圆孔扩张理论在挤扩支盘桩研究中的应用

2022-01-12王清正

工程技术与管理 2021年23期

王清正

河北工程大学土木工程学院，中国·河北邯郸 056038

1 引言

支盘桩是一种变截面桩型，是在普通灌注桩基础上通过扩大局部桩身直径形成扩径体，通过扩径体的端阻力使得其承载性能提高，沉降量减小，广泛应用于工程建设中。支盘桩应用发展几十年来，已经取得丰硕的研究成果，张延庆[1]等对某现场支盘桩进行抗拔试验，总结在受压和受拉荷载下的承载机理的不同点；卢成原[2]等采取模型试验，在非饱和土体中对支盘处土体的挤密效应进行研究，提出挤密效应综合影响系数概念；李连祥[3]等利用圆孔扩张理论，采用分段位移协调迭代算法对支盘桩的荷载传递进行研究，推导出扩径端阻力与竖向位移的关系。

支盘桩在挤扩成型过程中，挤扩机通过对周围土体进行挤压，逐渐形成支盘体，支盘体周围的土体受到扰动，土体参数已经发生改变，土体被压密，密实度提升，支盘处土体存在明显的挤密效应，论文采用圆孔扩张理论对挤扩支盘处挤密土体进行分析。

2 圆孔扩张理论假设及模型分析

2.1 圆孔扩张理论基本假设

Gibson[4]最开始以圆孔扩张理论解释岩土问题，之后该理论被广泛应用到岩土领域中来解释相关问题。

在挤扩支盘桩中应用该理论，假设土体均为理想弹性体，现做出假设：

①支盘处土体为弹性体，不会发生剪切破坏；

②支盘成型后，周围土体处于受力平衡状态；

③土体服从Mohr-Coulomb屈服准则。

2.2 模型分析

圆孔扩张过程示意如图1所示，在挤扩作用下，圆孔受到均匀的挤扩压力P，土体由初始孔径R0逐渐扩大到R。在扩张过程中，土体受挤扩作用，土体出现塑性变形，远处土体仍然保持弹性体。

图1 圆孔扩张理论模型示意图

假设一单元体r，在圆孔扩张过程中其法向应力为σr，切向应力为σθ，参考周航等人的相关文献[5]。在荷载情况下，水平内压力与扩张半径的关系为：

式中，G为土体剪切模量。

挤扩前土体密度假设为e0，挤扩完成后土体密度为e，在挤扩过程中的单位体的土体密度为er，则土的压缩模量：

3 挤扩支盘桩抗拔承载机理

挤扩支盘桩在受到竖向上拔荷载时，发挥抗拔作用的是桩侧摩阻力。随着荷载的增加，在达到一定值时，桩侧摩阻力达到最大值，这时支盘端阻力开始发挥作用，支盘的受力面积增大，荷载被传递到周围土层中较多，因此抗拔能力提升，在多支盘体中，首个支盘在承受较多荷载之后，相继第二个支盘开始发挥作用，随着荷载增加，之后支盘随着开始发挥作用。

支盘在设置的时候，往往会选择持力层较好的土层，实际工程中桩径为600~800mm。支盘桩的支盘桩直径一般在1400mm以上，根据某桩基础公司提供的支盘机参数，其提供最大推力在4000N以上。可想而知，在这样大的挤扩力下，对土体的挤密效果是非常可观的，土体密度增大，压缩模量和土体强度都会随着提高，承载力就会随之提高。

钱德玲[6]提出，支盘桩的抗拔承载力由四部分组成，即桩侧摩阻力Ps、支盘的抗拔阻力Pz、倒圆台土体的有效自重Pcz和桩体的有效自重Wc。

根据钱德玲博士的研究可知，圆孔扩张理论主要与支盘的抗拔阻力有联系。通过圆孔扩张理论对支盘处的土体分析，其压缩模量减少，土体的压缩性提高，土体的承载能力提高。

4 非饱和土体挤密试验验证

根据卢成原学者对非饱和土体中土体挤密试验的研究，其土质情况均匀，在成盘位置处属于中等压缩土，所有土样均为不饱和状态。试验挤扩支盘桩的桩径为600mm，支盘处直径最大为1400mm，通过钻孔，挤压成型。挤扩支盘桩的挤压应力对桩周土的影响范围进行研究，实验包括对桩周土水平方向和竖直方向上的影响范围的变化规律。

在桩体成型后，对桩体支盘周围的土的干密度进行分层取样，试验结果表明桩周土的挤密效应十分明显，挤压区内的干密度增幅最大可达20%以上，这也证明了挤压土体的压缩性增大，从而土体的承载力提高。

利用式（1）计算初始和挤扩结束两个状态的土体干密度对应压强R0和P。利用式（2）对土体压缩模量Es进行计算，对比初始状态时的压缩模量。可以得知，土体压缩模量变小，土体压缩性提高。