双盘挤扩桩的静承载特性试验研究

2020-05-08吴怡颖马宏伟姜晓强

四川建材 2020年4期

吴怡颖，马宏伟，姜晓强，童宇

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 前言

随着经济社会发展，各类工程建设对基础工程的承载能力和沉降控制能力的要求不断提高，挤扩灌注桩作为一种新型桩基础在工程中逐渐被应用。

沈保汉等[1]对多节挤扩灌注桩的基本原理、适用范围做了较为详细的描述。陈立宏等[2-3]通过现场试验对挤扩桩的适用性进行了验证，为挤扩灌注桩的设计提供了参考。Shi等[4]推导了单向和双向不同挤压设备作用下两种挤扩支盘桩承力盘的不同受力特点和适用条件，并指出单向挤扩桩适合于挤扩桩，双向挤扩桩更适合于抗拔桩，并加深了对挤扩支盘桩的结构及其承载特性的分析。

近年来，挤扩桩的发展及研究日趋成熟，国内外学者对支盘桩的承载力能力进行了研究分析，主要研究手段有有限元数值分析、室内模型试验、现场试验。由于支盘桩的盘周受力分析较为复杂，数值分析更能贴合实际进行研究，王伊丽等[5]通过Flac3D数值分析了支盘位置、间距、数量和直径对桩承载力的影响，确定了在3倍盘间距的间隔中应设置不超过三个承力盘。张清林等[6]通过数值分析研究了挤扩桩群桩的承载性状，并指出群桩效应随着桩间距的减小而逐渐明显，群桩间土体沉降的最大值发生在两扩盘中间位置处,且随着桩间距的增大而减小。在室内模型试验方面，钱春香等[7]运用室内小比尺模型试验验证该试验方法是可靠有效的，并与现场试验数据进行了对比。王振波等[8]将挤扩多支盘桩的上支盘做变截面处理，并做了一组改变变截面桩径比的平行试验，该实验表明，阶梯型变截面挤扩桩存在最优变截面比，桩径比在0.8～0.9附近时，变截面挤扩桩的桩身侧摩阻力比等截面桩发挥得更加充分。关于支盘桩的高承载力、低沉降的特征，刘干斌等[9]]推导建立了多级扩径桩承载力和沉降计算公式。李建东[10]，张德华[11]对大厚度黄土地基、强风化岩层工作下的挤扩桩的工作性能做了详细的研究，以及对桩身各部分的承载能力也进行了分析，分析表明单个承力盘在加载初期承担桩顶荷载百分比达30%，由于承力盘的存在对承载力的提高、降低沉降、造价节约、缩短工期有明显的优势，经济效益显著。

本文采用室内小比尺模型试验，研究了直孔桩、单盘挤扩桩和双盘挤扩桩在承载特性和沉降特性方面的差异，讨论了双盘挤扩桩的抗力构成及各抗力分量在不同加载阶段的变化规律，为双盘挤扩桩的优化设计及工程应用提供了参考。

1 模型试验方案

1.1 模型箱

模型箱需要满足桩距箱底及侧壁的距离，使模型箱的边界条件不会对试验桩的受力及变形条件造成影响。为了实现埋桩过程的可视化，模型箱短边侧板使用有机玻璃制作，长边侧板和底板则由钢板制作，在模型箱的周边使用钢抱箍进行加固。模型箱的净空尺寸为：长800 mm×宽600 mm×高580 mm，钢板及有机玻璃板厚度均为5 mm。

1.2 加载装置

室内模型试验采用砝码加载，本试验加载装置采用杠杆原理设计制作。将加载梁一端用螺栓连接在支座上，另一端悬挂砝码盘用于放置砝码逐级加载，加载梁中部设置安装螺杆并通过钢球对桩顶施加荷载，以保证荷载竖直作用于桩顶。

1.3 试验砂

模型试验选用河砂作为地基土。所用细砂全部过2.45 mm的方孔筛，填砂过程中使用振动抹平机进行振动夯实，试验时细砂为密实状态。

1.4 模型桩

本次试验以桩径为1 500 mm、长径比为25∶1的工程桩为原型，采用几何相似比CL=1∶75制作模型桩。模型桩使用6063铝合金制作，桩长L=550 mm、外径d=20 mm、壁厚δ=3 mm，铝管弹性模量E=63.1 GPa[12]。桩顶及桩底封底处选用同样的桩身材料，以保证桩身的完整性。承力盘采用相同铝材制作，承力盘的表面倾角为45°，盘径D=50 mm。承力盘如图1所示。

图1 承力盘示意图

1.5 试验实施

试验采用设置于桩顶的百分表测试桩体沉降，用布置在桩身上的6组应变片测试桩的轴力，采用YE2539高速静态应变仪进行数据采集。

试验过程中，所有的模型桩均采用预埋的方法进行，用夹具固定模型桩保证桩身轴线垂直。地基土采用分层布置，每次填入高度为10 cm，直至达到模型预设高度，埋桩工作完成后静置12 h进行加载试验。

试验研究的直孔桩、单盘挤扩桩和双盘挤扩桩参数如图2所示。

图2 试验桩示意图

2 试验结果与分析

2.1 盘数对桩基承载和沉降性能的影响

通过室内模型试验得到的静荷载作用下直孔桩、单盘挤扩桩和双盘挤扩桩的荷载(q)-沉降(s)之间的关系如图3所示，图中，ZK表示直孔桩，DX1和DX2分别表示单盘挤扩桩和双盘挤扩桩。

图3 试验桩q-s曲线图

由图3可知，从极限承载力的角度来看，直孔桩、单盘挤扩桩和双盘挤扩桩的极限承载力分别为1.2、2.6、3.6 kN，挤扩桩的极限承载力优于等直径直孔桩，特别是双盘挤扩桩的极限承载力达到了直孔桩的3倍，显然，承力盘的存在对提高桩基的极限承载力是十分有利的。实际上，直孔桩主要依靠桩身摩阻和桩底端阻提供承载力，其破坏的原因在于桩底端阻过大导致的桩底土体剪切破坏；而挤扩桩则可利用桩身承力盘将部分外荷载传递到桩周土体中，其承载力由承力盘盘阻、桩身摩阻和桩底端阻三部分组成。挤扩桩极限承载力的提高正是由盘阻的存在减小了端阻在承载力中的贡献率而引起的，对单盘挤扩桩，当盘周土体和桩底土体均破坏时桩体达到极限承载状态；而对双盘挤扩桩，上盘和下盘周边土体与桩底土体均破坏时才能达到极限承载状态。显然，双盘挤扩桩对外荷载的分散性能更优，由此导致其极限承载能力在三种试验桩中也最优。

当桩顶施加1 kN的静力荷载时，直孔桩的沉降量为3.65 mm，而单盘挤扩桩和双盘挤扩桩的沉降量分别为1.08 mm和0.50 mm，相比直孔桩减小了70%和86%，承力盘的存在有效改善了桩基的沉降性能。在外荷载较小时，三种试验桩的q-s曲线几乎重合，此时沉降主要由桩底的土体压密引起，随着荷载的增加，三条曲线显著分离，承力盘对荷载的分散作用逐渐体现，由此也引起了三种试验桩的沉降差异。

2.2 双盘挤扩桩承载特性分析

根据试验过程中桩身应变测量结果，计算得到的双盘挤扩桩承载力构成与外荷载的关系如图4所示。

图4 双盘挤扩桩承载力的构成

根据图4，构成双盘挤扩桩承载力的上盘盘阻、下盘盘阻、桩身摩阻和桩底端阻等阻力均随外荷载的变化而变化。在外荷载较小时，桩端阻力对桩基支承力的贡献率与其他三项阻力的总和接近，随着外荷载的增大，桩身摩阻和桩底端阻在桩体总承载力中所占比重逐渐减小，而上盘和下盘的盘阻所占比重则逐渐增大。显然，承力盘较好地提升了桩基的承载能力，且外荷载越大，承力盘对增强桩基承载力的贡献更大。

同时，下盘盘阻总是高于上盘盘阻，这与承力盘处的桩体下沉量直接相关，由于下盘处的下沉量大于上盘处的下沉量，根据温克尔弹性地基假定，地基沉降量与地基抗力成正比，上盘处的地基抗力大于下盘处的，因此盘阻也存在下盘大上盘小的特征。