挤扩支盘桩-土相互作用的机理研究

2020-08-26马宏伟吴怡颖姜晓强

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年2期

童宇，马宏伟，吴怡颖，姜晓强

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

挤扩支盘桩是在直孔灌注桩的基础上形成的一种新型桩基础，桩体上附加的扩大盘可以有效提高桩体的承载能力，并减小桩体在静荷载作用下的沉降，其在超高层建筑、重载铁路、输电线路建设等[1-3]工程领域的应用前景十分广阔。

目前，挤扩支盘桩工作性能的研究主要采用现场试验、数值模拟和室内模型试验等方法展开。在现场试验[4-6]方面，主要开展了粉质黏土、黏土、砂土等地层，以及湿陷性黄土中挤扩支盘桩的现场试验研究，由于现场试验均是针对局部典型地层和特殊工程问题展开的，研究结果的推广存在一定局限性。在数值模拟研究方面，文献[7-8]运用有限单元法软件ABAQUS分析了挤扩支盘桩在静载条件下的承载力性状，并针对扩大盘的位置、直径、间距、数量提出了建议；文献[9]运用有限差分软件FLAC3D得出水平荷载可增大扩大盘的承载力，减小桩侧摩阻力的结论。数值模拟虽然是一种高效的研究方法，并且可得到一些对工程建设十分有益的结论，但其结果对材料参数十分敏感，对复杂岩土工程问题的研究结果与工程实测结果差异较大。基于相似理论的室内模型试验是分析桩-土相互作用机理的一种有效手段。

在挤扩支盘桩室内模型试验方面，文献[10]通过模型试验给出了双支盘桩的竖向土压力分布大致在两倍盘径左右；文献[11]对不同土体中的多支盘桩的合理盘距及支盘群桩的合理桩距进行了研究，得出砂土地层中多支盘桩的合理盘间距为3D(D为盘径)，粉土地层中为2D，同时确立砂土地层中支盘群桩的合理桩间距应大于2D，粉土地层中应大于3D。文献[12]通过DIC技术研究了竖向荷载下桩周土体位移场的变化规律，说明了扩大盘的存在对挤扩支盘桩工作性能的提高作用。

本文为了进一步揭示扩大盘在挤扩支盘桩-土相互作用过程中的作用机理，开展了6组不同盘径挤扩支盘桩的静载试验，并结合理论分析进行了扩大盘对桩基础极限承载力的影响、挤扩支盘桩阻力构成和盘周附加土压力分布的研究。

1 试验方案

1.1 挤扩支盘桩模型

试验中使用的挤扩支盘桩如图1所示。

模型桩由6063铝合金制作而成。桩体由两端封闭的等直径铝管制作，桩径d=20mm，桩长L=550mm，桩头外露50mm，试验中入土深度l=500mm，长径比为25∶ 1。扩大盘盘面倾角α=45°，内留φ20圆孔。

根据图1所示扩大盘的几何尺寸，扩大盘盘面高度h可表示为

h=(D-d)cotα+5=D-15(mm)

(1)

试验根据扩大盘外径的不同分7组进行，各组模型桩的扩大盘参数如表1所示。

(a)模型桩实拍图 ( b)扩大盘详图图1 挤扩支盘桩模型

表1 模型桩参数

1.2 试验加载装置

试验研究使用的模型箱和加载装置如图2所示。

(a)加载装置实拍图

(b)加载装置原理图

(c)加载点细部图图2 加载装置

模型箱净空尺寸为：800mm(长)×600mm(宽)×580mm(高)，满足试验误差控制要求。模型箱侧壁采用12mm厚有机玻璃板和15mm厚钢板组合而成，并使用8mm厚钢条抱箍进行加固，底部采用12mm厚有机玻璃板封底。试验过程中测得模型箱侧壁最大变形量小于0.1mm，表明模型箱刚度对试验结果未产生影响。

试验加载装置采用杠杆式加载梁，并在加载系统中设计了专门的平衡系统来消除平衡梁体与加载盘自重对试验精度的影响。为了实现荷载作用于桩头中心处，在桩头位置采用了实心合金钢球进行传力。

1.3 监测装置及测点布置

试验中采用10个量程为500kPa的LY-350型应变式微型土压力盒进行土体应力测量，桩身两侧对称布置电阻应变片用以监测桩体轴力，并使用YE2539型应变采集仪进行数据采集。

用于盘周土体应力测量的9个土压力盒采用方阵状布置，水平间距和竖向间距均取各组试验中的扩大盘外径。用于桩底土体应力测量的土压力盒布置在桩端一下30mm处。土压力盒布置位置如图3所示。

图3 测点布置图(单位：mm)

1.4 模型制作与加载

1)试验用砂的制备。试验用砂制备时，先对天然河沙进行清洗，再进行烘干，最后采用2.5mm细筛对试验砂进行筛分，去除较大颗粒及杂质。

2)模型桩的埋设与填砂夯实。在模型桩埋设过程中，采用定向滑轨夹具固定模型桩的位置。试验砂分六层填埋，每层砂的质量为80kg，使用振频为2 840次/min的小型振动抹光机进行夯实处理，每层夯实1min，状态为中密。埋设过程中，利用水准泡及水平尺实时监测桩体的垂直度，试验砂填埋完成后静止12h。

3)加载步骤及极限状态判定。加载梁安装完成后，用平衡砝码平衡梁体自重后进行加载。

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106 - 2014)[13]确定的本试验每级加载量为0.2kN。每级加载完成后每5min观测一次模型桩沉降，若相邻两次观测读数相差小于0.01mm，表示达到稳定状态，则进行下一级加载。

若某一级荷载对应沉降量超过上一级的5倍，则表示达到加载极限状态；若某一级沉降量未达到上一级的5倍，但在1.5h之内未达到稳定状态，也可表示达到加载极限状态。确定达到加载极限状态上一级的加载量为桩体的极限承载力。

2 试验结果分析

2.1 扩大盘对桩基础极限承载力的影响

试验得到的7组模型桩荷载(Q)-沉降(S)曲线如图4所示。

图4 Q-S对比图

由图4可知，试验直孔桩的极限承载力为1.4kN，而带扩大盘的挤扩桩的极限承载力均达到2.2kN以上，且极限承载力随扩大盘盘径的增大而增大。直孔桩加载至极限状态时，沉降量为11mm，而对应荷载下的挤扩桩沉降均小于5mm，挤扩支盘桩控制沉降的效果优于直孔桩且随扩大盘盘径的增大而增大。

2.2 挤扩支盘桩阻力的构成

挤扩支盘桩作为一种摩擦多支点端承桩，桩体的承载力由扩大盘的盘阻、桩底端阻、桩侧摩阻力三部分组成。根据桩体沿竖直方向的静力平衡条件可知

Q=R1+R2+R3

(2)

式中：Q为外荷载，kN；R1为盘阻，kN；R2为桩底端阻，kN；R3为侧摩阻，kN。

盘阻R1可由扩大盘上下相邻测点的轴力差确定；端阻R2可由桩底轴力测点和土压力测点观测结果确定。

1)盘径对盘阻的影响。不同外荷载作用下扩大盘盘径与盘阻贡献率之间的关系曲线如图5所示。

图5 盘径与盘阻贡献率的关系

由图5可知，随着扩大盘盘径的增大，盘阻在挤扩支盘桩承载力中所占比重呈现出递增的规律，由此表明挤扩支盘桩的工作性能随盘径增大而提高。

2)盘阻贡献率分析。以S6(D= 60mm)组试验为例，试验得到的外荷载与三种阻力对总阻力的贡献率之间的关系如图6所示。

图6 荷载与阻力贡献率的关系

由图6可知，当外荷载较小时，桩端阻力提供主要支承力，盘阻和桩侧摩阻力对阻力的贡献较小。随外荷载增大，盘阻和桩侧摩阻力的贡献率逐渐增大，而桩端阻力的贡献率逐渐减小。在外荷载超过2.0kN后，三种阻力的贡献率不再随荷载发生变化，说明此时桩周土体与桩底土体均已被挤压密实。

外荷载超过0.6kN后，盘阻曲线和侧摩阻曲线接近平行，说明盘阻的增大对提升桩体的侧摩阻力是有利的，其原因主要是扩大盘的存在增大了盘下桩周土体的竖向土压力，导致桩体受到的水平土压力增大，进一步引起摩阻力的增大。

2.3 盘周附加土压力分布规律

布辛涅斯克(Boussinesq)给出了弹性半空间体表面受集中作用时弹性体应力和位移的理论解，利用该解，可以得到任意分布荷载下土体应力和位移分布[14]。

将挤扩桩扩大盘简化为平面圆环板，盘体压力等效为均布力p，则

(3)

盘下任一点处的附加土压力为

(4)

式中：Z为计算点到盘中截面的垂直高差，a为计算点到桩轴线的距离。

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007 - 2011)[15]对地基压力分布采用了均匀分布形式，参考规范给出的条形基础和矩形基础的计算公式，盘下任一点处的附加土压力为

(5)

式中：地基压力扩散角θ由插值法[16]确定。

将实测盘阻代入式(4)和式(5)即可得到附加土压力在桩周分布的理论解和规范解。

1)盘周附加土应力沿水平方向的分布。外荷载Q为2.0kN，即盘阻R1为0.64kN时，S6桩的盘下附加土压力的理论解、规范解和实测结果沿水平方向的分布如图7所示。

图7 盘周附加土压力沿水平方向的分布

由图7可知，除土压力测点①之外的其它各测点处的实测结果与理论解保持一致，而与规范解的偏差则较大；在测点①处，实测结果显著小于理论解，这是由于理论解基于弹性理论得到，而盘周的应力集中现象会导致土体产生塑性变形，由此引起理论解的较大偏差。

在盘下1倍盘径高度，即Z=85mm处，当a<30mm=D/2时，理论解和实测结果均大于规范解，而在盘下2D处，理论解和实测结果则小于规范解。上述现象表明完全按《建筑地基基础设计规范》进行扩盘桩的承载力校核存在一定风险，当盘下2D深度范围内存在软弱土层时，实际的附加土压力值可能超过土的极限承载力。因此，考虑扩大盘设置时，盘下2倍盘径高度内不宜存在软弱土层。

从附加土压力沿水平方向的分布来看，按照《规范》计算得到的土压力分布范围也是偏小的，盘底位置处附加土压力高值区约为桩周1D范围，盘底1倍、2倍盘径深度处，土压力高值区约为2D。

2)盘周附加土应力沿竖直方向的分布。外荷载Q为2.0kN时，S6桩的盘下附加土压力的理论解、规范解和实测结果沿竖向的分布如图8所示。

图8 盘周附加土压力沿竖直方向的分布

由图8可知，扩大盘引起的桩周土的附加土压力随深度的增大而减小，在远离桩体处，附加土压力则随深度的增大先增大后减小。由于盘底同一深度h处，土体附加应力随距桩轴线距离a的增大而减小，因此主要考虑桩侧位置处土压力沿竖向的变化规律研究合理盘间距的布置。在盘下2.5D深度处，附加土压力的实测结果与理论解随深度的变化趋势逐渐放缓，因此可确定扩大盘的合理竖向间距应不小于2.5D。