支盤(pán)樁群樁抗拔承載性狀試驗(yàn)研究

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

支盤(pán)樁是在我國(guó)20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的新型樁，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其工程應(yīng)用不斷擴(kuò)展[1-5].但國(guó)內(nèi)外在上拔荷載作用下群樁的試驗(yàn)研究資料十分少，在各類規(guī)范中也少有反映.為了滿足設(shè)計(jì)和施工的需要，有必要對(duì)支盤(pán)群樁在上拔荷載作用下的工作性狀作一些分析.筆者通過(guò)多組支盤(pán)樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)支盤(pán)樁群樁的抗拔機(jī)理和承載性能進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)概況

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)主要研究?jī)蓸逗退臉吨ПP(pán)群樁的抗拔承載性能，并與相同的等直徑群樁進(jìn)行比較.試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的參數(shù)，包括承臺(tái)頂上拔位移、樁身應(yīng)變以及樁周土壓力變化等.試驗(yàn)裝置由模型試驗(yàn)箱、模型等直徑群樁和支盤(pán)群樁、上拔荷載加載裝置及測(cè)量?jī)x器等組成.模型試驗(yàn)箱尺寸為1 200 mm×600 mm×850 mm，模型樁采用鋁合金管，外徑為18 mm,壁厚為1.5 mm,樁和承臺(tái)總高度為650 mm,支盤(pán)直徑為60 mm.模型群樁之間的樁距為120 mm.微型土壓力盒布置在盤(pán)體上方兩側(cè)，距盤(pán)10 mm處，上盤(pán)頂壓力盒記為1，2號(hào)，其中1號(hào)在群樁外側(cè)，2號(hào)在群樁內(nèi)側(cè)；下盤(pán)頂土壓力盒記為3，4號(hào)，其中3號(hào)在群樁外側(cè)，4號(hào)在群樁內(nèi)側(cè).樁身的尺寸及應(yīng)變片位置如圖1所示.

圖1 模型樁及應(yīng)變片示意圖(單位:mm)

試驗(yàn)在粉土中進(jìn)行，土的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 模型試驗(yàn)土體參數(shù)

試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)加載采用慢速維持荷載法，分級(jí)加載每級(jí)50 N，當(dāng)模型樁承臺(tái)的上拔位移為6 mm左右時(shí)終止加載.

圖2 試驗(yàn)加載裝置

2 抗拔群樁的承載力分析

等直徑樁和支盤(pán)樁雙樁和四樁群樁試驗(yàn)得到的Q—S曲線如圖3，4所示.

圖3 支盤(pán)雙樁與等直徑雙樁群樁Q—S曲線

圖4 支盤(pán)四樁與等直徑四樁群樁Q—S曲線

由圖3,4可以看出:在上拔荷載的作用下，支盤(pán)樁雙樁、四樁承載力都遠(yuǎn)大于等直徑群樁，如果以上拔位移5 mm為承載力控制條件，對(duì)于兩樁群樁，等直徑群樁的上拔承載力約為270 N，支盤(pán)樁群樁的上拔承載力約為580 N，所以支盤(pán)樁群樁的承載力比等直徑群樁提高了約115%；而四樁群樁，等直徑群樁上拔承載力約為550 N，支盤(pán)樁群樁的上拔承載力約為1 110 N，所以支盤(pán)樁群樁的承載力比等直徑群樁提高了約102%.由此可見(jiàn)：支盤(pán)樁群樁的抗拔承載力明顯好于相對(duì)應(yīng)的等直徑群樁.這是由于支盤(pán)樁中上下兩盤(pán)可以很好地發(fā)揮其端承作用，從而大大提高了群樁的抗拔承載力.

同時(shí)，隨著樁數(shù)增加一倍，等直徑群樁的承載力幾乎也增大一倍，說(shuō)明此時(shí)對(duì)等直徑群樁而言，其群樁效應(yīng)可以忽略，原因是其樁距120 mm已足夠大(是樁徑18 mm的6.7倍)，樁周與土體的摩擦力傳至土體的應(yīng)力幾乎不存在疊加問(wèn)題，因此群樁的承載力與樁數(shù)成正比.

而支盤(pán)樁群樁承載力沒(méi)有像相應(yīng)的等直徑群樁那樣與樁數(shù)成比例增加，說(shuō)明隨著樁數(shù)的增加其表現(xiàn)出明顯的群樁效應(yīng)，這是由于支盤(pán)群樁主要靠盤(pán)體傳遞荷載，由盤(pán)的端承作用傳給土體的應(yīng)力擴(kuò)散范圍更大，造成群樁內(nèi)側(cè)土體存在各樁的盤(pán)傳來(lái)的應(yīng)力重疊現(xiàn)象，因此群樁中間的土體不能像單樁那樣給各盤(pán)提供充分的支撐力.

3 樁身軸力對(duì)比分析

根據(jù)樁身不同位置應(yīng)變片測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到相應(yīng)位置不同樁型、不同樁數(shù)群樁樁身軸力變化曲線如圖5—8所示.

圖5 支盤(pán)樁雙樁樁身軸力曲線

圖6 等直徑雙樁樁身軸力曲線

圖7 支盤(pán)四樁樁身軸力曲線

圖8 等直徑四樁樁身軸力曲線

根據(jù)以上各圖，對(duì)支盤(pán)樁雙樁、四樁群樁與相應(yīng)的等直徑群樁進(jìn)行對(duì)比分析，可知等直徑群樁的軸力近似呈線性分布，而支盤(pán)群樁的軸力為非線性的分布，在兩盤(pán)上下截面都發(fā)生了軸力的突變.兩個(gè)盤(pán)體分擔(dān)了大部分荷載，且隨著荷載的增加盤(pán)體分擔(dān)的荷載比例越大.以四樁為例，當(dāng)施加上拔荷載分別為400，800，1 200 N時(shí)(群樁中各單樁按總荷載的1/4計(jì)算)，單樁各測(cè)點(diǎn)的軸力如表2所示.

表2 不同荷載時(shí)雙盤(pán)四樁群樁各測(cè)點(diǎn)軸力

由表2數(shù)據(jù)可算得：隨著荷載增加，兩盤(pán)承受的荷載占總荷載的比例分別為58.9%，61.8%，67.7%.同時(shí)發(fā)現(xiàn)上盤(pán)分擔(dān)荷載的比例變化很小，分別為35.8%，36%，35.3%，而下盤(pán)分擔(dān)荷載的比例明顯增大，分別為19%，25.8%，32.3%，這也說(shuō)明下盤(pán)對(duì)承載力的貢獻(xiàn)在加載后期越來(lái)越顯著.這是支盤(pán)樁承載力明顯大于等直徑樁的根本所在.

4 樁周土壓力對(duì)比分析

不同樁型、不同樁數(shù)樁周土壓力變化曲線如圖9—12所示.

圖9 支盤(pán)樁雙樁土壓力變化曲線

圖10 等直徑雙樁土壓力變化曲線

圖11 支盤(pán)樁四樁土壓力變化曲線

圖12 等直徑四樁土壓力變化曲線

在上拔荷載作用下，將支盤(pán)雙樁、四樁與等直徑群樁進(jìn)行樁周土壓力對(duì)比分析可知：在施加相同荷載時(shí)，支盤(pán)樁群樁盤(pán)頂位置的土壓力增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等直徑群樁相應(yīng)位置的土壓力增量.以雙樁為例，當(dāng)施加荷載為100 N時(shí)，支盤(pán)樁上、下盤(pán)頂處1號(hào)和3號(hào)壓力盒的土壓力增量分別約為14.05，9.00 kPa，等直徑樁相應(yīng)位置土壓力增量分別約為3.50，2.19 kPa；當(dāng)施加荷載為300 N時(shí)，支盤(pán)樁1號(hào)和3號(hào)位置土壓力增量約為35.63，23.56 kPa，而等直徑樁相應(yīng)的土壓力增量約為7.11，4.36 kPa.

這是由于等直徑樁的荷載主要是通過(guò)樁周的摩擦力來(lái)傳遞的，很難有效的向周?chē)鷶U(kuò)散，再加上該摩擦力本身就較小，所以在離樁身一定距離的土壓力盒處的壓力增量很小.而支盤(pán)樁盤(pán)端的土壓力主要是由盤(pán)體對(duì)附近土體產(chǎn)生斜向擠壓作用，以斜向壓力的形式傳遞給周?chē)馏w，其擴(kuò)散范圍較大，因此盤(pán)頂附近的土壓力盒顯示的土壓力增量就較大，這也說(shuō)明支盤(pán)樁可以有效利用周?chē)^大范圍土體的承載作用.

同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載為300 N時(shí)，在雙樁群樁內(nèi)側(cè)的2號(hào)、4號(hào)土壓力盒處的土壓力增量值，等直徑樁為6.98，4.09 kPa，支盤(pán)樁為32.65，20.56 kPa，等直徑樁相同高度內(nèi)外兩側(cè)的土壓力增量相差不大，而支盤(pán)樁處在群樁內(nèi)側(cè)的土壓力增量要比相應(yīng)位置外側(cè)的土壓力增量值明顯要小，說(shuō)明支盤(pán)樁群樁內(nèi)側(cè)土體受群樁效應(yīng)影響明顯，有整體被抬起趨勢(shì)，這部分土體對(duì)盤(pán)體的支撐作用在減小，而等直徑群樁受到群樁效應(yīng)的影響較小.

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)上拔荷載作用下等直徑群樁和支盤(pán)樁群樁的兩組對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：相同樁距和樁數(shù)的群樁，支盤(pán)樁群樁承載力明顯大于等直徑群樁的承載力，同時(shí)支盤(pán)樁群樁受群樁效應(yīng)的影響要明顯大于等直徑樁，并隨著樁數(shù)增多，群樁效應(yīng)越顯著，造成其多樁時(shí)的承載力增加比例沒(méi)有等直徑群樁大；群樁中的支盤(pán)樁單樁的承載機(jī)理與獨(dú)立單樁相似，荷載主要由盤(pán)體承受，在盤(pán)體上下樁身軸力均有突變，并且在多盤(pán)時(shí)承載力發(fā)揮先上后下，但其承載力由于群樁效應(yīng)要小于獨(dú)立單樁；支盤(pán)樁群樁所受到群樁效應(yīng)的影響，主要表現(xiàn)在由于各樁盤(pán)體傳來(lái)的應(yīng)力疊加作用，導(dǎo)致盤(pán)體附近范圍內(nèi)的群樁內(nèi)側(cè)土壓力小于外側(cè)土壓力，這也使得盤(pán)端的阻力減小，降低了其承載力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐和，秦惠紀(jì).上海商廈單群樁抗拔承載力的分析校核及設(shè)計(jì)[J].結(jié)構(gòu)工程師，1995(1)：31-36.

[2] 周淑芬，匡虹橋.黏土中超長(zhǎng)群樁豎向承載力模模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(9):1472-1475.

[3] 吳春萍，鄭威.豎向荷載下群樁的承載力分析[J].工程與建設(shè)，2011，25(6):798-801.

[4] 錢(qián)德玲.具有高抗拔性能的支盤(pán)樁在工程中的應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(4)：678-682.

[5] 孟凡麗,盧成原,壽鐵軍.擠擴(kuò)支盤(pán)樁的工程實(shí)踐及承載性能探討[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,3l(6):673-678.