不同形狀盤體組合對支盤樁承載性狀影響研究

盧成原，壽亞鋒，琚蕊雄，王 東

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

不同形狀盤體組合對支盤樁承載性狀影響研究

盧成原，壽亞鋒，琚蕊雄，王 東

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

設(shè)計(jì)了四組雙盤支盤樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，以研究不同土層中不同形狀盤體組合對樁承載性能的影響.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：支盤樁的盤體直徑相同而盤底傾角不同時(shí)其承載力是不同的，多盤支盤樁設(shè)在不同土體中的盤體其盤底傾角存在最優(yōu)角度組合，越接近最優(yōu)角度組合，各盤體底部土體壓力差越小，樁周土的壓力分布越均勻，也越能充分發(fā)揮樁周土的承載性能，多盤支盤樁的承載力也越高.因此在多支盤樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視設(shè)置在不同土體中各盤的形狀變化對承載性能的影響，盡可能采用最優(yōu)的不同形狀盤體組合，以發(fā)揮支盤樁的最佳承載性能.

支盤樁；模型試驗(yàn)；不同形狀盤體組合；承載性能

支盤樁在主樁周圍設(shè)置分支和承力盤，將樁身所受的力傳遞給周圍更大范圍的土體，從而增加樁的端阻力和樁周摩擦力.目前有關(guān)支盤樁的研究工作主要是根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，探討支盤樁的荷載傳遞機(jī)理、豎向與橫向承載性能、承載力影響因素以及支盤樁的承載性狀與普通等直徑樁的異同等[1-5]；也有研究盤體直徑、盤數(shù)與盤間距變化以及盤體所處土體不同等對承載力的影響[6-8]；國外也有研究其他變直徑樁變徑部分間距變化對承載力的影響[9].目前國內(nèi)對支盤樁的研究已形成初步的理論，但這些研究工作一般都沒有涉及不同形狀盤體的組合.根據(jù)支盤樁的荷載主要通過盤底擴(kuò)散到土體的荷載傳遞機(jī)理，其單樁承載力與盤體的形狀(即盤底傾角)是密切相關(guān)的，在不同性質(zhì)的土層中應(yīng)有最適合其承載力發(fā)揮的盤體形態(tài)，但目前幾乎沒有人做過同類研究工作.本次試驗(yàn)將采用上、下分別設(shè)置不同形狀盤體(即盤底傾角不同的盤體)的雙盤模型支盤樁，在砂土與粉土的復(fù)合土層中進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同形狀盤體組合對于支盤樁單樁承載力的影響.

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆队射X合金管和金屬盤體組合成.樁長650 mm，樁徑d=32 mm，管壁厚2 mm，盤直徑D=3d=96 mm，用螺栓將盤體與樁身進(jìn)行固定.圖1為模型樁樁身示意圖(以盤底傾角30°為例).試驗(yàn)加載采用簡單的杠桿分級(jí)加載方式，加載設(shè)備由加載托盤和砝碼組成.試驗(yàn)所用模型箱尺寸：1 200 mm×600 mm×850 mm.

圖1 樁身尺寸示意圖Fig.1 Diagram of pile size

本試驗(yàn)介質(zhì)選用粉土和砂土.按設(shè)計(jì)高度分別將兩種土體均勻分層裝填夯實(shí)，盡量保持土體密實(shí)度的一致性.試驗(yàn)完成后測得的土工參數(shù)如表1所示.

表1 砂土和粉土土工試驗(yàn)參數(shù)

量測元件的布置如圖2所示，每根樁共貼5對應(yīng)變片，從樁頂依次編號(hào)1，2，3，4，5，以測得樁身應(yīng)變；并分別在盤底、盤頂和樁底位置設(shè)置土壓力盒，A～D號(hào)壓力盒上、下離盤中心分別約40 mm，左右離樁邊緣約40 mm，E號(hào)壓力盒離樁底約40 mm，以測得樁周土壓力；在樁頂兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)位移百分表，用取平均值的方法來采集樁頂沉降數(shù)據(jù).

圖2 量測元件布置示意圖Fig.2 Layout of measuring elements

試驗(yàn)分組情況如表2所示，各試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆独ㄌ?hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)分別代表上、下盤的盤底傾角，如(30°，20°)表示上盤底傾角為30°，下盤底傾角為20°，以此類推.

表2 模型樁試驗(yàn)分組

2 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

2.1 不同盤體組合雙盤支盤樁的承載性能比較

通過四組試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)的Q—S曲線、樁身軸力變化曲線與樁周土壓力變化曲線并進(jìn)行分析，研究不同形狀盤體組合對支盤樁承載性狀的影響.

2.1.1 等直徑樁和雙盤的支盤樁的承載力比較

由試驗(yàn)百分表所得數(shù)據(jù)，繪制等直徑樁和11號(hào)支盤樁的Q—S曲線，如圖3所示.

通過對圖3中等直徑樁和11號(hào)支盤樁的Q—S

曲線進(jìn)行對比分析，取豎向總沉降量達(dá)5 mm的荷載值為豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，等直徑樁的標(biāo)準(zhǔn)值約為335 N，而11號(hào)支盤樁的標(biāo)準(zhǔn)值約為2 351 N.可以看出：上盤底傾角為30°，下盤底傾角為45°的支盤樁的承載力約為等直徑樁的7.02倍.這是由于支盤的存在擴(kuò)大了樁的端承載面積，改變了荷載的傳力路徑，使原先只提供側(cè)摩阻力的樁周土體向主要提供端承力轉(zhuǎn)變(即由端承摩擦樁變成了摩擦端承樁)，荷載按扇形面向外擴(kuò)散，增大了周圍土體的承載范圍，減小了土體的應(yīng)力值，也減小了樁端刺入土體產(chǎn)生剪切破壞的可能性，從而大大提高了樁的承載力.

2.1.2 下盤底傾角相同上盤底傾角不同時(shí)的支盤樁承載力變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的各試驗(yàn)樁Q—S曲線，如圖4所示.

(a) 2號(hào)至5號(hào)樁

(b) 6號(hào)至9號(hào)樁

(d) 14號(hào)至17號(hào)樁

通過圖4分析可知：在下盤底傾角不變的情況下，處于砂土中的上盤底的傾斜角度為30°時(shí)，支盤樁的沉降量最小，這說明在試驗(yàn)參數(shù)的砂土中盤底傾角為30°時(shí)其承載性能最好.隨著荷載的增大，Q—S曲線的變化曲率不斷增大，直到破壞.以豎向位移為5 mm時(shí)的豎向荷載為例，荷載實(shí)測值如表3所示.

在表3中，第一組支盤樁的下盤盤底傾角都是20°，其中上盤盤底傾角為30°的3號(hào)樁所受的豎向荷載值是該組中最大的，并且上盤盤底傾角值與30°相差越大的支盤樁所受的豎向荷載值越小.

表3 位移值為5 mm時(shí)的豎向荷載值

依次固定上盤傾角為20°，30°，45°，60°，分析對比表3中數(shù)據(jù)可知：上盤盤底傾角固定時(shí)，當(dāng)下盤盤底傾角為45°時(shí)樁能承受的豎向荷載值是最大的，并且下盤盤底傾角值與45°相差越大的支盤樁能承受的豎向荷載值越小.由此，可以得出在粉土中盤底傾角為45°時(shí)，支盤樁的承載性能是最好的.

通過對表3的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)11號(hào)樁上、下盤體組合為最優(yōu)盤體組合(上盤盤底傾角30°，下盤盤底傾角45°)，其承載力是所有實(shí)驗(yàn)支盤樁中最大的.支盤樁的盤體角度組合值越是接近最優(yōu)盤體組合，支盤樁所受的豎向荷載值就越大，反之越小.

所以，在不同土體中多盤樁要得到最佳承載性能，各盤的盤底傾角應(yīng)該不同.原因可由圖5來分析.盤體的承載力N是由盤底壓力N1和剪力N2豎向分量所提供的，如圖5(a)所示.由于盤底與土體的摩擦剪力很小，因此盤的承載力主要是由N1的豎向分量提供，因此要得到較大的承載力N，盤底傾角理論上應(yīng)該小一些，如圖5(b～d)所示.砂土由于其壓縮模量大，在較小的壓縮變形即可提供較大的承載力，但適當(dāng)?shù)谋P底傾角有利于土壓力的橫向擴(kuò)散，因此本試驗(yàn)得到盤底傾角30°最佳.而粉土的壓縮模量比砂土小得多，如果盤底傾角太小則受壓縮的土體范圍小，土體壓力太大會(huì)導(dǎo)致壓縮變形太大而減小承載力，適當(dāng)增大盤底傾角可以使土壓力擴(kuò)散到更大范圍從而減小盤底土壓力，充分利用樁周土體的承載力，因此本試驗(yàn)粉土中的盤底傾角比砂土中要大一些(即α=45°)其承載力更好.

圖5 盤的承載機(jī)理Fig.5 Load-bearing mechanism of the disk

2.2 樁身軸力對比分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到300 N荷載狀態(tài)下等直徑樁樁身軸力沿樁身深度變化曲線和1 500 N荷載作用下各組試驗(yàn)樁樁身軸力沿樁身的變化曲線，如圖6所示.

圖6 等直徑樁與各支盤樁的樁身軸力變化圖Fig.6 Diagram of pile axial force

從圖6中可以看到：等直徑樁樁身的軸力沿著深度幾乎線性減小，但減小量很小，說明樁側(cè)摩擦阻力對承載力貢獻(xiàn)很小，承載力主要由樁端提供.對支盤樁，樁身應(yīng)變測點(diǎn)2到樁身應(yīng)變測點(diǎn)4這一段為上下盤之間的等直徑部分，其軸力變化類似等直徑樁；而在樁身應(yīng)變測點(diǎn)1～2和4～5之間樁身軸力發(fā)生了突變，這說明了盤在受力的過程中改變了等直徑樁的力的擴(kuò)散路徑，使上下兩盤承擔(dān)的荷載比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)摩阻力和樁端阻力的比重.

2.3 樁周土壓力對比分析

根據(jù)樁周土壓力盒測得的讀數(shù)，得到的部分支盤樁不同盤底傾角組合下的土壓力變化曲線如圖7所示.

通過對圖7各土壓力變化曲線分析，可以得到如下規(guī)律：

1) 在初始加載時(shí)盤底土壓力和樁端土壓力曲線的變化率較大，隨著荷載的增加，盤底土壓力和樁端土壓力曲線增加的趨勢比較均勻.同時(shí)在本次試驗(yàn)中，樁端土壓力均比盤底土壓力大，一方面是由于樁端荷載擴(kuò)散區(qū)域遠(yuǎn)小于盤體下表面的荷載擴(kuò)散區(qū)域；另一方面，在盤體下表面處的受力狀態(tài)是斜向正應(yīng)力和切應(yīng)力的組合，而樁端處只存在正應(yīng)力.

2) 上盤底土體的壓力要大于下盤底的土體壓力，隨著樁端荷載的增加，他們之間的壓力差也隨之緩慢增大，同時(shí)，最優(yōu)角度組合(30°，45°)的支盤樁的上、下盤底的土體壓力差最小.該現(xiàn)象一方面反映了上盤發(fā)揮的承載作用要先于下盤，另一方面，由于上、下盤所在土體的不同，如采用不同的盤底傾角，可以使不同土體對盤的端阻力發(fā)揮得更充分，并且同步性也更好.

3) 支盤樁上、下盤的不同盤底傾角組合越是接近最優(yōu)角度組合時(shí)，他們的盤底土壓力隨著荷載增加而增大的差值就會(huì)越小，樁周土的壓力分布就越均勻，就越能充分發(fā)揮樁周土的承載性能.所以，如果在不同土體中支盤樁的盤體采用不同盤底傾角，對提高支盤樁的承載力具有重要意義.

4) 在試驗(yàn)中，等直徑樁側(cè)布置的土壓力盒的讀數(shù)基本上都很小，說明樁側(cè)摩阻力向周邊傳遞荷載的范圍很小，等直徑樁僅依靠側(cè)摩阻力進(jìn)行荷載傳遞，無法充分利用周圍的土體.

(a) 3號(hào)支盤樁

(b) 7號(hào)支盤樁

(c) 10號(hào)支盤樁

(d) 11號(hào)支盤樁

(e) 12號(hào)支盤樁

(f) 15號(hào)支盤樁

3 結(jié) 論

通過四組室內(nèi)模型試驗(yàn)，對在不同土層中有相同直徑盤體但不同盤底傾角組合的支盤樁的承載力特性做了較系統(tǒng)的研究，并與等直徑樁進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：支盤樁由于盤體的設(shè)置改變了荷載傳遞路線，當(dāng)豎向位移相同時(shí)，不同底角盤體組合的支盤樁在不同土層中傳力路徑的深度大致相同，但是傳力路徑的廣度是有差別的，針對特定的土體，存在相應(yīng)的最優(yōu)盤底傾角組合.本實(shí)驗(yàn)中，盤徑為3倍的主樁徑時(shí)盤底傾角為30°與45°組合的支盤樁承載力最大，同時(shí)是其他條件相同的等直徑樁承載力的7.02倍；盤底傾角較小時(shí)，雖然土體作用在盤體上反力的垂直分量大，但由于土體受壓縮范圍小，產(chǎn)生的壓縮變形大，甚至?xí)^早沿盤周邊產(chǎn)生剪切破壞；而盤底傾角較大時(shí)，盤底與土體的摩擦作用增大，但盤土之間的摩擦力達(dá)到極限后，盤體易產(chǎn)生刺入破壞，從而產(chǎn)生很大的豎向變形，降低了樁的承載力；在本次室內(nèi)試驗(yàn)的條件與環(huán)境下得出盤底傾角與承載力的關(guān)系并非同步增加或減小，在不同參數(shù)的土層中最優(yōu)的盤底傾角組合是不同的，要根據(jù)工程實(shí)際情況具體考慮.

[1] 章雪峰，楊俊杰，盛寶亭，等.擠擴(kuò)支盤樁與土層共同作用的模型試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(4)：45-49.

[2] 盧成原，李漢杰.支盤樁群樁抗拔承載性狀試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(3)：298-301.

[3] 鄧友生，龔維明.擠擴(kuò)支盤樁與直孔樁的對比試驗(yàn)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2005，35(7)：37-42.

[4] 陳飛，鄢泰寧，盧春華.擠擴(kuò)支盤樁荷載傳遞特性試驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009，31(3)：49-52.

[5] 段鴻海，白振安.支盤樁支盤的作用效果及荷載傳遞機(jī)理分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，22(3)：187-189.

[6] 王若竹，錢永梅，尹新生.擠擴(kuò)多盤樁承力擴(kuò)大盤直徑對單樁承載力影響的理論分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2010，37(8)：17-19.

[7] 盧錫雷，盧成原，盧鴻凱.不同設(shè)盤支盤樁的水平承載性狀研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(1)：51-56.

[8] 潘麗爽.不同土層條件對支盤樁豎向承載性能影響研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[9] UCHIDA K, KAWABATA T, SHODA D, et al. Mechanical behavior of model pile with multiple stepped two diameters[J]. Advance in deep foundation,2005,10(3):1-10.

(責(zé)任編輯：陳石平)

Research on the bearing capacity of branch piles with different plate combinations

LU Chengyuan, SHOU Yafeng, JU Ruixiong, WANG Dong

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

In order to study the influence of the shape of composite plates on the bearing performance of branch piles in different soil layers, four sets of laboratory model tests are designed. The experimental results show that the bearing capacity is different when the branch pile plates have the same diameter but different bottom angles. In different soil layers, there is an optimal combination of angles. When the optimal combination of angles is approached, the bearing capacity is higher, the soil pressure difference at the bottom is smaller, the pressure distribution in the soil around the pile is more uniform, and the bearing capacity of piles more fully developed. Therefore, more attention should be paid to the influence of the plate shape on the load bearing performance in the practical design of branch piles. The optimal combination of different plate shapes is adopted as possible to achieve the best bearing performance of branch piles.

branch pile; model test; different plate combinations; bearing capacity

2016-11-15

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1080440)

盧成原(1964—)，男，浙江東陽人，教授，主要從事土木工程方面的研究，E-mail：zgdlucy@sina.com.

TU473.1

A

1006-4303(2017)04-0467-06