荷载作用下砼扩盘桩桩周土体破坏分析
2016-09-14闫建军
闫建军
（新疆筑路机械厂公路工程处，新疆乌鲁木齐 830021）
荷载作用下砼扩盘桩桩周土体破坏分析
闫建军
（新疆筑路机械厂公路工程处，新疆乌鲁木齐 830021）
运用小比例半截面桩试件模型，对砼扩盘桩在竖向压力和拉力作用下的桩土共同工作机理、桩周及盘上、下土体的破坏状态等进行试验研究，定性分析了砼扩盘桩的位移及盘间距对土体破坏状态的影响，进而确定了桩周土体的破坏模式。
桥梁；砼扩盘桩；破坏模式；抗压；抗拔
砼扩盘桩具有承载力高、操作简单方便、材料用量少、沉降量低、更加经济、节能和环保、应用领域广泛等多方面特点，以其巨大商业价值受到越来越广泛的关注。目前，砼扩盘桩已应用到工程项目中，但由于对其作用机理的研究成果还较少，尚未形成完整的研究体系，也没有得到广泛的推广应用，还需要加大对其技术理论的试验研究，深入了解其作用机理。为此，该文对砼扩盘桩展开试验研究，分析荷载作用下砼扩盘桩桩周土体的变化。
1 试验方案
采用小比例半截面桩试件模型，改变扩盘桩盘径与盘间距等参数研究桩周土体的变化情况。通过压力、拉力加载装置与小比例试验桩土体模型完成试验桩的加载过程。通过试验，观察从加荷到破坏整个过程中桩周土体的变化，收集位移和应变数据，描绘土体破坏的性状，拍下土体破坏的过程和最终结果，并对测试结果进行综合分析。
1.1取材及试件模型制作
以从工程现场取回的黏土作为试验材料。经过试验，得到黏土的技术指标：含水率为6.8%；液限为21.6%；塑限为9.1%；密度为1.98N/mm3；压缩模量为3.1×10-2N/mm2。
以铁质的单双盘桩作为试验桩。因为在竖向压力与拉力作用下试验桩桩周土体所发生的形态变化不一样，为了能更加具体地分析桩周土体的形态变化，取12个试件分成4组进行试验，分别为盘径与盘间距不一样的单双盘抗压、抗拔桩（见图1）。试验桩的技术参数见表1～4。
1.2抗压试验设备及方法
小比例半截面试件模型的试验设备包括测试加载传感器，3t千斤顶，用来装土与埋置试件的2cm厚玻璃缸（70cm×40cm×30cm），采集应变、位移数据的应变仪与位移数显仪，数码相机，计算机和位移计等。试验步骤如下：
（1）半截面小试件竖直紧贴玻璃缸内表面固定，顶端比玻璃缸高出30cm，以便清楚地观察到桩的位移与土体的性状变化。
（2）将试验土磨成粉状并压实，埋置好试验桩后，将其安放在加载装置上。
图1 试验桩试件
表1 抗压单盘桩的技术参数 mm
表2 抗压双盘桩的技术参数 mm
表3 抗拔单盘桩的技术参数 mm
表4 抗拔双盘桩的技术参数 mm
（3）将传感器、位移计、数显仪、应变仪等设备连接到安装好的加载装置上。
（4）进行试验，逐级加载，加载过程中记录位移、应变数据并描绘土体的破坏性状。
1.3抗拔试验设备及方法
抗拔试验设备包括应变测试仪、3t千斤顶、用于制备土体模型的厚2cm的玻璃缸（70cm×40 cm×30cm）、位移计、数码相机和计算机。试验步骤如下：
（1）半截面小试件竖直紧贴玻璃缸内表面固定，顶端比玻璃缸高出30cm，以便于清楚地观察到桩的位移与土体的性状变化，方便加载设备与试件的连接。
（2）将试验土磨成粉末状并压实，埋置好试验桩，形成试验模型。
（3）将传感器、位移计、应变仪等试验设备连接到安装好的加载装置上。
（4）进行试验，逐级加载，加载过程中记录位移、应变数据并描绘土体的破坏性状。
2 试验结果与分析
2.1抗压单盘桩试验结果分析
图2为抗压单盘桩在压力加载作用下的位移-荷载曲线。
图2 抗压单盘桩在压力加载作用下的位移-荷载曲线
由图2可看出：1）不同盘径所产生的位移荷载比不一样，随着盘径的增大，位移荷载比越来越小；盘径越小，曲线走势越强，盘径适当时，曲线的走势较平缓。2）刚开始加载时压力较小，位移荷载比较小；随着荷载的增大，位移荷载比也增大，在荷载增加到一定程度时，会直接导致土体破坏。
单盘桩抗压模型桩周土体的破坏状态随盘径的变化见图3。
图3 抗压单盘桩桩周土体的破坏状态
由图3可看出：受力盘的盘径不同，桩周土体的破坏状态不一样。1）随着加载压力的增大，桩发生的竖向位移也增大，桩受力盘上部土体由刚加载时出现的与盘稍微分离发展到分离范围加大，直到土体破坏。2）盘下土体随着压力的增大而受到压缩变形，压缩到一定程度时，土体往盘边沿挤出，直到土体破坏。3）加载压力相同的情况下，随着盘径的增加，盘上与盘下土体发生的变化都减小。
2.2抗压双盘桩试验结果分析
图4为抗压双盘桩在压力加载作用下的位移-荷载曲线。
图4 抗压双盘桩在压力加载作用下的位移-荷载曲线
由图4可看出：1）不同盘径的位移荷载比不一样，随着盘径的增大，位移荷载比越来越小；盘径越小，曲线走势越强，盘径适当时，曲线走势较平缓。2）刚开始加载时压力较小，位移荷载比较小；随着荷载的增大，位移荷载比也增大，在荷载增加到一定程度时，会直接导致土体破坏。
双盘桩抗压模型桩周土体的破坏状态随盘径的变化见图5。
图5 抗压双盘桩桩周土体的破坏状态
由图5可以看出：盘上土体的破坏趋势大致一样，但因为盘的直径不同，各桩的破坏状态不尽相同。1）随着加载压力的增大，桩发生的竖向位移增大，桩受力盘上表面的土体由刚加载时出现的较小位移发展到桩土分离范围加大，直至土体破坏。在桩土分离的一定范围内，跟桩的位移成正比关系。2）盘下土体随着荷载的增大而受到压缩变形，压缩到一定程度时，土体往盘边沿滑移，造成土体破坏。3）盘径较小的桩，盘间土体因荷载作用而受到的影响不大；随着盘径的增大，盘间土体受到明显影响，盘上表面的桩土分离、盘下部土体压缩滑移都有较大变化。
2.3抗拔单盘桩试验结果分析
图6为抗拔单盘桩在拉力加载作用下的位移-荷载曲线。
图6 抗拔单盘桩在拉力加载作用下的位移-荷载曲线
由图6可看出：1）不同盘径的位移荷载比不一样，随着盘径的增大，位移荷载比越来越小；盘径越小，曲线走势越强，盘径适当时，曲线走势较平缓。2）刚开始加载时拉力较小，位移荷载比较小；随着荷载的增大，位移荷载比也增大，荷载增加到一定程度时，会直接导致土体破坏。
单盘桩抗拔模型桩周土体的破坏状态随盘径的变化见图7。
图7 抗拔单盘桩桩周土体的破坏状态
由图7可看出：1）随着加载拉力的增大，桩发生的竖向位移也增大，桩受力盘下表面及盘端的土体由刚加载时出现的较小位移发展到桩土分离范围加大，直至土体破坏。在桩土分离一定范围内，跟桩的位移成正比关系。2）所有桩周土体的破坏形式相差很小，盘上表面的土随着拉力的增大而往桩端滑移，直到土体破坏。3）在加载拉力相同的情况下，随着盘径的增加，盘上与盘下土体发生的变化都在减小，盘上水平压力增大范围也变小。
2.4抗拔双盘桩试验结果分析
图8为抗拔双盘桩在拉力加载作用下的位移-荷载曲线。
图8 抗拔双盘桩在拉力加载作用下的位移-荷载曲线
由图8可看出：1）刚开始加载时拉力较小，位移荷载比较小；到随着荷载的加大，位移荷载比也增大，在荷载增加到一定程度时，会直接导致土体破坏。2）当荷载拉力较小时，不同盘间距对应的位移荷载比大小相差不大；随着荷载的增大，不同盘间距的位移荷载比差异也增大。
双盘桩抗拔模型桩周土体的破坏状态随盘径的变化见图9。
图9 抗拔双盘桩桩周土体的破坏状态
由图9可看出：由于桩盘直径不同，各桩的破坏状态也不尽相同。1）跟抗拔单盘试验桩差不多，随着加载拉力的增大，桩发生的竖向位移也增大，桩受力盘下表面及盘端的土体由刚加载时出现的较小位移发展到桩土分离范围加大。2）盘上表面土随着拉力增大而往桩端滑移，直到土体破坏。但因为盘间距不一样，盘间土体所受到的破坏也不同。3）盘间土体所受影响大小跟盘间距成反比，上、下盘下部土体几乎同时出现裂缝，表明上盘和下盘是同时受到荷载拉应力作用的；当达到一定荷载极限时，上、下盘均会遭到破坏。
3 结论
（1）在竖向压力作用下，盘径相同的单双盘桩随着加载压力增大而产生的竖向位移也增大，直至土体破坏。当桩上加载的荷载一样时，单盘桩盘径越大，盘上、下土体所发生的分离与滑移变化越小；双盘桩盘径越大，上、下盘间所发生的土体变化越明显。盘径较小的桩，盘间土体受荷载作用的影响不大，随着盘径的增大，盘间土体也受到明显影响。
（2）在竖向拉力作用下，单双盘桩随着加载拉力增大而产生的竖向位移也增大，直至土体破坏。在加载拉力相同的情况下，随着盘径的增加，单盘桩盘上与盘下土体发生的变化都减小。双盘桩盘间土体所受影响大小与盘间距成反比，且上、下盘下部土体都因为竖向拉力作用产生桩盘分离现象。
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U455.7
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1671-2668（2016）04-0243-04
2016-03-05
