擠擴支盤樁試驗研究進展

王勝，張成富，孟凡臣，朱寧，史仕熒

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司蘇里格分公司，內蒙古烏審旗 017300；3.山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊），山東濟寧 272000；4.中國科學院 力學研究所，北京 100190）

0 引言

擠擴支盤樁，又稱為DX樁，是20世紀90年代初發展起來的一種新型樁基礎，其根據仿生原理（樹根構造）在傳統等截面鉆孔灌注樁的基礎上演變而來[1]。其成樁第一步采用普通鉆機形成等截面鉆孔樁，然后根據不同土層的特性利用專用擠擴裝置在樁身不同深度部位擠密出若干承力盤或分支，然后放入鋼筋籠并澆筑混凝土成擠擴支盤樁[2]。通過承力盤或分支的端承作用，樁端承載力大大提高，且位移量大大減小[3]。除此之外，擠擴支盤樁還具造價低、工期短、樁基安全性高等優點，有較好的經濟技術效果[4]。

圖1 擠擴支盤樁示意圖

對于這種在工程項目上獲得廣泛關注的新型樁，理論研究還不成熟，通過試驗來研究其載荷傳遞機理、承載力性能和破壞模式等是目前常用的方法。該文主要綜述了擠擴支盤樁的基本試驗方法，從實物試驗（包括現場試驗和室內小尺度模擬試驗）、數值試驗三個角度系統介紹了試驗設計方法，為新進入擠擴支盤樁研究領域的學者提供一個整體的概念。

1 擠擴支盤樁的實物試驗

在對擠擴支盤樁的眾多研究中，實物試驗是一種研究方法，分為現場實物試驗和室內實物模擬試驗。現場試驗能真實反映擠擴支盤樁在應用中的性能，從而為后期應用提供施工經驗；室內模擬試驗可以根據需要進行很靈活的設計，可以做小尺度試驗以節省成本，還能利用現代化的測試設備開展各種性能試驗、對比試驗以得到最優結構[5-6]。

在實物試驗時，根據載荷類型的不同，試驗系統設計也不同。載荷主要有如下幾種類型：下壓+水平聯合工況、上拔+水平聯合工況、水平載荷、下壓載荷等。目前關于下壓載荷的研究較多，其試驗系統大都采用圖2所示的方法，利用電子位移傳感器記錄樁的位移，測力傳感器測量應力。其中測力傳感器的布置是關鍵，在承力盤上下界面上布置傳感器可得到承力盤的承載性能，在主筋上安裝可以得到樁身軸力信息并研究擠擴支盤樁Q-S曲線、載荷傳遞機理等。實物試驗中利用土壓力盒還可測量土體與基礎之間壓力的變化[9]。

其中：對于上拔載荷的試驗設計與圖2所示的設置類似，即主要在樁軸線上施加載荷；對于具有水平載荷的室內試驗設計需要在水平方向上施加載荷，肖琦[5]的試驗方法如圖3所示，亦采用千斤頂加載水平載荷，與圖2不同的是，需要添加反力基礎給試驗樁提供水平反力，從而研究輸電線路等工程擠擴支盤樁在承受水平載荷時的性能。

圖2 擠擴支盤樁室內試驗系統示意圖

圖3 水平加載系統設計圖

在試驗系統搭設完畢后，為獲得擠擴支盤樁載荷傳遞機理、承載力等性能，涉及到如何加載和卸載。對于施加載荷的方法目前大多采用慢速維持載荷法，即逐級加載，并在加載時保證載荷傳遞均勻、連續、無沖擊，當每級載荷達到相對穩定后記錄沉降量和應力，然后施加下一級載荷[10]。卸載時，亦逐級卸載。卸載清零后，維持一段時間，測讀樁頂殘余沉降量。每級加載和卸載時，間隔記錄各測試設備的數值，直到沉降量在一定時間前后相鄰兩次讀數之差小于0.1 mm可視為穩定[10]，并進行下一步加載或者卸載。同時，根據建筑地基基礎單樁設計規范，當樁頂位移達到40 mm時，終止加載[11]。

從上面的敘述可以看出，由于不允許破壞工程樁，為獲得工程樁的極限載荷，一般通過模擬、推算等方法來估算。

在對擠擴支盤樁的破壞模式研究中，大都認為在成樁質量較好的情況下，主要是土體的破壞。現階段關于土體破壞形式的研究主要基于如下試驗方法：搭建半面樁小型試件試驗系統，采用鋼化玻璃缸裝黏性土并埋置試件，然后加載，同時用數碼相機拍攝試驗前后樁土的狀態及土的破壞形式，最后用媒體計算機處理拍攝照片以得到土體位移的變化情況，分析土體破壞形式[8]。為減少玻璃摩擦帶來的試驗誤差，王成武等[12]在玻璃的內表面涂上硅油后拍照，得到土體位移的變化情況。上述試驗方法發展到現場大比例半截面實樁試驗，在半截面樁一側利用固定好的鋼化玻璃罩住，然后對半截面樁進行靜載試驗，得到載荷、位移等數據，并觀察樁土的狀態[13]。

上述室內小尺度實驗雖然能獲得土體的破壞形式，但是由于影響因素眾多，在進行小尺度的模擬試驗時，應進行相似準則分析，選用最重要的無量綱數進行縮尺度，但是目前的調研發現，很少學者開展這方面的工作；且尺度小，與真實的土體、樁體仍然不同，試驗結果對于大尺度的樁體是否適用仍然存在問題。

2 擠擴支盤樁的數值模擬試驗

隨著計算機技術的迅猛發展和數值計算方法的不斷提高，使得數值模擬中的巨型計算成為可能，促進了數值模擬成為擠擴支盤樁的一種研究方法，不少學者采用這種手段對其工作機理進行了研究，從而節省了研究成本、縮短了研究周期[14]。巨玉文等[15]采用載荷傳遞函數自行編程推求擠擴支盤樁頂載荷Q-樁頂沉降s曲線；米曉慶等[16-17]采用基于有限差分分析軟件FLAC對擠擴支盤樁進行了數值計算；蘇小培等[18]采用基于有限元分析軟件MIDAS/GTS研究了不同支盤直徑、樁間距等對支盤性能影響；王坤等[14]采用MARC有限元軟件獲得了擠擴支盤樁在下壓載荷下樁身軸力傳遞規律等；巨玉文等[19]、唐孟雄等[20]通過ANSYS有限元軟件研究了支盤間距等對其工作性能的影響；高笑娟等[7]、王伊麗等[21-22]借助ABAQUS軟件進行了擠擴支盤樁的相關研究。從上述調研可以發現，目前采用自行編程獲得的信息較少，利用這種方法的學者少；大部分研究采用基于有限差分或有限元的數值模擬軟件進行計算[12,21,23]。

在進行數值模擬的時候，通常先建立物理模型，然后劃分網格求解。物理模型建立的正確與否，與計算結果是否可靠息息相關。

對于物理模型計算域的選擇，為保證邊界條件對計算結果的影響較小，根據彈性理論，單樁的水平邊界取6D～60D（D為主樁直徑）之間[24]。大多數學者建立的物理模型均在此范圍內，如王坤等[14]建立樁側水平土體大約10D的三維空間作為物理模型；蘇小培等[18]在研究單排樁取水平邊界20D約束其水平位移；米曉慶等[16]、王伊麗等[21]取約15D樁徑為水平邊界；對于樁底土體深度，有取10D，也有取50%樁長、60%樁長，還有取1倍樁長，根據文獻調研來看，很多文獻將樁底土體深度取為1倍樁長左右，以滿足計算精度[25]。

隨著計算機的發展，三維模型對于具有分支結構的擠擴支盤樁計算更能貼近實際，采用三維模型成為研究的主流[10,17]。對于三維模型邊界條件設置問題，一般將樁頂端設置為自由面，樁周土體邊界上施加x、y、z方向的0位移約束，樁底土體邊界上施加x、y方向的0位移約束。在建立模型后劃分網格時，一般需要在樁身、樁端和承力盤部位進行局部加密。

樁體模型采用線彈性材料，各向同性；土體選用理想彈塑性材料，Mohr-Coulomb本構模型進行分析，樁土接觸面設置為摩擦因數不變的接觸單元，從而模擬樁-土相互作用的物理力學特性。計算時，在樁頂中心處施加下壓載荷，用時間步數模擬逐級加載過程[22]。

采用數值模擬的方法能夠獲得實物試驗所不能得到的信息，如樁身任一點處的位移、軸力等，但是數值模擬的結果是否可靠仍然需要試驗的檢驗[14]。

3 結論

為擴大擠擴支盤樁的使用范圍和系統了解這種新型樁的工作機理，對于擠擴支盤樁的試驗設計逐漸從定性設計轉變為定量設計，研究范圍逐漸從單一載荷轉變為多種載荷，研究對象逐漸從樁本身發展到關注樁土耦合效應，研究內容逐漸從單一方面走向系統。

在理論研究還不成熟的前提下，試驗研究就顯得尤為重要。目前對于擠擴支盤樁如何確定極限承載力的實物試驗方法有待發展，如何設計小尺度實驗從而為工程實踐提供有實際指導價值的數據仍有待完善。在現階段，將實物試驗和數值模擬試驗結合起來，即采用實物試驗獲得基本的數據，從而為數值模擬方法的驗證提供參考，然后利用數值模擬開展系統的研究，是一種經濟快速的研究方法。可以利用這種方法開展對比性試驗、載荷傳遞規律等系統試驗，為高效開展擠擴支盤樁的理論、設計和現場應用研究服務。