不同土質中支盤樁基礎合理盤距和樁距研究

盧成原，黃瑜明

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

不同土質中支盤樁基礎合理盤距和樁距研究

盧成原，黃瑜明

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：設計兩組室內模型試驗來研究不同土質中支盤樁單樁的合理盤間距.對試驗結果分析得出：雙盤單樁的承載力隨盤距的增加有不同程度的增大，但并不呈線性增加；盤距的不同關系到盤體承載力的發揮，同時上下盤的發揮有較明顯的時間效應；樁周不同土質性狀影響著支盤樁單樁兩盤體的合理間距取值.支盤樁群樁隨樁距的增大，群樁效應逐漸減小，其承載力不斷增大，當達到一定樁距時可以近視忽略群樁效應的影響，群樁的承載力可取單樁承載力的疊加值，但該合理樁距在不同土質中是不同的。

關鍵詞：支盤樁；盤距；樁距；模型試驗

Research on the reasonable plate spacing and pile spacing

of branch pile foundation in different soils

LU Chengyuan, HUANG Yuming

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Two sets of indoor model tests were designed to study the reasonable plate spacing of a single branch pile in different soils. The test results showed that the bearing capacity of a single pile with double plates increases with the increase of the plate spacing in a nonlinear manner. The bearing capacity of plates is closely related to the plate spacing and exhibits an obvious time effect. The reasonable plate spacing of a single branch pile is dependent on the properties of soil. As the pile spacing increases, the pile group effect decreases gradually but the bearing capacity increases. When the pile spacing reaches a certain value, the pile group effect can be neglected and the bearing capacity is simply obtained by summing those of various single piles. The reasonable pile spacing is also dependent on the properties of soil。

Keywords:branch pile; plate spacing; pile spacing; model test

因現場試驗研究能較準確地反映出支盤樁真實的工作性狀，試驗數據可信度較高，所以支盤樁的研究報道以工程現場試驗占多數[1-5].但是由于現場試驗研究成本高，而且不能進行多次試驗，工作條件環境差等原因，難以使現場試驗系統化，得不出具有規律性的結論.而進行室內模型試驗成本低，環境條件好，可以針對支盤樁不同的研究參數設計足量的相關試驗，得到具有可比性的試驗數據，經分析可得出一些規律性的結論.因此室內模型試驗研究對于現場試驗是一種較好的補充研究方法[6-11]。

1試驗概況

本次試驗目的主要是研究在不同土質、不同盤間距、不同樁距的條件下，支盤樁(單樁和群樁)在荷載作用下的承載特性、沉降變化特點，得出支盤樁在不同土質中合理盤間距和群樁的合理樁距。

試驗分別在粉土和砂土兩種均勻土層中進行，試驗用模型箱尺寸為120 cm(長)×60 cm(寬)×85 cm(高)，模型支盤樁采用鋁合金制作，樁身直徑d=18 mm，管壁厚為s=1.5 mm，樁長L=650 mm，盤體材料選用定做鐵質圓盤，直徑D=60 mm.單樁盤體及應變片設置如圖1所示，第二個承力盤設置位置不變，第一個承力盤距離第二個承力盤的距離分別為2.0D，2.5D，3D，3.5D，兩樁群樁的樁距布置如圖2所示。

圖1　單樁盤間距布置圖Fig.1　Single pile spacing arrangement

圖2　群樁樁距布置圖Fig.2　Group of pile spacing arrangement

1.1土體材料

本次室內模型試驗采用的粉土和砂土的各項參數見表1。

1.2試驗分組

本次試驗包括四組試驗，通過試驗數據對比分析來研究支盤樁基礎在不同土質中的合理盤距和樁距。

表1　模型試驗用土試驗參數

第一組試驗：將如圖1所示不同盤間距的單樁分別埋入模型試驗箱中，裝入砂土，在樁頂安裝百分表用以測讀樁頂沉降.埋置好模型樁和土樣后在砂土上預加砝碼用以促進土樣的重塑，經一段時間的靜置穩定后再分級施加豎向荷載進行加載試驗.每級加載穩定后測讀樁、土相關數據，供后續的分析研究。

第二組試驗：將第一組試驗箱中砂土換成粉土，其它步驟同第一組試驗。

第三組試驗：將圖2所示三種不同樁距的群樁一次性埋入試驗箱中，裝入砂土.加載方式與單樁一樣，測讀樁、土相關數據，供后續的分析研究。

第四組試驗：將第三組試驗箱中砂土換成粉土，其它步驟同第三組試驗。

2試驗結果及對比分析

2.1支盤樁不同盤間距的對比分析

通過第一、二組試驗采集的數據，繪制相關的Q—S曲線、樁身軸力變化曲線進行分析，研究支盤樁單樁在砂土和粉土中的各自合理盤距。

2.1.1位移與荷載對比分析

支盤樁的盤間距分別為2D，2.5D，3D，3.5D(D為盤距)對應的Q—S曲線如圖3，4所示。

圖3　砂土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線Fig.3　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in sandy

圖4　粉土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線Fig.4　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in silt

通過對圖3砂土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線的分析，按照實際工程中以沉降來確定樁承載力的方法，假定以沉降5 mm為本次試驗樁的承載力控制標準，則2D,2.5D,3D,3.5D盤距時對應的支盤樁承載力分別約為296.8,327.8,343.7,340.9 N.當支盤樁的盤間距為2D時，因為上盤埋置最深，覆土厚度最大，故在加載初期該部分土體對樁身的摩擦作用更大，其沉降變形比其他盤距的要稍小些.但沉降達5 mm時對應的承載力卻最小，這是由于支盤樁后期的承載力主要由盤提供，2D盤距較小，上盤底受到的壓力不能很好地向周圍擴散，會導致盤與盤之間的土體被提前剪切破壞，上盤承載力大大減小，支盤樁承載力主要由下盤提供。

當支盤樁的盤間距從2D增大到3D時，其承載力呈增加的趨勢，這是由于隨著盤間距的增大，前述導致上盤承載力減小的現象減弱，支盤樁能較充分的發揮上盤的承載力，其總承載力增加.而3D到3.5D盤間距時的承載力反而減少了2.8 N，這是因為盤間距的進一步增大，支盤樁上下盤體承載力的發揮時間不同步性更加明顯，使得支盤樁的承載力總量減小，這種上下盤體發揮不同步現象即所謂的“時間效應”。

當盤間距為3D時，支盤樁的承載力為343.7 N取得最大，這表明此時的支盤樁上下盤體承載力發揮最為充分，即上下盤的承載力既能得以充分發揮又在發揮時間上沒有明顯時間差，因此可以說此時的盤間距設計是最為合理的.由此，根據本次試驗可以得出在砂土中以5 mm沉降為控制標準時，3D盤間距的支盤樁可以提供最大的承載力，即支盤樁在砂土中提供最大承載力的最合理盤間距為3D盤間距。

由圖4粉土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線可以看出：支盤樁的盤間距從2D增大到3.5D，其承載力變化一直呈增加趨勢，隨著盤間距的增大，支盤樁能較充分的發揮上下盤的承載力，其總承載力增加.控制沉降5 mm為標準時，2D~3.5D盤間距對應的承載力大小分別為248.1,270.3,277.8,280.9 N，則每增加0.5D盤間距時，承載力的增加值分別為22.2,7.5,4.1 N.由此可以看出，2D~2.5D盤間距時承載力遞增的速率最快，2.5D~3D和3D~3.5D盤間距時上下盤體基本都充分發揮了，故其承載力遞增很小.綜合考慮試驗條件等因素的影響，可以認為在粉土中盤間距為2.5D時，支盤樁的上下盤體充分發揮了承載力，即支盤樁在粉土中最合理盤間距為2.5D盤間距。

根據以上試驗結果可知:多盤支盤樁的合理盤間距會因樁周土體性質的不同而不同。

2.1.2樁身軸力對比分析

根據試驗數據計算樁身各測點軸力平均值，繪制砂土中各級荷載作用下的軸力圖，如圖5~8所示。

圖5　2D盤距樁身軸力曲線Fig.5　The curve of axial force of pile body in 2D plate spacing

圖6　2.5D盤距樁身軸力曲線Fig.6　The curve of axial force of pile body in 2.5D plate spacing

圖7　3D盤距樁身軸力曲線Fig.7　The curve of axial force of pile body in 3D plate spacing

圖8　3.5D盤距樁身軸力曲線Fig.8　The curve of axial force of pile body in 3.5D plate spacing

通過圖5~8可以看出：樁身軸力由測點1到測點6呈遞增趨勢，即樁身軸力沿著樁身由下而上逐漸變大，但不成線性關系變化，測點1，2之間軸力變化都較快，這是因為不同盤間距支盤樁都在測點1、2之間設置了下盤的關系，盤的存在改變了樁土之間的荷載傳遞規律.圖5、6中測點2、3之間和圖7、8中測點3、4之間的軸力變化最快是因為設置了上盤體的關系.由圖5，6中測點3，4，5對應的曲線圖可以看出：樁身軸力在上盤以上等直徑樁身的變化較小，且基本上是線性的.由圖7及相關試驗數據知：當施加荷載300 N時，支盤樁上盤承擔153.2 N，下盤承擔97.3 N，上下盤承擔的荷載分別占了總荷載的51.1%，32.4%，由此可以看出支盤樁上盤承擔的荷載要比下盤承擔的大.引起這種不同的原因是多盤支盤樁的盤體承載力發揮有其先后順序，在樁頂荷載作用下上盤先發揮其承載力，當荷載增大到一定值后，即樁底附近產生足夠大的豎向位移后，設在樁底附近的下盤和樁端才發揮其應有的承載力.顯然，由于上下盤承載力發揮的時間效應，上盤和下盤一般很難同時發揮各自的最大承載力，因此在計算支盤樁承載力時不能將兩盤的最大承載力進行簡單疊加。

2.2支盤樁不同樁距群樁的對比分析

通過第三、四組試驗采集的數據研究支盤樁的樁距不同對其承載力的影響，兩組試驗得到的Q—S曲線如圖9，10所示。

圖9　砂土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線Fig.9　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in sandy

圖10　粉土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線Fig.10　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in silt

通過圖9，10可以看出：在砂土和粉土中，隨著樁距從2D增大到3D，支盤樁的承載力逐漸變大.由圖9可以知道：當以沉降量5 mm為控制標準，則樁距為2D，2.5D，3D時對應的支盤樁雙樁群樁的承載力分別為628.9，677.3，685.8 N，每增加0.5D樁距時，支盤樁雙樁的承載力增幅分別為48.4，8.5 N，即隨著樁距的增大，群樁效應減弱，支盤樁雙樁群樁的承載力增加。

因本次試驗群樁各單樁上下盤的盤間距都按照3.5D設置，由圖3砂土中支盤樁Q—S曲線知道單樁盤間距3.5D時最大承載力為340.9 N.因此群樁中當樁距為2D時的承載力都小于兩根單樁承載力之和(即681.8 N)，產生這種現象的原因是當樁距較小時群樁效應對群樁承載力的影響所致.當樁距為2.5D時支盤樁雙樁群樁的承載力已經很接近于兩根單樁承載力之和.當樁距為3D時雙樁群樁的承載力685.8 N要稍大于兩根單樁承載力的疊加值681.8 N，出現這種結果的原因可能是存在一定的試驗誤差所致.綜合考慮試驗誤差和環境條件等，可以認為在砂土中支盤樁雙樁群樁樁距為2.5D時，其群樁效應對承載力的影響很小可以忽略不計，即就本次試驗支盤樁雙樁群樁在砂土中的合理樁距應取為2.5D以上。

由圖10粉土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線可以看出：當支盤樁沉降為5 mm時，2D,2.5D,3D樁距對應的承載力分別為490.9,547.3,564.8 N，則每增加0.5D樁間距時，承載力的增加值分別為56.4,17.5 N.根據粉土中兩根盤間距3.5D單樁的承載力之和為567.8 N可以知道：樁距為2D，2.5D時雙樁的承載力都比567.8 N小比較多，說明此時群樁效應對群樁的影響較大.而樁距為3D時雙樁群樁的承載力564.8 N與567.8 N已經很接近了，此時可認為群樁效應對雙樁群樁承載力的影響很小，可以忽略群樁效應的作用.綜合考慮試驗條件等因素的影響，可以認為本試驗得到粉土中支盤樁雙樁群樁的合理樁距應大于3D。

從以上分析可以知道：根據本次試驗結果，支盤樁群樁在砂土中的合理樁距為2.5D，在粉土中為3D，這是因為砂土的壓縮模量大，黏聚力小，盤底應力擴散范圍要小與粉土，群樁效應的影響范圍相對較小.由此可以得出：支盤樁群樁不必考慮群樁效應的合理樁距距會因樁周土體性質的不同而不同，在粉土中合理樁距要大于在砂土中的合理樁距。

3結論

通過四組室內模型試驗，對不同土體中的多盤支盤樁的合理盤間距和雙樁支盤樁群樁的合理樁距進行了研究，結果表明：多支盤樁的盤間距不同對其承載力有較大的影響.當盤間距較小時上盤的承載力不能充分發揮，而在盤間距太大時上下盤的承載力發揮的“時間效應”明顯，導致其承載力不同步發揮，這兩種情況都會降低多盤樁的承載力，因此多盤樁存在一個合理盤間距，可以使其承載力達到最大，充分發揮多支盤樁的承載效率；多支盤樁在不同土體中的合理盤距是不同的.根據本次雙盤支盤樁的試驗結果，在砂土中該合理盤間距為3D，而在粉土中為2.5D，這種差異主要取決于盤底土體應力的傳遞途徑；支盤樁群樁隨著樁距的增加其群樁效應減小，但在不同土體中樁距對群樁效應的影響是不同的.在本次試驗中，支盤樁雙樁群樁在砂土中的樁距為2.5D時群樁效應可以忽略，而在粉土中樁距為3D時群樁效應可以忽略.因此砂土中雙樁群樁的合理樁距應大于2.5D，粉土中應大于3D.這種區別主要是盤底土體應力的擴散范圍不同造成的；支盤樁盤底土體應力狀態由于土體性質的不同會有明顯差異，這種差異也改變了支盤樁的荷載傳遞規律，決定了支盤樁的承載性狀，因此支盤樁設計要“因土而異”，保證其承載力發揮達到最有效狀態。

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(責任編輯：陳石平)

中圖分類號：TU473.1

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)02-0232-05

作者簡介：盧成原(1964—)，男，浙江東陽人，教授，主要從事土木工程的研究和教學工作，E-mail:zgdlucy@sina.com。

基金項目：浙江省自然科學基金資助項目(Y1080440)

收稿日期：2014-11-20