懸臂式擠擴支盤樁的支護特性模型試驗

中圖分類號： TU46+3 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2025）02-0068-08

引文格式：，，，等.懸臂式擠擴支盤樁的支護特性模型試驗［J].安徽理工大學學報（自然科學版），2025，45（2） ：68-75.

Model Test on Retaining Characteristics of Cantilever Squeezed Branch Pile MA Hongwei， WANG Lina，CHEN Xin，ZHANG Weiqiang

lof Civil Engineering and Architecture，Anhui Universityof Scienceand Technology，Huainan Anhui 232Ool，China）

ibstract ：Objective In order to reveal the mechanism of squeezed branch piles in foundation pit support systems

Methods A 1：15 scaled model test was designed based on similarity theory. Layered excavation under cantilever pile support was conducted to analyze the efects of branch depth on pile-top displacement，bending moment and ground setlement.Results Compared to straight piles，the squeezed branch piles reduced horizontal displacement by 19.2% ，peak bending moment by 36.6% and settlement by 29.2% . Optimal performance occurred when branches were near the pit botom.Conclusion The buried depth of squeezed branch significantly influences support efficacy，and the rational depth selection enhances pit stability.

Key words ： geotechnical engineering;foundation pit support; model test;squeezed branch pile

基坑工程是建（構）筑物施工中難以避開的一項危險性較大的分部分項工程。懸臂式排樁作為支擋式結構被廣泛用于開挖深度不大于 7m 的基坑支護工程[1]，然而，受自身結構特性所限，懸臂式排樁普遍存在變形大、內力大的問題[2]。提升懸臂式排樁結構的支護性能以保障工程施工安全和周邊環境安全是必要的

擠擴支盤樁是一種典型的變截面樁，其樁身特殊部位設置的擠擴盤有效改善了樁的豎向承載能力[3]。大量學者采用現場測試[4-5]、模型試驗[6-7]數值模擬[8]、理論分析[9]等方法揭示了擠擴支盤樁的抗壓承載機理和抗拔承載機理，為擠擴支盤樁的工程應用提供了依據。文獻［10]提出了擠擴支盤樁作為基坑支護樁的設想，并開展了室內模型試驗研究，結果表明，與懸臂直樁支護結構相比，擠擴支盤支護樁可有效降低樁身彎矩和樁頂水平位移，其技術優勢和經濟效益明顯。文獻［11-12]開展了擠擴支盤樁支護特性的數值模擬分析和雙排支護樁的模型試驗研究，結果表明，在地面超載情況下，擠擴樁支護結構比懸臂直樁支護結構的樁頂水平位移和樁身最大彎矩均減小了 50% 以上，擠擴盤提供的抗傾覆力矩有效改善了擠擴樁的工作性狀，單排擠擴樁可用于中等深度的基坑支護，而雙排擠擴樁可用于較深的基坑支護工程中。文獻[13]建立了擠擴支盤支護樁數值分析模型，并研究了不同地表超載工況下的支護樁變形特性，研究證明了粉土場地中懸臂擠擴支護樁的樁頂水平位移比直孔支護樁減小了 58% 。基坑支護樁本質上是一種水平受荷樁，文獻[14-16]開展的水平荷載作用下的擠擴支盤樁承載特性的理論研究工作為擠擴支盤支護樁的研究與應用提供了一定參考。總體而言，擠擴支盤樁作為基坑支護結構的優勢是顯著的，但目前的研究還很不充分，特別是在擠擴樁支護作用機制、支護特性理論分析等方面還極為欠缺。

由于擠擴支盤樁支護特性的研究還不夠深入，其支護機理仍不明確，使其在工程中的推廣應用受到了限制。為了進一步揭示擠擴支盤樁在基坑工程中的支護作用機理，本文采用模型試驗方法，分析擠擴盤埋深對懸臂式支擴支盤樁支護結構開挖響應的影響規律，以期為擠擴支盤樁在基坑工程中的應用提供一定的參考。

1模型試驗

1.1 試驗準備

1）地基土與模型箱的制備 為便于重復操作，選用黃砂作為試驗用地基土。試驗用黃砂采購自淮南市某黃砂場，并經晾曬后過 2mm 孔徑圓孔篩以去除雜質。

模型箱采用3塊鋼板和2塊有機玻璃板制作而成，其側壁選用 12mm 厚的有機玻璃板和鋼板，模型箱外圍采用方鋼管進行焊接固定，用以提高模型箱的整體剛度。制作形成的模型箱凈空尺寸為110cm （長） ×70cm （寬） ×90cm （高）。

2）支護樁模型的設計與加工以開挖深度 6m 的基坑工程為原型，按照現行《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）[17]的建議，取支護排樁的插入比（嵌固深度與開挖深度的比值）為0.8，則原型支護樁樁長為 10.8m ，取支護樁直徑為 0.6m 、樁間距為 1m 、材料為C30混凝土。

取樁長相似比 C_L=1：15 ，得到模型樁樁長為72cm ，模型基坑的開挖深度為 40cm ，嵌固深度為32cm 。取懸臂式支護結構樁頂水平位移的相似比為 1：1 ，根據三角形荷載作用下的懸臂梁撓度計算公式確定的抗彎剛度相似比為 C_EI=C_L⁵ 。原型支護結構的每延米的抗彎剛度 EI 為 190.85N?m² ，換算得到模型試驗中每延米支護結構的抗彎剛度為251.33N?m² ，則 700mm 寬度的模型中設置的支護結構的抗彎剛度為 175.93N?m² 。選擇外徑20mm 、壁厚 1.8mm 的PVC管作為模型樁，由其彈性模量 3.5GPa 計算得到單根模型樁抗彎剛度 EI 為 15.10N?m² ，則模型樁的間距為 700÷175.93× 15. 10=60mm 。

模型試驗的擠擴盤采用PVC材料銑削制作，受模型樁間距的限制，擠擴盤外徑定為 55mm ，擠擴盤內部預留直徑 20mm 圓孔。制作完成的模型樁如圖1所示。

3）測試元件與儀器模型試驗中采用BF-64型靜態應變采集儀結合120-3AA免焊接型應變片測試支護樁的樁身彎矩，采用桂量0-25型數顯百分表測試支擋結構的樁頂水平位移以及坑外地表沉降。

1. 2 試驗方案

根據模型試驗需要，設置了5組模型試驗工況，如表1所示。模型試驗中的測點布置與開挖工況如圖2所示，其中用于樁身彎矩測量的7對應變片對稱布置在位于支擋結構中部的模型樁上，用于樁頂水平位移測量的百分表布置在中部模型樁的頂部，用于坑外地表沉降測量的1＼～4號百分表以10cm 的間距布置在距模型箱側壁 20cm 的非開挖區表面。

1.3 試驗步驟

1）將模型樁按 60mm 的間距固定在木質冠梁上形成支擋結構，并在模型樁非開挖區一側粘貼防止樁間土流失的塑料薄膜。將支擋結構調整至預定位置后，利用冠梁夾具將其臨時固定在模型箱上。向模型箱內分層對稱填人地基土，每層填筑厚度為 10cm ，直至土面達到模型樁頂面位置。填土完成后拆除冠梁夾具，并靜置 24h 再開展試驗。

2）實驗時開挖區采用分層開挖，每層開挖厚度均為 10cm 。每層開挖完畢后，每隔 3min 讀取1次測試數據，直至所有數據穩定后再繼續進行下一層開挖，開挖深度達到 40cm ，且監測數據穩定后結束試驗。

1.4 試驗方案驗證

為了驗證基坑支護實驗方案的可行性，采用結構力學求解器對長度為 10.8m 原型直樁的彈性支點法計算模型進行了模擬計算，其中坑內地基土的水平抗力采用 ?_m 法進行了描述。4種不同開挖工況下的原型樁樁頂水平位移計算結果與模型樁試驗結果對比如表2所示。

由表2可知，采用彈性支點法計算得到的原型直樁的樁頂水平位移與直樁模型試驗測試結果基本一致，在4種不同的開挖深度下兩者的相對誤差均未超過 6% 。試驗方案滿足了預設的樁頂水平位移相似比1：1的要求，模型試驗是可行的。

2 結果與分析

2.1直樁與支盤樁支護特性對比

試驗得到直樁支護與單盤1樁支護下的基坑開挖響應如圖3所示，其中樁身彎矩以開挖區一側受拉為正。

由圖3可知，與傳統直樁支擋結構相比，樁身設置擠擴盤的支盤樁支擋結構具有更優的支護能力，后者使得懸臂式支擋結構的樁頂水平位移、樁身彎矩以及地表沉降等基坑開挖響應均有所減小。

由圖3（a）可知，隨著開挖深度的依次增大，懸臂式支盤樁支擋結構的樁頂水平位移較直樁支檔結構的分別減小了 3.4%.7.9%.19.2% 和10.4% ，顯然，對擠擴盤埋深較淺的單盤1樁，當基坑開挖深度不大時，擠擴盤對支檔結構樁頂水平位移的控制作用較為顯著，而基坑開挖深度較大時該作用并不突出。根據圖3（b）可知，在開挖深度為0.4m ，即開挖至坑底位置時，支盤樁與直樁的樁身彎矩分布存在顯著差異，支盤樁樁身位于擠擴盤以上的部分出現了正彎矩，而直樁該段的樁身彎矩為負彎矩;同時，支盤樁的正彎矩最大為 0.64N?m ，為直樁最大正彎矩 0.71N?m 的 90.1% ，而兩種支護樁的最大負彎矩差別很小。由圖3（c）可知，當開挖至坑底位置時，兩種支擋結構支護下的砂土基坑外地表沉降曲線均為拋物線型，說明擠擴盤的設置對懸臂式支檔結構的地表沉降曲線形狀無顯著改變；然而，單盤1樁工況下的地表沉降最大值僅為 16.27mm ，比直樁工況下的 18. 85mm 減小了13.7% ，支盤樁支擋結構在控制地表沉降方面具有顯著的優勢。

由此可見，與懸臂式直樁支擋結構相比，加設了擠擴盤的支盤樁有效改善了支擋結構的支護能力，使得樁頂水平位移、樁身最大彎矩、地表沉降均有所降低，其原因在于開挖卸載引起的樁體傾斜導致擠擴盤發生轉角位移，進而使地基土對擠擴盤形成了附加力矩，該力矩改變了樁身彎矩的分布，從而使得樁體變形量和地表沉降量減小。

2.2 盤埋深對樁頂水平位移的影響

試驗得到4種不同開挖深度情況下樁頂水平位移與擠擴盤埋深的關系，如圖4所示，由于在樁頂設置的擠擴盤對樁的支護功能不產生影響，因此圖4中埋深為0的支盤樁工況即為直樁工況。根據圖4可知，與直樁支擋結構相似，懸臂式支盤樁支擋結構的樁頂水平位移隨開挖深度的增大而加速增大。

當開挖深度為 0.1m 時，所有支盤樁與直樁的懸臂段沒有差別，位于基坑開挖面以下的擠擴盤只是影響了支護樁的嵌固條件，由圖4可知，各支擋結構的樁頂水平位移量值很小，且擠擴盤埋深對樁頂水平位移產生的影響不明顯；由于該開挖深度下各模型樁的插入比高達6.2，嵌固段樁體的變形對樁頂水平位移的貢獻極小，因此樁頂水平位移主要由懸臂段樁體彎曲變形引起。當開挖深度達到 0.2m 以上時，擠擴盤埋深對樁頂水平位移的影響較為顯著，且樁頂水平位移隨擠擴盤埋深的增大先減小后增大；在3種不同開挖深度條件下，擠擴盤埋深為 0.36m 的單盤3樁的樁頂水平位移均是最小的。在開挖深度為 0.4m 時，單盤1、單盤2、單盤3和單盤4樁的樁頂水平位移較直樁的分別減小了 3.4%.7.9%.19.2% 和 10.4% ，顯然，在工程中常見的支護樁插入比為0.8的工況下，將擠擴盤設置于坑底附近，對控制基坑開挖引起的支護結構樁頂水平位移是最為有效的。

由此可見，擠擴盤埋深對懸臂式支擋結構的樁頂水平位移的影響較為顯著，在試驗工況下，支盤樁支擋結構的樁頂水平位移較直樁支檔結構減小率最高超過了 19% 。

2.3 盤埋深對樁身彎矩的影響

試驗得到不同開挖深度下各支盤樁樁身彎矩分布如圖5所示。由圖5可知，擠擴盤埋深不同的各懸臂式支盤樁支擋結構的樁身最大正彎矩和最大負彎矩總是隨著開挖深度的增大而增大。

當開挖深度為 0.1m 時，擠擴盤埋深較小的單盤1樁和單盤2樁的最大正彎矩和最大負彎矩均小于單盤3樁和單盤4樁;同時，單盤1樁和單盤2樁在開挖深度范圍內存在正彎矩，而擠擴盤埋深較大的單盤3樁和單盤4樁存在負彎矩，樁體彎矩分布差異主要由擠擴盤提供的附加力矩引起;而在嵌固段范圍內，各樁的樁身正彎矩和負彎矩的分布規律一致，且隨著埋深增大而波動減小。在 0.2m 的開挖深度工況下，各模型樁的插入比為2.6，擠擴盤位置最靠近開挖面的單盤2樁的最大正彎矩是4種支檔結構中最小的;在開挖深度范圍內，單盤1樁和單盤2樁的樁身均存在正彎矩和負彎矩，且零彎矩點均靠近樁體埋深 0.1m 處，而單盤3樁和單盤4樁樁身僅存在負彎矩；此外，開挖深度 0.2m 時各支護樁嵌固段的彎矩已全為正值，不再出現樁身彎矩隨著埋深增大而波動的現象。當開挖深度達到 0.3m 時，模型樁的插入比為1.4，此時單盤2樁和單盤3樁的擠擴盤到開挖面的距離均為60mm ，但兩者的最大正彎矩差異顯著;擠擴盤位于開挖面以下的單盤3樁的最大正彎矩出現位置較0.2m 開挖工況下有所下移，但量值在兩種開挖深度下差異不大，而擠擴盤位于開挖面以上的單盤2樁的最大正彎矩較 0.2m 開挖深度下增大十分明顯；顯然，當基坑開挖引起擠擴盤暴露于開挖面以上時，擠擴盤的存在對控制樁身彎矩的作用不夠顯著。當基坑開挖至坑底時，擠擴盤埋深不同的各懸臂式支盤樁支擋結構的樁身最大負彎矩差別不大，其量值介于 -0.19～-0.26N?m ;而樁身最大正彎矩受擠擴盤埋深的影響較為突出，其量值介于 0.64～0.45N?m ，單盤3樁的最大正彎矩僅為單盤1樁的 70.4% ，為直孔樁支護下的 63.4% ；此時，單盤4樁的擠擴盤雖然處于嵌固段，但其到開挖面的距離為單盤3樁擠擴盤到開挖面距離的2倍，使得單盤3樁的最大正彎矩仍略小于單盤4樁。

總體而言，擠擴盤埋深對支護樁的彎矩分布影響顯著，當擠擴盤位于開挖面以上較高位置處時，擠擴盤已很難限制支護樁的彎矩增大，宜將擠擴盤設置于基坑開挖面附近以控制樁身彎矩的發展。

2.4盤埋深對地表沉降的影響

在不同支盤樁支擋結構的支護下，試驗測得基坑開挖引起的坑外地表沉降如圖6所示。由圖6可知，在各支擋結構的支護下，不同開挖深度工況下的坑外地表沉降曲線均具有拋物線形的特征。同時，各觀測點處的地表沉降均隨著開挖深度的線性增大而加速增大。

由圖6可知，在 0.1m 開挖深度工況下，4種支擋結構支護下的基坑外地表沉降均很小，這與樁頂水平位移的情況十分一致，產生該現象的原因在于支擋結構的插入比高達6.2，使得支護樁的變形量不大，樁后土體亦未發生顯著的變形。當開挖深度增大至 0.2m 后，各組排樁支護下的地表沉降影響區主要集中在坑外 0.2m 范圍內；并且單盤2樁支護下的地表沉降量最小，單盤4樁支護下的地表沉降量最大，顯然，擠擴盤位于開挖面附近的單盤2樁限制地表沉降的能力最強。當開挖深度為 0.3m 時，各組排樁支護下的地表沉降影響區范圍進一步擴大，主要集中在坑外 0.3m 范圍內；單盤2樁支護和單盤3樁支護下的坑外地表沉降量區別不大，而單盤1樁支護和單盤4樁支護下的地表沉降量明顯高于另外兩種支護情況。在 0.4m 開挖深度情況下，地表沉降影響區的范圍已超過坑外范圍（0.4m） ；此時，單盤3樁支護下的坑外地表沉降量最大值為 13.34mm ，略小于單盤4樁支護情況，且僅為單盤1樁支護下地表沉降最大值的 82.0% ，相比直孔排樁支護情況減少了 29.2% 。

由此可知，在本文試驗工況下，基坑外地表沉降的影響范圍與基坑開挖深度基本一致，且支擴盤的埋深對坑外地表沉降存在顯著的影響，將擠擴盤設置于開挖面附近可以有效降低基坑開挖引起的坑外地表沉降。

3 結論與展望

本文通過擠擴支盤樁基坑支護變形特性模型試驗發現，與懸臂式直孔排樁支擋結構相比，設置了擠擴盤的支盤樁支擋結構可以有效減小基坑開挖引起的樁頂水平位移、樁身彎矩峰值和坑外地表沉降；將擠擴盤設置于坑底附近時，懸臂式支盤樁支擋結構的支護效果最佳。本研究得到了擠擴盤埋深對懸臂式擠擴支盤樁支護結構開挖響應的影響規律，證明了擠擴支盤樁作為基坑支護結構的優越性。研究結果可以為擠擴支盤樁支護結構的設計與應用提供參考。

受試驗條件限制，論文僅開展了懸臂式擠擴支盤樁在砂土中的支護特性探索，未來的研究工作可結合既有模型試驗和數值模擬研究成果，開展擠擴支盤樁支護理論的研究。

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（責任編輯：丁 寒）