的影响，分析各因素对桩的桩顶位移和内力的影响规律。

关键词：扩大支盘加筋水泥土桩；抗拔承载性能；模型试验

ModelTestonUpliftBearingCapacityofExpandedBranchandReinforcedCement-soilPile

RENDongsheng1,2，GUHuanda3，LI Yanting4，FANG Xianmei5

扩大支盘加筋水泥土桩是近年来工程应用中研发出的一种新桩型。相比于20世纪90年代从日本引进的SMW工法桩和国内应用相对较为成熟的DX挤扩灌注桩，扩大支盘加筋水泥土桩结合了前两者施工方便和承载力高的优点，迅速发展并应用到包括北京、上海、天津等地的多项工程中。

支盘桩具有较高的承载力，沉降量低，能取得良好的经济效益和社会效益，但依然存在许多问题。

支盘桩作为一种新技术，在抗拔模式和计算理论研究上尚不够成熟。对其抗拔特性、破坏特性、荷载传递性状及受力特征沉降特性等尚不能够完全确定[1-2]。这些问题都需要深入剖析方能得出对工程研究有用的数据。本文正是对扩大支盘加筋水泥土桩的抗拔机理进行试验研究分析，这对全面、系统地掌握扩大支盘加筋水泥土桩的抗拔性能和设计理论有着重要意义。

1桩的构造和抗拔模式

1.1　桩的构造

如图1所示，扩大支盘加筋水泥土桩主要由主桩体和若干支盘组成，通过钢绞线和锚盘传力。工程设计需根据土层地质条件、抗浮强度设计要求以及施工工艺等综合因素依次考虑钢绞线强度、桩身直径的大小，以及支盘的位置和数量等。

图1　桩的构造

1.2　桩的抗拔承载模式

图2　桩的抗拔承载模式

工程实践和理论研究分析得出，扩大支盘加筋水泥土桩在上拔荷载作用下的抗拔承载力主要由支盘端阻力、桩侧摩阻力、倒圆台土体的有效自重和桩身自重构成，如图2所示。其中，土体的物理力学性质和桩土间的挤压变形都将使桩周土体产生不同的剪切面，影响倒圆土台有效自重的大小，且随着桩土间位移的变化而变化。

2模型试验研究简介

2.1　研究方法

利用室内模型试验研究桩的承载力发挥特点和桩土体系荷载传递规律。桩基础的主要功能是将上部结构的荷载向地基传递，荷载传递的同时出现在桩侧表面和支盘端，并且涉及离开桩身相当距离范围内的土体。因此，通过室内试验得到的数据，确定模型桩的抗拔力，用适当的函数关系，绘制荷载-上拔位移理想化曲线，推理得到破坏荷载，并借关系曲线寻求桩的承载受力机理[3-4]。

2.2　试验设计

参照标准SL237—1999 《土工试验规程》和GB/T50123—1999 《土工试验方法标准》进行试件设计，具体参数变化情况见表1。试验参数主要考虑：

1)桩身材料、水泥土掺入量对桩身强度和弹性变形的影响，水泥土掺入比分为8%和16%。

2)支盘位置的不同对桩承载力的影响，对支盘分别处于上部、中部、下部3种单支盘桩做对比试验。

3)支盘数量对桩承载力发挥的影响，对等截面桩、单支盘桩、二支盘桩、三支盘桩4种情况做对比试验。试验中的桩体模型如图3所示。

表1　试件主要设计参数

注：试件中桩身直径为35mm，扩大支盘直径为50mm，高度为20mm。

图3　桩体模型图(单位：mm)

2.3　试验材料

1)水泥土。模型桩使用水泥土制作[5]，土体取自苏州地区的粉土，物理力学参数均同桩周土层用土。

本次试验使用水泥掺入比为8%和16%的2种水泥土制作模型，用搅拌机搅拌均匀后，在水泥的初凝时间内完成小立柱的制作。本试验中所用的水泥掺入比aw的含义如下所示：

(1)

式中：mc为水泥的质量，g；md为土样烘干质量，g。

桩身材料物理参数如表2所示。

表2　桩身材料参数

2)钢筋。支盘桩的预应力钢筋主要是为了在施工时使桩身水泥土材料一直处于受压状态而设置的，其直径为4mm，作为传力装置。

3)桩周土层。桩体周围土层是通过人工填土再击实的方式模拟完成，原状土取苏州地区具有代表性的粉土，试验用土为重复利用的扰动土。桩体周围模拟土层的各项物理参数如表3所示。

表3　桩体周围模拟土层参数

2.4　加载装置设计及制作

本次试验是在自制的加载装置上进行的，试验的加载装置示意图如图4，为了尽量还原实际的竖向荷载，在调整装置时，用吊锤作为标尺，保持上拔力在竖直直线上。试件的下端用螺栓固定，在桩身下端用钢片作为垫片，模拟均布荷载。试验过程中通过上拉钢筋让力传到桩底来模拟上拔荷载[6]。本试验采用静载荷，由定滑轮右端加载定值砝码，通过钢丝绳来传递施加力的作用。室内试验加载装置如图5所示。

图4　加载装置示意图(单位：mm)

图5　室内加载试验图

3试验结果分析

桩的抗拔试验成果中通常取相应的桩顶残余变形量为0.025d(d为桩径)时的荷载作为极限抗拔承载力，再将极限承载力除以安全系数(1.5~2.0)来确定设计承载力，即允许承载力。本次试验中桩顶累计上拔位移超过5 mm时视为加载系统被破坏。

本次试验结果发现桩的破坏形式主要为桩-土间的滑移破坏，2种桩身材料参数对桩的破坏影响不大，故不再分析。

3.1　荷载-位移关系及影响因素分析

桩的抗拔载荷试验结果通常表明，位移-荷载曲线基本由3段组成：第1段为直线段，位移-荷载曲线呈比例关系线性增加；第2段为曲线段，随着桩土间相对位移的增大，桩侧摩阻力逐步发挥，同时在土层浅表处出现桩周土层松动，该过程中上拔位移量增加的速率会越来越快；第3段呈直线状，此时桩的上拔位移量急速上升，即使上拔荷载增加很少，桩的承载力也达到极限状态，同时浅表处桩周土体往往出现发散桩裂缝和环向裂缝。第3段起点所对应的荷载可视为桩的极限抗拔承载力[7]。荷载-位移关系曲线如图6所示。

从图6(a)可知，A12桩的位移发展曲线为缓慢增长类型，在达到极限承载力的过程中并无明显的陡升段，说明支盘的抵抗阻力发挥和桩侧摩阻力发挥。荷载作用360 N之前，桩的位移-荷载曲线处于近似直线段，说明支盘桩有足够的承载力，荷载加至513 N和666 N时，桩土间位移仍然增长缓慢，没有出现急速破坏的情况。A11桩和A13桩分别在荷载达到360 N和513 N时出现明显的曲线陡升段，桩土间位移变形量急速增加，即出现失稳的状态。

(a)考虑支盘位置因素

(b)考虑支盘数量因素图6　荷载-位移关系曲线图

图6(b)中荷载-位移曲线可分为3段:位移变形极微小阶段,如4条曲线207 N的前段;变形较小阶段，如下支盘桩A11的360 N加载级段;位移快速增长曲线段，如各个桩加载后期阶段。若以荷载-位移曲线快速增长的起点作为破坏荷载点，则可以看出三支盘桩的极限承载力高于二支盘桩，下支盘桩的极限承载力高于等截面桩。

3.2　桩身内力及影响因素分析

桩身轴力是由应变计测得的数据转化得出，由于应变片的尺寸问题，支盘部分无法安放应变片，无法得知桩支盘的内力大小。此外，由于桩身材料失水等因素导致桩身弹性模量的改变，由此计算出桩身轴力与真实值有一定差距。从曲线的发展趋势来看，轴力在传递的过程中呈现明显的“台阶”现象，间接推理得知支盘的承力作用是比较明显的[8]。内力分布曲线如图7所示。

首先，考虑支盘的位置对桩身内力分布的影响。如图7(b)所示，力在荷载作用面(桩底)处最大，沿桩身自下而上轴力逐渐减小，这主要是由于桩身侧摩阻力和支盘端的阻力作用。桩身轴力在支盘位置处上下发生突变，轴力差为支盘端阻力，支盘桩具有直桩所没有的端承作用，从而提高了支盘桩的抗拔承载力。从图中还可以看出，支盘桩的下端，轴力变化比较大，桩顶附近的桩身轴力变化相对较小，这主要由于近桩顶端的浅地层桩侧摩阻力较小。

图7　内力分布曲线图

从图7(c)、7(d)中可以看出，中支盘桩的内力经过支盘位置后，传递至上部桩身内力较小，上支盘桩的桩身轴力经过支盘位置后并没有出现明显的内力突变，桩顶附近的桩侧摩阻力微小，加载的中后期由于桩土之间的挤压相互作用在浅表土层形成破坏剪切面，减小了桩身侧摩阻力的发展。

其次，考虑支盘数量对桩身内力分布的影响。多支盘桩在轴力的传递过程中，支盘处上下轴力发生突变，相邻两支盘间的桩身轴力变化并不大，从多支盘桩的抗拔模式来看，当荷载增加达到一定值后，支盘与土层的相互挤压作用形成多个剪切破坏面，支盘之间的桩体侧摩阻力作用发挥被削弱。如图7(e)2个支盘之间的2个测点内力变化相对均较小，图7(f)中三支盘桩上部支盘和中部支盘之间的2个测点和中部支盘与下部支盘之间的2个测点均是相同的情况。

图7(a)是等截面桩的轴力分布图，可以看出在系统加载初期，荷载较小的情况下，桩身上部的轴力比较小，轴力变化主要在桩身的下部。加载的后期接近桩的破坏荷载时，轴力沿桩身自下而上线性变小，这是与等截面桩的抗拔模式密切相关的。等截面桩底抗拉拔荷载主要依靠桩侧摩阻力，而桩侧摩阻力的发挥具有时间效应，在较小荷载的情况下，下部桩侧摩阻力能够抵抗拉拔荷载时，上部桩身几乎没有受力，当达到破坏荷载时，桩土间相对变形较大，桩侧摩阻力才完全发挥。

4结语

本文得出的主要结论如下：

1)扩大支盘加筋水泥土桩的单桩抗拔极限承载力主要依靠支盘端的抵抗阻力和桩侧摩阻力，可将扩大支盘加筋水泥土桩定性为多端摩擦型端承桩。

2)扩大支盘加筋水泥土桩的极限抗拔承载力要明显高于等截面直桩，并能提供较小的上拔位移，更能满足稳定性要求。

3)在承受上拔荷载时，支盘的承载作用较为显著，是扩大支盘加筋水泥土桩抗拔承载的关键。

4)本次试验在相对软弱土层粉土土层中进行，破坏极限状态为地基土的强度破坏。单支盘桩中支盘处于中部位置时能有效发挥支盘端阻力和桩侧摩阻力。多支盘桩中三支盘桩能更好地发挥抗拔承载力。

[参考文献]

[1]高笑娟.挤扩支盘桩承载性状试验和数值模拟分析[D].浙江：浙江大学，2007.

[2]高笑娟，朱向荣.支盘桩理论研究及工程应用[M].北京：科学出版社，2010：130-202.

[3]钱德玲.挤扩支盘桩的荷载传递规律及FEM模拟研究[J].岩土工程学报，2002，24(3)：371-375.

[4]Qian Deling.Study of compression and extraction resistance behavior of squeezed supporting disk piles[J].Rock and Soil Mechanics，2003，24(3)：517-520.

[5]方咸美.基于扩大支盘加筋水泥土桩的改性水泥土的力学性质试验研究[D].苏州：苏州科技学院，2013.

[6]卢成原，孟凡丽.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)：3547-355l.

[7]李艳婷.多支盘加筋水泥土桩作为抗拔桩的数值模拟[D].苏州：苏州科技学院，2013.

[8]Ireland H.Pulling tests on piles in sand[C]//Proceeding of Fourth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Dublin:Butterworth Scientific Publications，1957:43-45.

责任编辑：唐海燕

(1.UndergroundStructuresDepartmentofShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200235；

2.KeyLaboratoryofStructureEngineeringinJiangsuProvince,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011；

3.DepartmentofCivilEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011；

4.AuditDepartmentofJiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116；

5.GeotechnicalDepartmentofJiangsuJianyuanConstructionCo.,Ltd.,Suzhou215011)

Abstract：Through indoor model tests,this paper focused on the bearing performance of the expanded branch and reinforced cement-soil pile.The paper established a mechanical analyzing model under uplifting load,through which parameters analysis of the structure′s bearing performance was made.Uplift bearing performance affected by different locations,the number and the material of the branch was further analyzed.Factors of the branch piles′ bearing capacity,pile top displacement and internal force were also explored.

Key words：expanded branch and reinforced cement-soil pile;uplift bearing capacity;model test

文章编号：1671-0436(2015)04-0006-05

中图分类号：TU473.1

文献标志码：A

作者简介：任冬生(1989—)，男，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-04-07