自鎖型懸臂樁承載性能研究

張小凱 朱玉霖

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

自鎖型懸臂樁承載性能研究

張小凱 朱玉霖

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

對懸臂單樁與自鎖型懸臂樁進行了室內模型試驗，測試了試驗過程中樁身的位移、應變及樁前土壓力，通過對試驗結果的分析，得到了兩類樁樁前土的破壞過程、樁的變形及樁前土壓力的變化規律，指出自鎖樁較單樁的水平承載性能有明顯優勢。

自鎖型懸臂樁，懸臂單樁，模型試驗，承載力

0 引言

懸臂樁主要靠嵌固段來承受樁后推力，提高其承載力一般通過增加嵌固段長度、改變懸臂樁的受力結構形式及改善樁周土的強度等來實現。如李凱玲的錨索抗滑樁、肖世國的椅式抗滑樁、周翠英的門架式雙排式抗滑樁、劉新榮與歐朋喜的h型抗滑樁[1-3]。這些不同類型的樁從不同受力角度闡述了相對于單樁的優點。

目前，模型試驗作為研究巖土體與抗滑樁相互作用的主要手段，許多學者利用模型試驗進行了一定的研究，均取得了重要的研究成果。由于巖土體參數的不確定性，試驗條件的局限性以及其他因素，使得許多試驗雖然提供了一些有用的研究成果[4-8]，但沒有很好地應用于現場工程。

本文利用砝碼加載法對普通懸臂樁、自鎖型懸臂樁的水平受荷模型進行逐級加載(見圖1)，并最終使樁前土體發生失穩破壞。通過對試驗過程中樁身的位移、應變及樁前土壓力進行監測，得到兩類樁樁前土的破壞過程、樁的變形及應變，以及樁前土壓力的分布及變化規律，比較兩類樁的承載能力，為抗滑樁的設計理論方法提供試驗基礎，從而改善沖洪積層不易機械施工而采用人工挖孔樁的狀況，服務于工程實際。

1 自鎖型懸臂樁水平承載力試驗

1.1 試驗準備

模型試驗在3.0 m×0.62 m×0.7 m(長×寬×高)的模型箱內進行，模型由角鋼和塑料板制作而成。用細砂∶粉石砂=3∶1攪拌均勻來模擬沖洪積層，標重10 kg的砝碼逐級加載，通過滑輪由豎向力轉變為水平力，中間連接量力計可標定力的實際大小，減小誤差。

本次實驗共埋設2根模型樁(單樁、自鎖型樁)，樁體采用合金鋼，橫截面尺寸為20 mm×80 mm，樁長為1.2 m，其中懸臂段0.6 m，嵌固段0.6 m，具體試驗模型見圖2，圖3。

1.2 測試設備

為了獲得樁體與周圍土體相互作用壓力的變化和樁體內力的變化，在模型樁樁前布設一定數量的土壓力盒，選用丹陽市龍宇土木工程儀器廠的電阻式微型土壓力盒。樁后與土壓力盒對應的位置布設應變片，由江蘇泰斯特電子設備制造有限公司的TST3830動靜態應變測試分析系統采集數據，樁頂和樁間利用便攜式位移計收集數據。

1.3 試驗方法

首先對已貼好應變片的模型樁進行三點彎曲試驗，通過應力—應變曲線及M=Wz×E×ε得到模型樁的彈性模量E=210 GPa。

試驗采用砝碼加載，荷載為水平集中荷載。試驗通過人工加載，設計分為100 N，200 N,300 N,400 N,500 N,600 N共6級荷載，數據采集間隔為30 s，在每級荷載維荷1 h后，再施加下一級荷載。如果在加載過程中，樁體被拔出或樁頂位移大于25 mm就認為發生破壞，則停止加載，試驗結束。

2 試驗結果分析

2.1 試驗現象

從觀察記錄看，當加載量為200 N時，單樁樁身與樁后土體有明顯的分離現象(約2 mm)；加載量為300 N時，自鎖樁才有此現象。

樁前土的開裂現象，單樁樁前土的開裂裂縫在與樁邊緣約成45°的扇形區域內，自鎖樁樁前土的開裂裂縫在與樁邊緣約成75°的扇形區域內，可見，自鎖樁能更多的調動樁前土來承受更大的水平荷載，同等級的水平荷載自鎖樁的樁前土開裂裂縫小于單樁的。

樁身變形情況，同等級水平受荷時，單樁自由段彎曲程度明顯大于自鎖樁。由樁頂位移和壓腳處位移曲線可知，加載量為600 N時，單樁樁頂位移大于20 mm，樁前土基本破壞，并且隨著加載級數的增加，單樁位移的增速大于自鎖樁。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 位移分析

試驗中布設了4個位移計(見圖2，圖3)，分別來監測樁頂的水平位移和自由段與嵌固段交界面處的位移。單樁和自鎖樁的4個位移計隨時間變化情況見圖4，圖5。

根據樁頂及壓腳處的位移曲線可知，在試驗前期加載量為0 N～300 N時，樁頂位移變化較小，最大位移約8 mm；而在試驗后期，加載量為400 N～600 N時，位移的變化量增加較大，平均增加量為2 mm，且單樁位移增速大于自鎖樁。

壓腳處位移變化速率和增速都小于樁頂位移，且單樁位移明顯小于自鎖樁位移，可見，自鎖樁有更好的水平承載力。

2.2.2 土壓力分析

試驗中，對土壓力盒測得的頻率值，換算得到土壓力值，圖6,圖7分別為單樁、自鎖樁樁前土壓力變化曲線。

由圖6，圖7可知，兩類樁都有如下規律：樁的1/3，1/2嵌固段處土壓力較大，是承受水平荷載的主要位置，且1/2嵌固段處土壓力總體大于1/3嵌固段處；嵌固段底端基本不受力；樁身各部分承受土體壓力的都隨著加載量的增加而增加。

不同之處在于同級數的荷載下自鎖樁的承受力均大于單樁相同部位，且隨著加載量的增加，自鎖樁的受力中心相對于單樁有較大上移，更集中于1/3嵌固段處。

所以，提高樁身嵌固段1/3處～1/2處的剛度和強度很有必要；自鎖樁的承載性能明顯優于單樁；由于自鎖樁的受力中心上移，可以考慮縮短自鎖樁的嵌固段長度，從而不僅可以節省材料,還可以達到理想的工程使用性能。

2.2.3 樁身應變分析

在試驗過程中，對采集到的樁后背上布設的應變片的應變值進行轉換，得到應變測試曲線見圖8，圖9。

在加載過程中，單樁的最大微應變為820，而自鎖樁的最大微應變為550，且同等級荷載下自鎖樁樁身應變均大于單樁。

在各級荷載變化處，單樁的應變曲線斜率大于自鎖樁，這就說明單樁會隨著加載量的增加，其抵抗樁前土壓力的韌性不如自鎖樁好，在工程實踐中可能發生樁的突然破壞。

兩種樁的樁身應變曲線變化也剛好吻合于樁前土壓力曲線變化，可以更好的佐證自鎖樁水平承載性能優于單樁。

3 破壞模式分析

在樁前土的表面用篩子撒上一層極薄的石膏粉，便于觀察樁前土的破壞形式以及裂縫開展情況，如圖10，圖11所示。

單樁樁前土表面破壞時先由較多裂隙產生，隨著加載量的增加，裂隙發育，最后表現出許多小裂隙伴隨著幾條較大的裂縫；最邊緣的裂縫與樁的邊緣約成45°夾角。

而自鎖樁由于壓腳的存在，開始時并沒有太多小裂隙，隨著加載量的增加，在壓腳的前邊緣和后邊緣各有1條明顯的裂縫與樁邊緣約成75°夾角，且自鎖樁的裂縫延伸長度稍大于單樁，樁后土與樁身之間的分離距離剛好吻合于位移計測到的數據。可見，自鎖樁承受水平荷載時其能調動更大范圍的樁前土共同參與受力，因此自鎖樁較單樁的水平承載性能有明顯優勢。

4 結語

1)由單樁、自鎖樁的應變曲線和樁前土壓力曲線可知：懸臂樁的水平承載受力主要部位集中在1/3嵌固段處。

2)自鎖樁在承受水平荷載時，相比于單樁能更多的調動樁前土來參與共同作用，承受更大的水平荷載。

3)自鎖樁樁身受力中心隨著荷載的增加會發生上移，嵌固段末端基本不參與受力，可以截去，進而節省施工材料。

4)從樁身變形、樁前土壓力分布、壓腳處位移和樁頂位移三個方面綜合分析得到：沖洪積層中的自鎖樁水平承載性能優于單獨懸臂樁。

[1] 李凱玲，門玉明.錨桿抗滑樁與巖土體相互作用研究[J].水文地質工程學報，2006，33(1)：20-22.

[2] 肖世國.邊(滑)坡治理中h型組合抗滑樁的分析方法及工程應用[J].巖土力學，2010，31(7)：2146-2151.

[3] 周翠英，劉祚秋，尚 偉，等.門架式雙排抗滑樁設計計算新模式[J].巖土力學，2005，26(3)：441-449.

[4] 閆金凱，殷躍平，門玉明.微型樁單樁加固滑坡體的模型試驗研究[J].工程地質學報，2009，17(5)：669-674.

[5] 李尋昌，門玉明，何光宇.錨桿抗滑樁樁側地層抗力分布模式的試驗研究[J].巖土力學，2009，30(9)：2655-2659.

[6] 李尋昌，門玉明，王娟娟.錨桿抗滑樁體系的群樁、群錨效應研究現狀分析[J].公路交通科技，2005，22(9)：52-55.

[7] Li Xunchang，Men Yuming. Anchoring depth research of anti-slide piles of anchor bar in soil[J]. Earth Science Frontiers，2009(16)：182.

[8] 門玉明，鄧軍濤，李金湘.錨索抗滑樁設計中幾個問題的探討[J].公路交通科技，2005，22(6)：52-54.

Bearing performance research of self-locking type cantilever pile

Zhang Xiaokai Zhu Yulin

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454000,China)

The paper carries out indoor model test of single cantilever pile and self-locking cantilever pile,and tests pile displacement,stress and pile soil pressure. Through comparing experimental results,it achieves changing law of two kinds of pile soil damage process,pile deformation and pile soil pressure,and points out that:self-locking cantilever pile has better bearing performance than that of single cantilever pile.

self-locking cantilever pile,single cantilever pile,model test,bearing capacity

2015-10-12

張小凱(1990- )，男，在讀碩士；朱玉霖(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)36-0049-03

TU473.11 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A