DX樁樁周土應(yīng)力場(chǎng)分布的模型試驗(yàn)研究

唐松濤，陳立宏，袁希雨

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 前言

隨著我國(guó)鐵路尤其是高速鐵路的不斷發(fā)展，對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)其沉降和變形的控制也越來(lái)越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的直孔灌注樁已經(jīng)很難滿足日益增長(zhǎng)的承載力和沉降的要求，因此各種新型的樁基礎(chǔ)形式不斷涌現(xiàn)。在諸多新型樁中，變截面樁由于能夠較好地利用土層的承載力，具有明顯的高承載力、低沉降的優(yōu)勢(shì)，支盤(pán)樁、DX樁、AM樁等近年來(lái)在工程實(shí)踐中獲得了大量的應(yīng)用［1］。早期的DX樁是在傳統(tǒng)的直孔樁鉆孔工藝完成之后，采用專用的三岔擠擴(kuò)臂擠擴(kuò)承力盤(pán)，而最新的DX旋挖擠擴(kuò)設(shè)備集切削、碾壓、擠擴(kuò)為一體，在形成承力盤(pán)時(shí)能根據(jù)地層特點(diǎn)選擇相應(yīng)的施工工藝。例如，密實(shí)土層無(wú)法擠擴(kuò)時(shí)可采用切削技術(shù)，而中密砂土則可采用擠擴(kuò)與碾壓結(jié)合的工藝，這一創(chuàng)新使得DX樁具備了更好的土層適應(yīng)性，而且更能充分利用土層的承載力。此外，由于DX樁的承力盤(pán)上下對(duì)稱，而且盤(pán)腔上下壁與樁身的夾角較大，可超過(guò)60°，與支盤(pán)樁和AM樁相比，形成同樣的盤(pán)徑所需的縱向高度較小，樁側(cè)摩阻力的損失很小。雖然DX樁已在橋梁、房屋、LNG等行業(yè)得到了大量應(yīng)用，但是其理論研究較少，特別是DX樁沉降方面的理論研究大大落后于工程實(shí)踐，在工程設(shè)計(jì)中仍沿用實(shí)體基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論。這樣的計(jì)算方法偏于保守，雖然安全，但卻造成了大量的浪費(fèi)，同時(shí)，這種方法使得DX樁在控制沉降方面的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。因此，從工作性狀、荷載傳遞特性、設(shè)計(jì)計(jì)算方法等各方面對(duì)其展開(kāi)系統(tǒng)研究顯得非常必要和緊迫。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)類(lèi)似的樁基模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。筆者之前完成了DX樁單樁以及群樁的大比尺模型試驗(yàn)研究［2～3］，通過(guò)對(duì)比單樁以及群樁中的單樁，證明了DX樁在承載力和沉降方面的優(yōu)勢(shì)。浙江工業(yè)大學(xué)的盧成原等進(jìn)行了支盤(pán)樁工作性狀的模型試驗(yàn)研究，包括不同土層土質(zhì)、重復(fù)荷載下模型支盤(pán)樁工程性狀的試驗(yàn)研究［4～6］，通過(guò)與等直徑模型樁的對(duì)比試驗(yàn)表明支盤(pán)樁的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于等直徑樁(約為直孔樁承載力的2倍)，而沉降變形則要小得多，而且在不同土體中承受荷載和變形能力是完全不同的，多支盤(pán)樁的支盤(pán)無(wú)論是設(shè)在相同土層還是不同土層，各個(gè)支盤(pán)的承載力發(fā)揮是不同步的。另外，王科元［7］、陳志堅(jiān)［8］等在進(jìn)行擠密效應(yīng)對(duì)支盤(pán)樁承載性能影響的模型試驗(yàn)研究后指出，擠密土支盤(pán)樁要遠(yuǎn)好于非擠密土樁，這就要求在重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中能較好地控制樁周土的密實(shí)程度。葉真華［9］等對(duì)樁身位于淤泥質(zhì)粘土中而樁端支撐于強(qiáng)持力層(砂土)和弱持力層(粉質(zhì)粘土)兩種情況下樁的承載性狀差異進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，淤泥質(zhì)粘土存在應(yīng)變軟化特征;樁端持力層強(qiáng)度越大，樁側(cè)摩阻力增加越大。鄭剛［10］等通過(guò)可視化小模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了擠擴(kuò)多盤(pán)樁樁土效應(yīng)，并進(jìn)一步確定了土體破壞形式及破壞機(jī)理，而且發(fā)現(xiàn)，樁距是影響樁土相對(duì)滑移量的主要因素，樁距越大，樁身與樁土的相對(duì)滑移量就越大，樁端刺入量也越大。

文章通過(guò)對(duì)室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，主要從土中應(yīng)力的角度入手，針對(duì)不同的DX樁情況埋置土壓力盒，以測(cè)試土中應(yīng)力的分布情況，從而進(jìn)一步為沉降計(jì)算提供必要的依據(jù)。

2 DX樁模型試驗(yàn)方案

2．1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用長(zhǎng)×寬×高分別為60 cm×60 cm×90 cm的模型試驗(yàn)箱，采用鋼板和鋼化玻璃制作，其中底板和3個(gè)側(cè)邊為鋼板并通過(guò)加勁板加固，另一個(gè)側(cè)面為鋼化玻璃。加載裝置采用杠桿和砝碼系統(tǒng)，杠桿固定在剛性的反力架上。

地基土采用砂土，全部過(guò)0．63 mm的細(xì)篩?？刂频鼗恋目紫侗葹?．68，為中密狀態(tài)。

模型箱實(shí)驗(yàn)時(shí)采用砂土便于重復(fù)，而且便于控制地基土的密實(shí)度，使得實(shí)驗(yàn)具備良好的可重復(fù)性，便于通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律進(jìn)行機(jī)理研究。但采用砂土也有一定的缺點(diǎn)，即無(wú)法模擬DX樁施工中常用的擠擴(kuò)工藝，實(shí)際施工時(shí)一定范圍內(nèi)的樁周土?xí)跀D擴(kuò)壓力下被擠密，而模型箱中的砂土很難模擬這一效應(yīng)。因此，采用砂土進(jìn)行研究的重點(diǎn)不在于其擠密效應(yīng)，而在于DX樁這種特殊的樁型結(jié)構(gòu)帶來(lái)的承載機(jī)理和沉降規(guī)律。

目前，在鐵路橋梁樁基中大量應(yīng)用的均為大直徑長(zhǎng)樁，與小直徑樁相比，其受力特性等各方面性能均有所區(qū)別。為了更好地模擬大直徑長(zhǎng)樁，采用長(zhǎng)徑比25∶1作為模型試驗(yàn)幾何比尺的控制條件。采用鋁管作為樁身材料，鋁管的直徑為22 mm，壁厚為3 mm，樁底采用鋁合金塊進(jìn)行封底，以保證樁身的完整性;樁長(zhǎng)為650 mm，其中有效樁長(zhǎng)為500 mm;承力盤(pán)的模擬材料同樣采用鋁材，直徑為50 mm，制作時(shí)將鋁棒切割成承力盤(pán)的形狀并用銷(xiāo)釘與樁身連接成一體，見(jiàn)圖1。模型樁的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型樁實(shí)物圖Fig．1 Model pile

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

試驗(yàn)的量測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:

1)應(yīng)變式壓力傳感器，精確測(cè)量施加在樁頂?shù)暮奢d值，設(shè)置在樁頭與加載裝置之間。試驗(yàn)中采用定制的應(yīng)變式壓力傳感器，最大量程為5 kN，精度為1%F．S。

2)百分表，測(cè)量點(diǎn)為樁頂引伸出的鋼片上，保證測(cè)量部位的位移真實(shí)反映樁頂沉降，而不受到其他連接部位的影響。

3)應(yīng)變式微型土壓力盒，測(cè)量土中的應(yīng)力變化，布置在樁身尤其是承力盤(pán)周?chē)Ｍ翂毫袨槎ㄖ飘a(chǎn)品，直徑為28 mm，厚度10 mm，量程為0～500 kPa，靈敏度為≤0．1%F．S。采用自制的高300 mm，直徑150 mm的圓柱形鋼桶，將土壓力盒埋入與模型試驗(yàn)相同的密實(shí)度的砂土中，采用多級(jí)砝碼加載率定土壓力盒的系數(shù)［11～15］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂標(biāo)的結(jié)果與出廠標(biāo)定的結(jié)果誤差較小，最大的誤差為7%，因此在本次試驗(yàn)中，直接采用土壓力盒的出廠標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行土壓力的計(jì)算。

2．2 試驗(yàn)方案

進(jìn)行了直孔樁、3個(gè)盤(pán)的DX樁以及一個(gè)盤(pán)的DX樁3組試驗(yàn)，見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

所有的模型樁均采用預(yù)埋的方法設(shè)置。在填土?xí)r，先將模型樁固定在木制夾具中定位，放置在試驗(yàn)箱的預(yù)定部位，保證樁身軸線垂直。再往試驗(yàn)箱中分層填土并夯實(shí)，每一層砂用量為一桶，大約23 kg，先將砂面撫平，然后用自制的擊錘滿鋪夯實(shí)兩遍。當(dāng)砂面到達(dá)預(yù)埋土壓力盒的高度時(shí)，將土壓力盒按照設(shè)計(jì)部位埋入，用砂壓實(shí)，再繼續(xù)填土，直至預(yù)設(shè)高度。靜置模型裝置12 h然后進(jìn)行試驗(yàn)。微型土壓力盒的埋設(shè)部位為樁底與盤(pán)底正下方的位置，以及與正下方的土壓力盒間隔30 mm的部位，土中應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 各組試驗(yàn)Q－s曲線結(jié)果的分析

圖3為直孔樁(S1)與3個(gè)承力盤(pán)DX樁(DX3)的Q－s曲線。由圖可以看出，在相同的樁長(zhǎng)和樁徑的條件下，DX樁的Q－s曲線呈現(xiàn)明顯的緩變型。當(dāng)沉降達(dá)到1 mm時(shí)，直孔樁的承載力約為500 N，而DX樁的承載力高達(dá)1800 N左右。由于采用鋁管作為樁身材料，表面較為光滑，樁土之間的摩擦力比實(shí)際情況偏小，從而導(dǎo)致直孔樁的承載力偏小。而對(duì)于DX樁，由于其承力盤(pán)的作用，在側(cè)摩阻力減小的情況下，承載力仍可以穩(wěn)定在較高水平。

圖2 土中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig．2 Layout of measuing point in soil

圖3 直孔樁與DX樁(3個(gè)盤(pán))的Q－s曲線Fig．3 Q －s curves of straight piles and DX piles(three bells)

圖4為一個(gè)承力盤(pán)的DX樁(DX1a和DX1b)的Q－s曲線，圖中虛線為承力盤(pán)在下部的情況即DX1a，實(shí)線為承力盤(pán)在上部的情況即DX1b。從圖5可以看出，兩種情況的Q－s曲線差別不大。但是，承力盤(pán)在下部的情況會(huì)略優(yōu)于承力盤(pán)在上部的情況。造成這種差別的原因在于，地基土每一層都采用相同的條件進(jìn)行控制，但下部的土體由于上覆土層的影響，會(huì)比上部土體稍密實(shí)，承載力則相應(yīng)提高，承力盤(pán)位于該層土體時(shí)所提供的承載力也相應(yīng)提高。同時(shí)，亦可認(rèn)為，承力盤(pán)作用的發(fā)揮雖然受到從上到下的順序效應(yīng)的影響，但是在僅有一個(gè)承力盤(pán)的情況下，承力盤(pán)埋深對(duì)于承載力的發(fā)揮并沒(méi)有直接的影響。

圖5為直孔樁與不同情況DX樁的Q－s曲線。這些DX樁包括3個(gè)承力盤(pán)的DX樁、兩個(gè)承力盤(pán)的DX樁、一個(gè)承力盤(pán)但盤(pán)位分別在上下兩種情況的DX樁。從圖5可以清楚地看出，無(wú)論哪種情況的DX樁，與直孔樁相比，承載力的提高和沉降的控制效果都是非常明顯的;隨著盤(pán)數(shù)的增加，DX樁承載力也逐漸提高，且沉降控制的效果越好。

3．2 一個(gè)承力盤(pán)的DX樁的土中應(yīng)力分布

為了進(jìn)一步研究DX樁樁周土的受力情況，在盤(pán)周埋設(shè)了土壓力盒。一個(gè)承力盤(pán)的DX樁的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2(a)和(b)。此處分別選取DX1a－1和DX1b－2的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖6和圖7。

圖4 一個(gè)承力盤(pán)的DX樁的Q－s曲線Fig．4 Q －s curves of DX piles with one bell

圖5 直孔樁與不同情況DX樁的Q－s曲線Fig．5 Q －s curves of straight pile and DX piles

結(jié)果表明，樁端下部的土壓力盒受力最大，其次為盤(pán)下部的兩個(gè)土壓力盒，而盤(pán)外側(cè)的土壓力盒受力最小。對(duì)比兩個(gè)圖可以看出:

1)當(dāng)位移均為3 mm時(shí)，盤(pán)在下部的 DX樁(DX1a)，盤(pán)底的土壓力要大于相同情況下盤(pán)在上部的情況(DX1b)。盤(pán)在下部的時(shí)候壓力大致為120 kPa，而盤(pán)在上部時(shí)平均壓力只有30 kPa。這與通過(guò)Q－s曲線得出的分析結(jié)果是一致的。

圖6 模型樁DX1a－1的土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．6 Results of earth pressure cells of DX1a －1

圖7 DX1b－2的土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．7 Results of earth pressure cells of DX1b －2

2)樁底量測(cè)的土壓力盒結(jié)果，盤(pán)在下部的DX樁的壓力平均為45 kPa，而盤(pán)在上部時(shí)僅為7 kPa左右。從這個(gè)結(jié)果可以看出，當(dāng)盤(pán)在上部時(shí)，樁端兩側(cè)的土壓力盒僅受到來(lái)自樁端的微弱影響;而當(dāng)盤(pán)位于下部時(shí)，樁底量測(cè)的土壓力盒明顯受到來(lái)自承力盤(pán)荷載的影響，使其壓力值比盤(pán)在上部時(shí)高出數(shù)倍。承力盤(pán)在下部時(shí)，承力盤(pán)離樁端的測(cè)點(diǎn)的距離大約為4倍的樁徑，可見(jiàn)承力盤(pán)的豎向影響范圍大于4倍的樁徑。

3)承力盤(pán)兩側(cè)的土壓力盒的測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)論盤(pán)在上部還是下部，其結(jié)果相差不大，均在6～9 kPa這個(gè)范圍內(nèi)。可以認(rèn)為這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)基本位于承力盤(pán)影響擴(kuò)散范圍邊緣，受到承力盤(pán)的影響很小。

將上述結(jié)果與樁身承載力相比較，得出單位承載力引起的土中應(yīng)力與樁頂沉降之間的關(guān)系圖，見(jiàn)圖8和圖9。

單位承載力引起的樁端土壓力隨著位移的增加逐漸增加，而到了一定的階段，盤(pán)在上部時(shí)為2 mm，盤(pán)在下部時(shí)為1 mm，該值趨于穩(wěn)定。單位承載力引起的承力盤(pán)下的土壓力能夠較快的達(dá)到峰值，隨后便開(kāi)始下降。隨著位移的增加，盡管總的樁頂荷載在增加，但是單位荷載引起的土中應(yīng)力沒(méi)有繼續(xù)增長(zhǎng)，而是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由此可以說(shuō)明承力盤(pán)附近的力隨著位移的增加開(kāi)始向四周擴(kuò)散，盤(pán)周土發(fā)揮了巨大的作用，而對(duì)于樁端兩側(cè)和盤(pán)兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的土中應(yīng)力占總的比例一開(kāi)始便出現(xiàn)峰值，隨后略有下降并趨于穩(wěn)定。

圖8 DX1a－1的單位承載力引起的土中應(yīng)力Fig．8 Soil stress per unit load force of DX1a －1

圖9 DX1b－2的單位樁頂荷載引起的土中應(yīng)力Fig．9 Soil stress per unit load force of DX1b －2

3．3 兩個(gè)承力盤(pán)的DX樁的土中應(yīng)力分布

兩個(gè)承力盤(pán)的DX樁試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次，且兩次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果較為一致，因此選取DX2－2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。DX2－2樁的土壓力盒測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 DX2－2下部承力盤(pán)土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．10 Results of earth pressure cells of lower bell of DX2－2

從圖10和12中可以看出，上下兩個(gè)承力盤(pán)周?chē)耐翂毫惺芰Ρ容^一致。當(dāng)樁頂位移達(dá)到1．82 mm時(shí)，承力盤(pán)正下方的土壓力盒受力在60～80 kPa之間，兩側(cè)的土壓力盒受力很小，數(shù)值上最大值小于4 kPa，與正下方土壓力盒的受力相比可以忽略。

圖11 DX2－2承力盤(pán)中間的土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．11 Results of earth pressure cells between two bells of DX2－2

圖12 DX2－2上部承力盤(pán)土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．12 Results of earth pressure cells of upper bell of DX2－2

上下兩個(gè)承力盤(pán)中間的土壓力盒受力也比較明顯(見(jiàn)圖11)。靠近樁身的兩個(gè)土壓力盒受力在15～20 kPa之間，而外側(cè)的土壓力盒受力分別為5．5 kPa和7．0 kPa。外側(cè)土壓力盒的測(cè)試結(jié)果略大于承力盤(pán)下方兩側(cè)的土壓力盒結(jié)果。該結(jié)果可以表明，承力盤(pán)對(duì)力的擴(kuò)散作用還是比較明顯的，而外側(cè)土壓力盒的受力可以認(rèn)為主要由承力盤(pán)的受力引起。目前，由于該位置距承力盤(pán)有兩倍盤(pán)徑的距離，故受力已經(jīng)很小，可以認(rèn)為承力盤(pán)引起的受力在豎向的擴(kuò)散范圍為2倍的盤(pán)徑?？拷鼧渡淼耐翂毫袦y(cè)試結(jié)果包含了兩方面的受力，一個(gè)是側(cè)阻引起的受力，另一個(gè)是上部承力盤(pán)引起的受力。目前還不能很好地區(qū)分這兩部分受力，需進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3．4 3個(gè)承力盤(pán)的DX樁的土中應(yīng)力分布

圖13為3個(gè)承力盤(pán)的DX樁，即DX3－3各盤(pán)正下方的土壓力盒的受力情況。從圖13可以看出，當(dāng)位移達(dá)到1．8 mm時(shí)，下部承力盤(pán)的受力最大，數(shù)值上大于100 kPa，而上部承力盤(pán)下方的土壓力盒受力最小，大致在60 kPa左右，兩者相差較大，達(dá)到40%。而兩個(gè)承力盤(pán)的DX樁在相同位移下，相同位置上的土壓力均在60～80 kPa之間，說(shuō)明3個(gè)承力盤(pán)的DX樁承載力提高，導(dǎo)致了下盤(pán)受力增大，從而引起下盤(pán)周?chē)林袘?yīng)力的增長(zhǎng)，而上盤(pán)基本上維持和兩個(gè)盤(pán)DX樁一致的水平。

圖13 DX3－3(3盤(pán))各盤(pán)正下方土壓力盒測(cè)試結(jié)果Fig．13 Results of earth pressure cells under each bell of DX3－3

圖14為3個(gè)盤(pán)的DX樁上盤(pán)和中盤(pán)正下方約1倍盤(pán)徑處的土壓力盒的受力情況。從圖中可以看出，1倍盤(pán)徑處土中應(yīng)力仍然處于較高的水平，尤其是中盤(pán)下方的土應(yīng)力，仍然有70 kPa左右，土中應(yīng)力衰減較慢，而上盤(pán)下方的土應(yīng)力相對(duì)較小，大致在30～40 kPa之間。

圖14 DX3－3(3盤(pán))各盤(pán)正下方1倍盤(pán)徑處土壓力盒結(jié)果Fig．14 Results of earth pressure cells under each bell about 1 bell diameter of DX3－3

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析，可以得出以下幾條結(jié)論:

1)在砂土材料的地基土中，DX樁的承載力及沉降特性明顯優(yōu)于相同情況下的直孔樁，但小比尺試驗(yàn)中直孔樁的側(cè)摩阻力偏小造成承載力比實(shí)際偏小，而DX樁承力盤(pán)作用明顯，在側(cè)阻偏小的情況下仍能維持比較高的承載力。

2)DX樁承力盤(pán)的不同位置(上部和下部)對(duì)承載力的影響不明顯，設(shè)置在下部時(shí)承載力略高。但是承力盤(pán)設(shè)置在上部時(shí)，承力盤(pán)引起的土中應(yīng)力僅在一定深度范圍內(nèi)擴(kuò)散，不會(huì)擴(kuò)散至樁底，而盤(pán)在下部時(shí)，由于擴(kuò)散距離有限，會(huì)引起樁端附近的土體應(yīng)力增大，且樁軸線下方土體的應(yīng)力亦會(huì)增加。

3)對(duì)于兩個(gè)盤(pán)的DX樁，上下盤(pán)的受力比較一致，土中應(yīng)力分布情況也相似。試驗(yàn)結(jié)果表明，承力盤(pán)受力引起的土中應(yīng)力分布在豎向方向大致在2倍的盤(pán)徑左右。

4)對(duì)于3個(gè)盤(pán)的DX樁，3個(gè)盤(pán)周?chē)耐馏w應(yīng)力擴(kuò)散范圍從上往下逐漸增大，但是幅度較小。隨著樁頂荷載的增大，在相同位移的情況下，下部承力盤(pán)周的土體應(yīng)力與兩個(gè)承力盤(pán)的DX樁相比受力更大。

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