變截面樁承載特性的研究綜述

王金鳳 曹振華

變截面樁越來越多的應(yīng)用于工程實(shí)踐中,它一般具有以下特點(diǎn)[1,2]:1)單樁承載力高;2)抗拔性能較好,穩(wěn)定性強(qiáng);3)節(jié)約原材料,縮短工期,從而降低工程造價;4)施工設(shè)備易于改裝,工藝簡便。

1 變截面樁在樁基工程中的應(yīng)用

1.1 擠擴(kuò)支盤樁的研究現(xiàn)狀

有學(xué)者分別從現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬等方面對擠擴(kuò)支盤樁的樁身荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究。

錢德玲[3]由現(xiàn)場測試分析發(fā)現(xiàn),軸力分布曲線在支盤上下端位置發(fā)生了急劇的變化,軸力明顯降低,其耗損的軸力完全由支盤承擔(dān),并將其轉(zhuǎn)嫁到支盤底部的土層,從而使樁端阻力明顯降低。這是支盤樁承力的特性,也是支盤樁高承載力的原因所在。而支盤底部土體的擠密和“預(yù)壓”,為提高支盤承力起到了不可低估的作用。

楊志龍[5]和吳興龍(2000年)[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元分析,發(fā)現(xiàn)支盤的承載作用明顯、擠擴(kuò)支盤樁為摩擦多支點(diǎn)端承樁、支盤附近的樁側(cè)摩阻力有所下降等結(jié)論。

余建民等(2006年)[7]采用有限差分軟件FLAC3D模擬支盤樁的荷載傳遞特性和破壞機(jī)理。結(jié)果表明,支盤樁受力過程中,由于支盤上部與土體脫離,樁側(cè)阻力會出現(xiàn)負(fù)的摩阻力。推斷樁的破壞是上、下盤之間的土體發(fā)生剪切破壞所致。

有以下學(xué)者主要通過現(xiàn)場測試對擠擴(kuò)支盤樁的單樁承載特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

錢德玲(2001年)[3,4]認(rèn)為擠擴(kuò)支盤樁是利用支或盤將荷載逐一傳遞到不同深度、較好的土層,用分層承載的方法逐一卸荷,減小樁端荷載和沉降,同時使樁具有較好的穩(wěn)定性和較高的承載力。其研究結(jié)果表明,影響擠擴(kuò)支盤樁承載力的主要因素包括了主樁直徑、承力擴(kuò)大盤的高度、間距、位置及數(shù)量等。通過對大量實(shí)際工程的試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,并結(jié)合灌注樁基礎(chǔ)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,提出了支盤樁主樁身和承力盤直徑的取值方法、支盤樁承力盤的豎向間距取值范圍和群樁基礎(chǔ)中基樁的橫向合理間距。

高笑娟(2005年)[8]通過支盤樁的靜載荷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)承力盤位置與土層的性質(zhì)密切相關(guān),淺層承力盤先于深層發(fā)揮作用。第一個承力盤承擔(dān)的荷載最大,這說明了第一個支盤的設(shè)置位置尤其重要,較好土層的性質(zhì)以及較大的盤間距為第一個支盤的承載力發(fā)揮提供了必要的條件。將最靠近樁頂?shù)某辛ΡP設(shè)計(jì)為最大,下部承力盤直徑逐漸減小,既可以充分發(fā)揮各個承力盤的作用,又可以減小混凝土的用量,達(dá)到了降低工程造價的目的。

有學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)對擠擴(kuò)支盤樁的單樁破壞模式進(jìn)行了研究。

錢德玲(2003年)[4]基于現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,研究了支盤樁的受力特性和破壞性狀。在載荷試驗(yàn)前后分別做動測試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)成樁質(zhì)量良好的支盤樁,即使在達(dá)到極限荷載后,仍保持完好的樁形,因此推斷支盤樁的破壞不在于樁體本身或支盤的破損,而在于支盤下土體和樁端土體的破壞,即支盤樁的破壞是支盤下土體的剪切破壞和樁端土體的貫入破壞。錢永梅(2004年)通過對支盤樁的小比例尺模型試驗(yàn)也得到相似的結(jié)論。

1.2 擴(kuò)底樁的研究現(xiàn)狀

有學(xué)者分別從現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方面對擴(kuò)底樁的樁身荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究。

施峰、蔡來炳等(1999年)[9]基于11根有埋設(shè)測試元件的現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果,研究了軟土地區(qū)人工挖孔擴(kuò)底樁的荷載傳遞機(jī)理及側(cè)阻力、端阻力的變化規(guī)律;并統(tǒng)計(jì)和分析了300根人工挖孔樁的靜載試驗(yàn)資料,提出了承載力的計(jì)算方法和樁端常用土層的極限承載力取值范圍。

汪文彬,楊敏(2005年)[10]運(yùn)用彈塑性有限元分析了擴(kuò)底樁的荷載傳遞特性,指出擴(kuò)底樁的樁底荷載傳遞率與剛度比、長徑比、擴(kuò)底直徑、擴(kuò)底性狀以及荷載大小的關(guān)系;并通過對其樁底土的應(yīng)力分布特性的分析,認(rèn)為樁底土的豎向應(yīng)力收斂快,影響范圍小,且樁底土有效壓縮層薄。

侯超群(2004年)[11]對兩根試樁(一根直桿樁,一根擴(kuò)底樁)進(jìn)行了現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn),并提出了計(jì)算人工挖孔擴(kuò)底樁容許承載力的經(jīng)驗(yàn)公式,采用有限元方法分析了樁周土及樁底土層應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律,同時還研究了樁端土層的豎向壓應(yīng)力和樁側(cè)剪應(yīng)力分布特性以及擴(kuò)大端的臨空面對應(yīng)力的影響。

有以下學(xué)者主要通過現(xiàn)場測試對擴(kuò)底樁的單樁承載特性進(jìn)行了研究。

顧寶和,高廣運(yùn)等(2004年)[12]對大直徑擴(kuò)底樁進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究,其研究結(jié)果表明,大直徑擴(kuò)底樁的變形、破壞性狀不同于淺基礎(chǔ)及一般樁基礎(chǔ)。大直徑挖孔擴(kuò)底樁下的土體以豎向變形為主,伴隨有側(cè)向擠壓,無向上隆起;當(dāng)荷載較大時,擴(kuò)底端上方有一臨空面(由于土拱的作用和土的凝聚力而不致塌落),擴(kuò)底端底面外側(cè)有傘形拉裂縫,存在一拉應(yīng)力區(qū),接近擴(kuò)底端頭處裂縫較寬,越遠(yuǎn)越窄以至逐漸消失。

霍志芳(2002年)[13]通過大量試樁資料和有限元計(jì)算分析,給出了以強(qiáng)度理論和相對變形為控制標(biāo)準(zhǔn)的人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力計(jì)算公式,提出了擴(kuò)底樁地基變形模量的確定方法,并從Mindlin解出發(fā)利用數(shù)學(xué)方法得出了影響地基土變形模量的因素——泊松比,初步確定了比較完善的變形模量計(jì)算公式;并考慮了擴(kuò)底樁的“拱效應(yīng)”特點(diǎn)引入了有效樁長的概念,最后結(jié)合公路規(guī)范推出了比較實(shí)用的人工挖孔擴(kuò)底樁軸向承載力計(jì)算公式。

張志勇、陳曉平(2000年)[14]對均質(zhì)地基上擴(kuò)底樁單樁在不同荷載大小、不同樁土模量比、不同頭徑比的臨界樁長進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,得出擴(kuò)底樁單樁臨界樁長與樁土模量比和頭徑比有關(guān),但在容許承載力范圍內(nèi)與荷載大小無關(guān)的結(jié)論。

2 變截面樁在復(fù)合地基中的應(yīng)用

支盤樁和擴(kuò)底樁均屬于變截面剛性樁,研究方法多采用樁基理論,而關(guān)于變截面樁應(yīng)用于復(fù)合地基的研究報道得較少。

席培勝(2007年)[15]運(yùn)用能量守恒定律,分析了機(jī)械參數(shù)與單樁設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)和工程地質(zhì)參數(shù)之間的理論關(guān)系;通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)變截面水泥土攪拌樁的單樁承載力和復(fù)合地基承載力比相同樁長的雙攪樁和常規(guī)樁都要高,并提出單樁承載力主要是由:樁側(cè)摩阻力;擴(kuò)大頭端承力;樁端阻力三部分組成。并結(jié)合三種單樁破壞模式提出了單樁極限承載力計(jì)算公式,但是尚缺少理論驗(yàn)證。

張善,宋寧生等(2008年)[16]運(yùn)用FLAC3D對釘形樁單樁承載特性進(jìn)行了三維數(shù)值分析。其結(jié)果表明釘形樁較常規(guī)樁其單樁承載力有較大提高;在其他條件相同情況下,釘形樁的單樁極限承載力在一定范圍內(nèi)隨擴(kuò)大頭高度、擴(kuò)大頭直徑增加而增大;并認(rèn)為從承載力角度,釘形樁存在有效樁長。

易耀林,劉松玉(2008年)[17]運(yùn)用FLAC3D對釘形樁單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明:釘形攪拌樁樁身荷載主要集中在擴(kuò)大頭部分,且衰減較快,變截面處樁身軸力有較大衰減,擴(kuò)大頭樁側(cè)摩阻力較大,下部樁體側(cè)摩阻力較小;樁身變形集中在擴(kuò)大頭,樁間土變形則集中在變截面以下較短范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

變截面樁大多具有工程性能高、機(jī)械設(shè)備易改造、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn),越來越多的應(yīng)用在各種工程中,但是變截面樁多屬于新技術(shù),在理論和設(shè)計(jì)方面有待進(jìn)一步研究。

[1] 林天健.現(xiàn)代異形樁及其力學(xué)特點(diǎn)的理論評述[J].力學(xué)與實(shí)踐,1998,5(20):1-11.

[2] 宰金珉,宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

[3] 錢德玲.對擠擴(kuò)支盤樁破壞性狀的探討[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,24(5):955-958.

[4] 錢德玲.具有高抗拔性能的支盤樁在工程中的應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(4):678-682.

[5] 楊志龍.擠擴(kuò)支盤樁單樁豎向承載力研究[D].天津:天津大學(xué),2000.

[6] 吳興龍.DX單樁承載力設(shè)計(jì)分析[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(5):581-585.

[7] 余建民,萬林海,郭 鵬,等.擠擴(kuò)支盤樁承載特性的 FLAC3D模擬[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2006,27(4):78-81.

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[9] 施 峰,蔡來炳,柳 春.人工挖孔擴(kuò)底樁承載力試驗(yàn)研究[J].工程勘察,1999(2):21-25.

[10] 汪文彬,楊 敏.基于廣義協(xié)調(diào)變形的直樁彈塑性分析[J].巖土工程學(xué)報,2005,27(12):1442-1446.

[11] 侯超群.人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力試驗(yàn)研究[D].西安:長安大學(xué),2004.

[12] 高廣運(yùn),蔣建平,顧寶和.砂卵石層上大直徑擴(kuò)底短墩豎向承載性狀[J].巖土力學(xué),2004,25(3):359-362.

[13] 霍志芳.人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力的計(jì)算[D].西安:長安大學(xué)學(xué)位論文,2002.

[14] 張志勇,陳曉平.擴(kuò)底單樁臨界樁長的數(shù)值模擬[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,2000,33(3):36-38.

[15] 席培勝.變截面水泥土雙向攪拌樁技術(shù)及承載特性研究[D].南京:東南大學(xué),2007.

[16] 張 善,宋寧生,孫 鶴,等.釘形水泥土雙向攪拌樁單樁承載力特性的數(shù)值模擬研究[A].第十屆全國地基處理學(xué)術(shù)討論會論文集[C].2008:181-184.

[17] 易耀林,劉松玉.釘形攪拌樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)的三維數(shù)值模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報,2008(5):821-827.