DX樁承載特性的模型試驗研究

李 仲，張 航，古 源，南 勇，陳立宏

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 前言

多節(jié)擴孔灌注樁最早出現(xiàn)在20世紀50年代的印度，隨后英國、前蘇聯(lián)等國也進行了相關(guān)的試驗研究［1］。隨后出現(xiàn)的AM樁、支盤樁以及DX樁等作為這種多節(jié)擴孔樁的改良樁型得到了廣泛的應(yīng)用。其中DX樁在施工工藝，機械設(shè)備等方面比其他樁型具有明顯的優(yōu)勢，試驗證明，DX樁具有的多個承力盤，大大提高了樁身承載力并有效地降低了沉降［2］。在某橋梁工程的應(yīng)用中，通過對比直孔樁與DX樁，結(jié)果表明采用DX樁方案以后，每個橋墩的樁數(shù)減少了1/3，橋墩部分節(jié)約混凝土27%，總造價比直孔樁節(jié)約18%，不僅降低了成本、縮短了工期，更取得了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效果［3］。然而目前，對DX樁的理論研究遠滯后于工程實踐，尤其是在沉降計算方面，工程中仍采用偏于保守的實體基礎(chǔ)的沉降設(shè)計理論。

目前國內(nèi)許多學者針對DX樁進行了室內(nèi)模型試驗，浙江工業(yè)大學的李天寶等［4］在非飽和粉土中的試驗表明支盤樁的承載力提高了2倍左右;吉林建筑工程學院的錢永梅等［5］得出盤間距對承載力的影響，結(jié)果表明盤間距越大，樁身沉降越小，合理的盤間距應(yīng)為:在粘土、粉土中大于2．5倍的樁徑，在砂土中大于3倍的樁徑。浙江工業(yè)大學的盧成原等研究了在不同土層的模型支盤樁試驗，結(jié)果均表明DX樁在砂土、軟土及泥土中都有很好的承載效果［6～9］。

筆者通過室內(nèi)小比尺模型試驗，對加載過程中樁身的受力情況進行量測，將獲得的位移數(shù)據(jù)與樁身各部應(yīng)變進行整理，分析其荷載的傳遞規(guī)律，進一步揭示DX樁的承載機理。

2 模型試驗研究

2．1 試驗裝置

該試驗為室內(nèi)小比尺模型試驗，在自制的模型試驗箱中進行。模型箱的規(guī)格長×寬×高為600 mm×600 mm×900 mm，采用鋼板和鋼化玻璃制作，并且在側(cè)壁采用加勁板加固。具體裝置見圖1。

地基土采用砂土模擬，砂土的粒徑小于0．63 mm，試驗時控制的孔隙比為 0．68，為中密狀態(tài)。

圖1 模型試驗箱示意圖Fig．1 Sketch of model test chamber

為了更好地模擬大直徑長樁，采用長徑比25∶1作為模型試驗幾何比尺的控制條件。模型樁樁徑為22 mm，樁長為650 mm，有效樁長為500 mm，盤徑為50 mm。試驗樁采用鋁棒制作，為確保承力盤與樁身為一整體，制作時采用鋁棒一次加工成型，其具體尺寸見表1，模型樁示意圖見圖2。

表1 模型樁的具體參數(shù)Table1 Parameters of model piles

加載裝置采用杠桿與砝碼加載系統(tǒng)逐級加載。試驗時采用:a．百分表測量樁頂?shù)某两盗?b．應(yīng)變式壓力傳感器，精確測得加載在樁頂?shù)暮奢d大小，壓力傳感器的最大量程為5 kN，精度為1%F．S．(滿量程);c．應(yīng)變片及應(yīng)變讀數(shù)儀，量測樁身的軸力。應(yīng)變片分別貼于兩個承力盤的上下樁身部位，以量測樁身軸力在承力盤處的變化情況。

2．2 試驗步驟及方案

采用直孔樁與DX樁對比試驗和DX樁平行試驗:

1)先在樁身預(yù)設(shè)部位貼上應(yīng)變片，并用萬用表檢查應(yīng)變片是否完好，之后用AB膠封住以保護應(yīng)變片。

2)將試驗樁用木架固定于模型箱內(nèi)，以保證樁身豎直。

3)向模型箱內(nèi)分層填土，每次填土后，將砂面撫平，用固定高度的落錘夯實兩遍。

4)將砂土全部填入箱內(nèi)壓實后，卸下木架，連接壓力傳感器，設(shè)置百分表等。

圖2 模型樁示意圖(單位:mm)Fig．2 Sketch of model piles(unit:mm)

5)將應(yīng)變儀讀數(shù)清零后按照預(yù)估承載力分為10級加載，第一次加載2級。每級間隔10 min以確保樁身及土體穩(wěn)定。

3 試驗結(jié)果分析

3．1 直孔樁與DX樁Q－s曲線結(jié)果分析

將DX樁與直孔樁置于同一條件下進行對比試驗，試驗的荷載－位移曲線見圖3。從圖3中可以看出，直孔樁在荷載作用下其沉降趨勢明顯要比DX樁沉降快，當樁頂施加荷載大小為1000 N時，等直徑樁的樁身沉降為3 mm左右，而DX樁的沉降值為0．8 mm左右，其沉降與直孔樁相比明顯減少。而在承載力方面，當樁身沉降均為1 mm時，等直徑樁的承載力為500 N，而DX樁的承載力為1500 N。此外，還可以看出當承載力達到1000 N以上時，等直徑樁的沉降急劇增加，喪失穩(wěn)定性，而DX樁的沉降隨承載力的增加而平穩(wěn)緩慢增加。

3．2 DX樁承力盤的受力分析

通過試驗，得出盤阻與沉降的關(guān)系(見圖4)，在施加荷載的整個過程中，承力盤所承受的總承載力隨著沉降的增加而增大，而上盤阻與下盤阻相比發(fā)揮較大的承載力。此外，當樁身沉降達到2．8 mm，上盤承載力達到600 N以后其承載力所占比重有逐漸下降的趨勢，而下盤阻承載力所占比重增大，開始承擔更多的力，總盤阻保持均勻增長，從而可以判斷，在施加荷載過程中DX樁承力盤的受力先以上盤為主，而隨著施加荷載、沉降的增大，下盤承載力所占比重逐漸加大。

圖3 直孔樁與DX樁的Q－s曲線Fig．3 Q －s curves of straight piles and DX piles

圖4 盤阻與沉降的關(guān)系曲線Fig．4 Curves of bell resistance and settlement

圖5為盤阻分布情況曲線，從圖5中可以看出隨著樁身所受承載力的增大和沉降的增加，盤阻所受承載力占總荷載的比重有下降趨勢。這是由于隨著施加荷載的增大，樁身沉降增加，此時側(cè)摩阻力開始逐漸承擔更多的荷載，相應(yīng)的盤阻所占總荷載的百分比就有所下降。

3．3 盤阻、側(cè)阻、端阻與總荷載的相互關(guān)系

圖6、圖7為DX樁盤阻、側(cè)阻和端阻各占總荷載百分比與沉降關(guān)系曲線及其承載力情況?？梢钥闯觯诩虞d初期，承力盤就開始發(fā)揮較大承載力，而隨著施加荷載的增大以及樁身沉降的增加，側(cè)摩阻力顯著增加，與此同時承力盤所承受荷載比重有所下降。但從整個加載過程中來說，側(cè)阻所受承載力占總荷載的65%左右，端阻在此沉降范圍內(nèi)發(fā)揮作用不明顯，只占5%左右，而承力盤在整個DX樁受力過程中所受力占總荷載的比重保持在30%左右，發(fā)揮著相當重要的作用，明顯提高其承載能力。

圖5 盤阻受力情況Fig．5 Results of cell bearing capacity

圖6 各部分占總荷載百分曲線Fig．6 Curves of each part occupy total load

圖7 各部分承載力情況Fig．7 Bearing capacity of each part

4 結(jié)語

通過以上數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論:

1)在本試驗條件下的DX樁與直孔樁相比，發(fā)生同等沉降(1 mm)時DX樁的承載力約為直孔樁3倍，而在相同荷載(1000 N)作用下，DX樁沉降僅為直孔樁的27%。

2)DX樁的承力盤從加載初期就承擔很大的荷載，其承載比重為總荷載的30%左右。

3)DX樁不同位置的承力盤的承載力發(fā)揮情況不同。在加載初期，上盤承載力的增速較下盤快，并且在整個試驗中，上盤承載力都大于下盤。隨著荷載的增大，下盤承載力所占比重有增長趨勢。

致謝

本試驗得到了北京交通大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目的支持，同時得到了袁希雨碩士的大力幫助，在此表示感謝。

［1］沈保漢，賀德新，劉振亮，等．DX多節(jié)擠擴樁的產(chǎn)生及特點［J］．工業(yè)建筑，2004，34(3):1－4．

［2］沈保漢，賀德新，陳 輪，等．DX多節(jié)擠擴灌注樁［J］．地基工程，2002，5(4):30－34．

［3］夏德欣．DX擠擴樁用于某大橋樁基礎(chǔ)［J］．公路與汽運，2009，133(4):206－208．

［4］李天寶，盧成原，王科元．支盤樁工作性狀的模型試驗研究［J］．浙江工業(yè)大學學報，2008，36(3):290－294．

［5］錢永梅，尹新生，鐘春玲，等．擠擴多盤樁土體破壞機理的試驗研究［J］．巖土工程界，2003，6(12):78－80．

［6］盧成原，賈穎棟，周 玲．重復(fù)荷載下模型支盤樁工程性狀的試驗研究［J］．巖土力學，2008，29(2):431－436．

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