任冬生，顧歡達(dá),李艷婷，方咸美

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院地下結(jié)構(gòu)分院，上海200235；

2.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技學(xué)院)，江蘇 蘇州 215011；3.蘇州科技學(xué)院土木工程系，江蘇蘇州215011；

4.江蘇師范大學(xué)審計(jì)處，江蘇徐州221116；5.江蘇建院營造有限公司巖土院，江蘇蘇州215011)

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擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁抗拔承載性能模型試驗(yàn)研究

任冬生1,2，顧歡達(dá)3,李艷婷4，方咸美5

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院地下結(jié)構(gòu)分院，上海200235；

2.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技學(xué)院)，江蘇 蘇州 215011；3.蘇州科技學(xué)院土木工程系，江蘇蘇州215011；

4.江蘇師范大學(xué)審計(jì)處，江蘇徐州221116；5.江蘇建院營造有限公司巖土院，江蘇蘇州215011)

摘要：通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁的抗拔承載性能。建立樁在上拔作用下的力學(xué)分析模型。采用上述模型對(duì)上拔力作用下結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了參數(shù)分析，對(duì)支盤所處樁身位置、樁身支盤數(shù)量、樁身材料對(duì)樁的抗拔承載性能的影響進(jìn)行了分析，研究各因素對(duì)支盤樁的承載力發(fā)揮效果的影響，分析各因素對(duì)樁的樁頂位移和內(nèi)力的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁；抗拔承載性能；模型試驗(yàn)

ModelTestonUpliftBearingCapacityofExpandedBranchandReinforcedCement-soilPile

RENDongsheng1,2，GUHuanda3，LI Yanting4，F(xiàn)ANG Xianmei5

擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁是近年來工程應(yīng)用中研發(fā)出的一種新樁型。相比于20世紀(jì)90年代從日本引進(jìn)的SMW工法樁和國內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較為成熟的DX擠擴(kuò)灌注樁，擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁結(jié)合了前兩者施工方便和承載力高的優(yōu)點(diǎn)，迅速發(fā)展并應(yīng)用到包括北京、上海、天津等地的多項(xiàng)工程中。

支盤樁具有較高的承載力，沉降量低，能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但依然存在許多問題。

支盤樁作為一種新技術(shù)，在抗拔模式和計(jì)算理論研究上尚不夠成熟。對(duì)其抗拔特性、破壞特性、荷載傳遞性狀及受力特征沉降特性等尚不能夠完全確定[1-2]。這些問題都需要深入剖析方能得出對(duì)工程研究有用的數(shù)據(jù)。本文正是對(duì)擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁的抗拔機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，這對(duì)全面、系統(tǒng)地掌握擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁的抗拔性能和設(shè)計(jì)理論有著重要意義。

1樁的構(gòu)造和抗拔模式

1.1　樁的構(gòu)造

如圖1所示，擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁主要由主樁體和若干支盤組成，通過鋼絞線和錨盤傳力。工程設(shè)計(jì)需根據(jù)土層地質(zhì)條件、抗浮強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求以及施工工藝等綜合因素依次考慮鋼絞線強(qiáng)度、樁身直徑的大小，以及支盤的位置和數(shù)量等。

圖1　樁的構(gòu)造

1.2　樁的抗拔承載模式

圖2　樁的抗拔承載模式

工程實(shí)踐和理論研究分析得出，擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁在上拔荷載作用下的抗拔承載力主要由支盤端阻力、樁側(cè)摩阻力、倒圓臺(tái)土體的有效自重和樁身自重構(gòu)成，如圖2所示。其中，土體的物理力學(xué)性質(zhì)和樁土間的擠壓變形都將使樁周土體產(chǎn)生不同的剪切面，影響倒圓土臺(tái)有效自重的大小，且隨著樁土間位移的變化而變化。

2模型試驗(yàn)研究簡介

2.1　研究方法

利用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究樁的承載力發(fā)揮特點(diǎn)和樁土體系荷載傳遞規(guī)律。樁基礎(chǔ)的主要功能是將上部結(jié)構(gòu)的荷載向地基傳遞，荷載傳遞的同時(shí)出現(xiàn)在樁側(cè)表面和支盤端，并且涉及離開樁身相當(dāng)距離范圍內(nèi)的土體。因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，確定模型樁的抗拔力，用適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系，繪制荷載-上拔位移理想化曲線，推理得到破壞荷載，并借關(guān)系曲線尋求樁的承載受力機(jī)理[3-4]。

2.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照標(biāo)準(zhǔn)SL237—1999 《土工試驗(yàn)規(guī)程》和GB/T50123—1999 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試件設(shè)計(jì)，具體參數(shù)變化情況見表1。試驗(yàn)參數(shù)主要考慮：

1)樁身材料、水泥土摻入量對(duì)樁身強(qiáng)度和彈性變形的影響，水泥土摻入比分為8%和16%。

2)支盤位置的不同對(duì)樁承載力的影響，對(duì)支盤分別處于上部、中部、下部3種單支盤樁做對(duì)比試驗(yàn)。

3)支盤數(shù)量對(duì)樁承載力發(fā)揮的影響，對(duì)等截面樁、單支盤樁、二支盤樁、三支盤樁4種情況做對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中的樁體模型如圖3所示。

表1　試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)

注：試件中樁身直徑為35mm，擴(kuò)大支盤直徑為50mm，高度為20mm。

圖3　樁體模型圖(單位：mm)

2.3　試驗(yàn)材料

1)水泥土。模型樁使用水泥土制作[5]，土體取自蘇州地區(qū)的粉土，物理力學(xué)參數(shù)均同樁周土層用土。

本次試驗(yàn)使用水泥摻入比為8%和16%的2種水泥土制作模型，用攪拌機(jī)攪拌均勻后，在水泥的初凝時(shí)間內(nèi)完成小立柱的制作。本試驗(yàn)中所用的水泥摻入比aw的含義如下所示：

(1)

式中：mc為水泥的質(zhì)量，g；md為土樣烘干質(zhì)量，g。

樁身材料物理參數(shù)如表2所示。

表2　樁身材料參數(shù)

2)鋼筋。支盤樁的預(yù)應(yīng)力鋼筋主要是為了在施工時(shí)使樁身水泥土材料一直處于受壓狀態(tài)而設(shè)置的，其直徑為4mm，作為傳力裝置。

3)樁周土層。樁體周圍土層是通過人工填土再擊實(shí)的方式模擬完成，原狀土取蘇州地區(qū)具有代表性的粉土，試驗(yàn)用土為重復(fù)利用的擾動(dòng)土。樁體周圍模擬土層的各項(xiàng)物理參數(shù)如表3所示。

表3　樁體周圍模擬土層參數(shù)

2.4　加載裝置設(shè)計(jì)及制作

本次試驗(yàn)是在自制的加載裝置上進(jìn)行的，試驗(yàn)的加載裝置示意圖如圖4，為了盡量還原實(shí)際的豎向荷載，在調(diào)整裝置時(shí)，用吊錘作為標(biāo)尺，保持上拔力在豎直直線上。試件的下端用螺栓固定，在樁身下端用鋼片作為墊片，模擬均布荷載。試驗(yàn)過程中通過上拉鋼筋讓力傳到樁底來模擬上拔荷載[6]。本試驗(yàn)采用靜載荷，由定滑輪右端加載定值砝碼，通過鋼絲繩來傳遞施加力的作用。室內(nèi)試驗(yàn)加載裝置如圖5所示。

圖4　加載裝置示意圖(單位：mm)

圖5　室內(nèi)加載試驗(yàn)圖

3試驗(yàn)結(jié)果分析

樁的抗拔試驗(yàn)成果中通常取相應(yīng)的樁頂殘余變形量為0.025d(d為樁徑)時(shí)的荷載作為極限抗拔承載力，再將極限承載力除以安全系數(shù)(1.5~2.0)來確定設(shè)計(jì)承載力，即允許承載力。本次試驗(yàn)中樁頂累計(jì)上拔位移超過5 mm時(shí)視為加載系統(tǒng)被破壞。

本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁的破壞形式主要為樁-土間的滑移破壞，2種樁身材料參數(shù)對(duì)樁的破壞影響不大，故不再分析。

3.1　荷載-位移關(guān)系及影響因素分析

樁的抗拔載荷試驗(yàn)結(jié)果通常表明，位移-荷載曲線基本由3段組成：第1段為直線段，位移-荷載曲線呈比例關(guān)系線性增加；第2段為曲線段，隨著樁土間相對(duì)位移的增大，樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮，同時(shí)在土層淺表處出現(xiàn)樁周土層松動(dòng)，該過程中上拔位移量增加的速率會(huì)越來越快；第3段呈直線狀，此時(shí)樁的上拔位移量急速上升，即使上拔荷載增加很少，樁的承載力也達(dá)到極限狀態(tài)，同時(shí)淺表處樁周土體往往出現(xiàn)發(fā)散樁裂縫和環(huán)向裂縫。第3段起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載可視為樁的極限抗拔承載力[7]。荷載-位移關(guān)系曲線如圖6所示。

從圖6(a)可知，A12樁的位移發(fā)展曲線為緩慢增長類型，在達(dá)到極限承載力的過程中并無明顯的陡升段，說明支盤的抵抗阻力發(fā)揮和樁側(cè)摩阻力發(fā)揮。荷載作用360 N之前，樁的位移-荷載曲線處于近似直線段，說明支盤樁有足夠的承載力，荷載加至513 N和666 N時(shí)，樁土間位移仍然增長緩慢，沒有出現(xiàn)急速破壞的情況。A11樁和A13樁分別在荷載達(dá)到360 N和513 N時(shí)出現(xiàn)明顯的曲線陡升段，樁土間位移變形量急速增加，即出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。

(a)考慮支盤位置因素

(b)考慮支盤數(shù)量因素圖6　荷載-位移關(guān)系曲線圖

圖6(b)中荷載-位移曲線可分為3段:位移變形極微小階段,如4條曲線207 N的前段;變形較小階段，如下支盤樁A11的360 N加載級(jí)段;位移快速增長曲線段，如各個(gè)樁加載后期階段。若以荷載-位移曲線快速增長的起點(diǎn)作為破壞荷載點(diǎn)，則可以看出三支盤樁的極限承載力高于二支盤樁，下支盤樁的極限承載力高于等截面樁。

3.2　樁身內(nèi)力及影響因素分析

樁身軸力是由應(yīng)變計(jì)測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得出，由于應(yīng)變片的尺寸問題，支盤部分無法安放應(yīng)變片，無法得知樁支盤的內(nèi)力大小。此外，由于樁身材料失水等因素導(dǎo)致樁身彈性模量的改變，由此計(jì)算出樁身軸力與真實(shí)值有一定差距。從曲線的發(fā)展趨勢來看，軸力在傳遞的過程中呈現(xiàn)明顯的“臺(tái)階”現(xiàn)象，間接推理得知支盤的承力作用是比較明顯的[8]。內(nèi)力分布曲線如圖7所示。

首先，考慮支盤的位置對(duì)樁身內(nèi)力分布的影響。如圖7(b)所示，力在荷載作用面(樁底)處最大，沿樁身自下而上軸力逐漸減小，這主要是由于樁身側(cè)摩阻力和支盤端的阻力作用。樁身軸力在支盤位置處上下發(fā)生突變，軸力差為支盤端阻力，支盤樁具有直樁所沒有的端承作用，從而提高了支盤樁的抗拔承載力。從圖中還可以看出，支盤樁的下端，軸力變化比較大，樁頂附近的樁身軸力變化相對(duì)較小，這主要由于近樁頂端的淺地層樁側(cè)摩阻力較小。

圖7　內(nèi)力分布曲線圖

從圖7(c)、7(d)中可以看出，中支盤樁的內(nèi)力經(jīng)過支盤位置后，傳遞至上部樁身內(nèi)力較小，上支盤樁的樁身軸力經(jīng)過支盤位置后并沒有出現(xiàn)明顯的內(nèi)力突變，樁頂附近的樁側(cè)摩阻力微小，加載的中后期由于樁土之間的擠壓相互作用在淺表土層形成破壞剪切面，減小了樁身側(cè)摩阻力的發(fā)展。

其次，考慮支盤數(shù)量對(duì)樁身內(nèi)力分布的影響。多支盤樁在軸力的傳遞過程中，支盤處上下軸力發(fā)生突變，相鄰兩支盤間的樁身軸力變化并不大，從多支盤樁的抗拔模式來看，當(dāng)荷載增加達(dá)到一定值后，支盤與土層的相互擠壓作用形成多個(gè)剪切破壞面，支盤之間的樁體側(cè)摩阻力作用發(fā)揮被削弱。如圖7(e)2個(gè)支盤之間的2個(gè)測點(diǎn)內(nèi)力變化相對(duì)均較小，圖7(f)中三支盤樁上部支盤和中部支盤之間的2個(gè)測點(diǎn)和中部支盤與下部支盤之間的2個(gè)測點(diǎn)均是相同的情況。

圖7(a)是等截面樁的軸力分布圖，可以看出在系統(tǒng)加載初期，荷載較小的情況下，樁身上部的軸力比較小，軸力變化主要在樁身的下部。加載的后期接近樁的破壞荷載時(shí)，軸力沿樁身自下而上線性變小，這是與等截面樁的抗拔模式密切相關(guān)的。等截面樁底抗拉拔荷載主要依靠樁側(cè)摩阻力，而樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮具有時(shí)間效應(yīng)，在較小荷載的情況下，下部樁側(cè)摩阻力能夠抵抗拉拔荷載時(shí)，上部樁身幾乎沒有受力，當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，樁土間相對(duì)變形較大，樁側(cè)摩阻力才完全發(fā)揮。

4結(jié)語

本文得出的主要結(jié)論如下：

1)擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁的單樁抗拔極限承載力主要依靠支盤端的抵抗阻力和樁側(cè)摩阻力，可將擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁定性為多端摩擦型端承樁。

2)擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁的極限抗拔承載力要明顯高于等截面直樁，并能提供較小的上拔位移，更能滿足穩(wěn)定性要求。

3)在承受上拔荷載時(shí)，支盤的承載作用較為顯著，是擴(kuò)大支盤加筋水泥土樁抗拔承載的關(guān)鍵。

4)本次試驗(yàn)在相對(duì)軟弱土層粉土土層中進(jìn)行，破壞極限狀態(tài)為地基土的強(qiáng)度破壞。單支盤樁中支盤處于中部位置時(shí)能有效發(fā)揮支盤端阻力和樁側(cè)摩阻力。多支盤樁中三支盤樁能更好地發(fā)揮抗拔承載力。

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[8]Ireland H.Pulling tests on piles in sand[C]//Proceeding of Fourth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Dublin:Butterworth Scientific Publications，1957:43-45.

責(zé)任編輯：唐海燕

(1.UndergroundStructuresDepartmentofShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200235；

2.KeyLaboratoryofStructureEngineeringinJiangsuProvince,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011；

3.DepartmentofCivilEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011；

4.AuditDepartmentofJiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116；

5.GeotechnicalDepartmentofJiangsuJianyuanConstructionCo.,Ltd.,Suzhou215011)

Abstract：Through indoor model tests,this paper focused on the bearing performance of the expanded branch and reinforced cement-soil pile.The paper established a mechanical analyzing model under uplifting load,through which parameters analysis of the structure′s bearing performance was made.Uplift bearing performance affected by different locations,the number and the material of the branch was further analyzed.Factors of the branch piles′ bearing capacity,pile top displacement and internal force were also explored.

Key words：expanded branch and reinforced cement-soil pile;uplift bearing capacity;model test

文章編號(hào)：1671-0436(2015)04-0006-05

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：任冬生(1989—)，男，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-04-07