吳怡穎，馬宏偉，姜曉強(qiáng)，童 宇

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，各類工程建設(shè)對(duì)基礎(chǔ)工程的承載能力和沉降控制能力的要求不斷提高，擠擴(kuò)灌注樁作為一種新型樁基礎(chǔ)在工程中逐漸被應(yīng)用。

沈保漢等[1]對(duì)多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁的基本原理、適用范圍做了較為詳細(xì)的描述。陳立宏等[2-3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)擠擴(kuò)樁的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，為擠擴(kuò)灌注樁的設(shè)計(jì)提供了參考。Shi等[4]推導(dǎo)了單向和雙向不同擠壓設(shè)備作用下兩種擠擴(kuò)支盤(pán)樁承力盤(pán)的不同受力特點(diǎn)和適用條件，并指出單向擠擴(kuò)樁適合于擠擴(kuò)樁，雙向擠擴(kuò)樁更適合于抗拔樁，并加深了對(duì)擠擴(kuò)支盤(pán)樁的結(jié)構(gòu)及其承載特性的分析。

近年來(lái)，擠擴(kuò)樁的發(fā)展及研究日趨成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)支盤(pán)樁的承載力能力進(jìn)行了研究分析，主要研究手段有有限元數(shù)值分析、室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由于支盤(pán)樁的盤(pán)周受力分析較為復(fù)雜，數(shù)值分析更能貼合實(shí)際進(jìn)行研究，王伊麗等[5]通過(guò)Flac3D數(shù)值分析了支盤(pán)位置、間距、數(shù)量和直徑對(duì)樁承載力的影響，確定了在3倍盤(pán)間距的間隔中應(yīng)設(shè)置不超過(guò)三個(gè)承力盤(pán)。張清林等[6]通過(guò)數(shù)值分析研究了擠擴(kuò)樁群樁的承載性狀，并指出群樁效應(yīng)隨著樁間距的減小而逐漸明顯，群樁間土體沉降的最大值發(fā)生在兩擴(kuò)盤(pán)中間位置處,且隨著樁間距的增大而減小。在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，錢(qián)春香等[7]運(yùn)用室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)方法是可靠有效的，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。王振波等[8]將擠擴(kuò)多支盤(pán)樁的上支盤(pán)做變截面處理，并做了一組改變變截面樁徑比的平行試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明，階梯型變截面擠擴(kuò)樁存在最優(yōu)變截面比，樁徑比在0.8～0.9附近時(shí)，變截面擠擴(kuò)樁的樁身側(cè)摩阻力比等截面樁發(fā)揮得更加充分。關(guān)于支盤(pán)樁的高承載力、低沉降的特征，劉干斌等[9]]推導(dǎo)建立了多級(jí)擴(kuò)徑樁承載力和沉降計(jì)算公式。李建東[10]，張德華[11]對(duì)大厚度黃土地基、強(qiáng)風(fēng)化巖層工作下的擠擴(kuò)樁的工作性能做了詳細(xì)的研究，以及對(duì)樁身各部分的承載能力也進(jìn)行了分析，分析表明單個(gè)承力盤(pán)在加載初期承擔(dān)樁頂荷載百分比達(dá)30%，由于承力盤(pán)的存在對(duì)承載力的提高、降低沉降、造價(jià)節(jié)約、縮短工期有明顯的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文采用室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)，研究了直孔樁、單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁在承載特性和沉降特性方面的差異，討論了雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的抗力構(gòu)成及各抗力分量在不同加載階段的變化規(guī)律，為雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供了參考。

1 模型試驗(yàn)方案

1.1 模型箱

模型箱需要滿足樁距箱底及側(cè)壁的距離，使模型箱的邊界條件不會(huì)對(duì)試驗(yàn)樁的受力及變形條件造成影響。為了實(shí)現(xiàn)埋樁過(guò)程的可視化，模型箱短邊側(cè)板使用有機(jī)玻璃制作，長(zhǎng)邊側(cè)板和底板則由鋼板制作，在模型箱的周邊使用鋼抱箍進(jìn)行加固。模型箱的凈空尺寸為：長(zhǎng)800 mm×寬600 mm×高580 mm，鋼板及有機(jī)玻璃板厚度均為5 mm。

1.2 加載裝置

室內(nèi)模型試驗(yàn)采用砝碼加載，本試驗(yàn)加載裝置采用杠桿原理設(shè)計(jì)制作。將加載梁一端用螺栓連接在支座上，另一端懸掛砝碼盤(pán)用于放置砝碼逐級(jí)加載，加載梁中部設(shè)置安裝螺桿并通過(guò)鋼球?qū)俄斒┘雍奢d，以保證荷載豎直作用于樁頂。

1.3 試驗(yàn)砂

模型試驗(yàn)選用河砂作為地基土。所用細(xì)砂全部過(guò)2.45 mm的方孔篩，填砂過(guò)程中使用振動(dòng)抹平機(jī)進(jìn)行振動(dòng)夯實(shí)，試驗(yàn)時(shí)細(xì)砂為密實(shí)狀態(tài)。

1.4 模型樁

本次試驗(yàn)以樁徑為1 500 mm、長(zhǎng)徑比為25∶1的工程樁為原型，采用幾何相似比CL=1∶75制作模型樁。模型樁使用6063鋁合金制作，樁長(zhǎng)L=550 mm、外徑d=20 mm、壁厚δ=3 mm，鋁管彈性模量E=63.1 GPa[12]。樁頂及樁底封底處選用同樣的樁身材料，以保證樁身的完整性。承力盤(pán)采用相同鋁材制作，承力盤(pán)的表面傾角為45°，盤(pán)徑D=50 mm。承力盤(pán)如圖1所示。

圖1 承力盤(pán)示意圖

1.5 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)采用設(shè)置于樁頂?shù)陌俜直頊y(cè)試樁體沉降，用布置在樁身上的6組應(yīng)變片測(cè)試樁的軸力，采用YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)過(guò)程中，所有的模型樁均采用預(yù)埋的方法進(jìn)行，用夾具固定模型樁保證樁身軸線垂直。地基土采用分層布置，每次填入高度為10 cm，直至達(dá)到模型預(yù)設(shè)高度，埋樁工作完成后靜置12 h進(jìn)行加載試驗(yàn)。

試驗(yàn)研究的直孔樁、單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁參數(shù)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)樁示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 盤(pán)數(shù)對(duì)樁基承載和沉降性能的影響

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的靜荷載作用下直孔樁、單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的荷載(q)-沉降(s)之間的關(guān)系如圖3所示，圖中，ZK表示直孔樁，DX1和DX2分別表示單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁。

圖3 試驗(yàn)樁q-s曲線圖

由圖3可知，從極限承載力的角度來(lái)看，直孔樁、單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的極限承載力分別為1.2、2.6、3.6 kN，擠擴(kuò)樁的極限承載力優(yōu)于等直徑直孔樁，特別是雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的極限承載力達(dá)到了直孔樁的3倍，顯然，承力盤(pán)的存在對(duì)提高樁基的極限承載力是十分有利的。實(shí)際上，直孔樁主要依靠樁身摩阻和樁底端阻提供承載力，其破壞的原因在于樁底端阻過(guò)大導(dǎo)致的樁底土體剪切破壞；而擠擴(kuò)樁則可利用樁身承力盤(pán)將部分外荷載傳遞到樁周土體中，其承載力由承力盤(pán)盤(pán)阻、樁身摩阻和樁底端阻三部分組成。擠擴(kuò)樁極限承載力的提高正是由盤(pán)阻的存在減小了端阻在承載力中的貢獻(xiàn)率而引起的，對(duì)單盤(pán)擠擴(kuò)樁，當(dāng)盤(pán)周土體和樁底土體均破壞時(shí)樁體達(dá)到極限承載狀態(tài)；而對(duì)雙盤(pán)擠擴(kuò)樁，上盤(pán)和下盤(pán)周邊土體與樁底土體均破壞時(shí)才能達(dá)到極限承載狀態(tài)。顯然，雙盤(pán)擠擴(kuò)樁對(duì)外荷載的分散性能更優(yōu)，由此導(dǎo)致其極限承載能力在三種試驗(yàn)樁中也最優(yōu)。

當(dāng)樁頂施加1 kN的靜力荷載時(shí)，直孔樁的沉降量為3.65 mm，而單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的沉降量分別為1.08 mm和0.50 mm，相比直孔樁減小了70%和86%，承力盤(pán)的存在有效改善了樁基的沉降性能。在外荷載較小時(shí)，三種試驗(yàn)樁的q-s曲線幾乎重合，此時(shí)沉降主要由樁底的土體壓密引起，隨著荷載的增加，三條曲線顯著分離，承力盤(pán)對(duì)荷載的分散作用逐漸體現(xiàn)，由此也引起了三種試驗(yàn)樁的沉降差異。

2.2 雙盤(pán)擠擴(kuò)樁承載特性分析

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中樁身應(yīng)變測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到的雙盤(pán)擠擴(kuò)樁承載力構(gòu)成與外荷載的關(guān)系如圖4所示。

圖4 雙盤(pán)擠擴(kuò)樁承載力的構(gòu)成

根據(jù)圖4，構(gòu)成雙盤(pán)擠擴(kuò)樁承載力的上盤(pán)盤(pán)阻、下盤(pán)盤(pán)阻、樁身摩阻和樁底端阻等阻力均隨外荷載的變化而變化。在外荷載較小時(shí)，樁端阻力對(duì)樁基支承力的貢獻(xiàn)率與其他三項(xiàng)阻力的總和接近，隨著外荷載的增大，樁身摩阻和樁底端阻在樁體總承載力中所占比重逐漸減小，而上盤(pán)和下盤(pán)的盤(pán)阻所占比重則逐漸增大。顯然，承力盤(pán)較好地提升了樁基的承載能力，且外荷載越大，承力盤(pán)對(duì)增強(qiáng)樁基承載力的貢獻(xiàn)更大。

同時(shí)，下盤(pán)盤(pán)阻總是高于上盤(pán)盤(pán)阻，這與承力盤(pán)處的樁體下沉量直接相關(guān)，由于下盤(pán)處的下沉量大于上盤(pán)處的下沉量，根據(jù)溫克爾彈性地基假定，地基沉降量與地基抗力成正比，上盤(pán)處的地基抗力大于下盤(pán)處的，因此盤(pán)阻也存在下盤(pán)大上盤(pán)小的特征。

3 結(jié) 論

1)擠擴(kuò)樁的極限承載力優(yōu)于直孔樁，雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的極限承載力為直孔樁的3倍，承力盤(pán)對(duì)提高樁基的極限承載力十分有利。

2)擠擴(kuò)樁的沉降變形量遠(yuǎn)小于直孔樁，1 kN的靜力荷載作用下試驗(yàn)得到的單盤(pán)擠擴(kuò)樁和雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的沉降量比直孔樁減小了70%和86%。

3)雙盤(pán)擠擴(kuò)樁的盤(pán)阻在樁基承載力中的占比隨荷載的增大而增大，且下盤(pán)盤(pán)阻大于上盤(pán)盤(pán)阻。

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