混凝土扩盘桩盘截面形式对桩周土破坏影响的试验研究*

钱永梅 孙占珩 金玉杰 程庆宇

(吉林建筑大学，长春 130118)

1 概述

混凝土扩盘桩是一种新型变截面桩，可在直孔灌注桩桩身的合适位置增加扩大盘来提高承载力，减少混凝土用量，并能够有效地缩短桩长，降低工程成本［1］。同时，混凝土扩盘桩有较强的抗压、抗拔、抗倾覆能力，因此具有较高的实用价值，得到了广泛的认可。在前期研究中所涉及的参数主要包括：主桩直径、扩大盘间距、扩大盘位置、扩大盘高度和数量、盘坡角等［2］。研究中发现，由于在实际的成桩过程中，施工机具中由绝大部分机具形成的扩大盘的盘上表面都是曲线形，且盘上、下表面不对称，同时扩大盘的盘端是圆弧形，并不是理论研究中假设的盘上、下表面均为直线，盘端是尖角形，如图1所示。

图1 桩盘的不同截面形式Fig.1 Cross-section of the pile tray

关于这种施工工艺带来的截面形式的局部变化是否会对混凝土扩盘桩抗压破坏状态产生影响，需要进一步的研究探讨［3］。本文研究主要通过室内原状土小比例半面桩试验，针对盘上表面和盘端的变化，根据实际成盘效果和理论假设等情况进行归类［4］，设定4种不同盘截面形式，通过对破坏状态的对比，观察桩周土体破坏状态以及荷载-位移曲线的变化规律。

2 试验制作、设备及加载过程

2.1 制作半截面试验桩

本试验研究假定土体先于桩发生破坏，忽略桩试件材质对试验结果的影响［3］，故试件材料选用Q235钢加工制作，按照1∶40的比例制作，桩尺寸见表1，桩实物如图2所示，1号为扩大盘上下表面对称、盘端尖角形的试验桩，2号为扩大盘上下表面对称、盘端为圆弧形的试验桩，3号为扩大盘非对称上表面为直线形、盘端为尖角形的试验桩，4号为扩大盘非对称上表面为曲线形、盘端为圆弧形的试验桩。

表1 试验桩的尺寸Table 1 Sizes of test piles mm

图2 试验桩Fig.2 Test piles

图3 试验加载台Fig.3 Test loading station

2.2 试验设备及仪器

本试验所需的加载平台采用的是独自原创的小试件加载平台［5］，如图3所示。附属设备仪器包括2 t的拉拔仪，型号为 YHD-100的位移传感器2个，数码相机、螺栓夹、桩帽和垫片等。

2.3 桩土模型的制作

本文选择工地现场的粉质黏土作为试验用土，通过自制的可拆装取土器在现场取原状土，取土过程分为取土场地清理开挖、取土器安放、取土器压入、取土器提取、清理、封装、运输［2，6］等过程。

取土器运回实验室后，去除包封，卸下用于做试验一面的钢板，将土表面整平，通过桩定位、挖槽、成盘、压桩、安装玻璃等步骤，制成桩土模型试件［7］，如图4所示。

图4 桩土模型试件制作过程Fig.4 Manufacturing process of model pile-soil specimen

将制备好的桩土模型试件放置加载平台上进行加载试验，记录采集模型桩位移、模型桩施加的竖向力、模型桩桩周土体破坏的照片［7］。

3 试验结果分析

3.1 桩周土破坏桩土分析

试验中记录加载过程中桩周土的破坏情况。以4号桩为例，加载步骤为23步，选取其中有代表性的状态，如图5所示。

由图5可以清晰看出：在初级加载阶段，在承力盘上端发生桩土分离现象，盘上土体受拉沿承力盘盘端两侧产生水平裂缝，随着荷载的增加，土体向下滑移，土体被挤密同时土中的水也被挤出在玻璃表面形成水印，通过观察水印能够直观地表示出盘下土体的受压影响区域;随着加载的不断增大，桩的位移量不断增大，承力盘下土体影响范围逐渐增大，同时呈现出收敛的趋势并沿盘下45°切线方向呈椭圆形闭合趋势，这是由于盘下土体发生滑移线破坏的曲线，而桩端土体被挤密的范围呈圆形分布。

下面对比不同盘形的试验桩桩周土的破坏形式，如图6所示。

图6 各模型桩桩土破坏情况对比Fig.6 The failure modes of the soil around the piles

图7 模型桩位移-荷载曲线对比Fig.7 Displacement-load curves of model piles

从图6可以看出：4个试验桩达到破坏时的桩周土体破坏形式基本相似，承力盘下土体均发生了滑移破坏。分别对比1号桩和2号桩以及3号和4号桩，1号桩的水印面积较2号桩略大，3号桩水印范围比4号桩略大，但都是4～5倍悬挑径。除去盘径的影响因素，得出圆弧盘端和尖角盘端以及上盘的形状对模型桩的抗压承载力没有大的影响。

对比1号和3号桩、2号和4号桩发现：1号桩和3号桩盘下土体被挤密的区域及水印区域基本相同，2号和4号桩盘下被挤密的土体范围大致相同，说明盘形上下是否对称对试验桩抗压承载力基本没有影响。

3.2 位移-荷载原始数据的处理和分析

由4根模型桩的试验数据形成的位移-荷载曲线，如图7所示。

从图7能够看出：1号桩和3号桩的曲线基本重合，2号桩曲线在4号桩曲线的性状也基本一致，能够说明混凝土扩盘桩承力盘上、下是否对称对于其抗压破坏状态基本没有影响;对比1号和2号、3号和4号发现：盘端是尖角的比盘端是圆弧形的极限荷载稍高，主要原因是设计4根桩时，为保证盘坡角一致导致盘端是圆弧形的2号和4号桩有效盘径小于盘端是尖角形的1号和3号桩。因此，盘端的形状对于混凝土扩盘桩抗压承载力的影响很小，通过对比计算公式得到极限承载力，在盘坡角和土体性状一定的情况下，盘端是圆弧形的比盘端是尖角的抗压承载力低80% ～90%，这完全是因为悬挑径不一样引起的。

4 结束语

1)承力盘上下对称的混凝土扩盘桩和承力盘上下不对称的混凝土扩盘桩，其抗压承载力基本相同。扩大盘上表面是直线的盘形和扩大盘上表面是曲线的盘形，其抗压承载力也基本相同。

2)在盘坡角一定的情况下，桩周土体的破坏形式是基本相同的，但由于盘端是尖角的比盘端是圆弧形的承力盘有效盘径稍大，因此桩的抗压承载力稍高。设计中要考虑此因素。

通过研究可知，在桩其他参数相同的情况下，由于施工工艺造成的盘形式的局部变化，对桩周土体的破坏状态基本没有影响;但要考虑施工工艺造成的有效桩径与设计桩径的差异。该结论完善了混凝土扩盘桩设计的基本理论，为该桩的实际应用起到了必要的补充，也可为相关研究提供借鉴。