新型壓入式自旋樁頭在黏土中的承載性能研究

湯保新，馬樂樂，李　琪

(1.揚州大學土木工程系，江蘇 揚州 225127；2.揚州市交通工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 揚州 225001；3.揚州大學基建處，江蘇 揚州 225127)

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新型壓入式自旋樁頭在黏土中的承載性能研究

湯保新1，馬樂樂2，李琪3

(1.揚州大學土木工程系，江蘇 揚州 225127；2.揚州市交通工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 揚州 225001；3.揚州大學基建處，江蘇 揚州 225127)

摘要：壓入式自旋樁頭是一種能提高地基承載力的新型樁頭。它帶有螺旋葉片，通過滾動軸承與樁連接，以靜壓方式進入土體，與一般預制螺旋樁不同的是樁身不產(chǎn)生扭矩，且大幅度提高預制樁的承載力。今對新型壓入式自旋樁頭的承載性能進行系統(tǒng)實驗研究，研究其在黏土中的入土階段和靜載階段的幾何參數(shù)對自旋角度和承載力的影響；并與砂土中試驗對比。結(jié)果表明：具有葉片的自旋樁頭其承載力比傳統(tǒng)光樁頭的承載力最高提高3.8倍，說明自旋樁頭極限承載力高于光樁頭；與砂土對比，自旋樁頭在砂土中的極限承載力均比黏土中高，最高達到3.2倍，說明自旋樁頭在黏土中的極限承載力低于砂土中的極限承載力。

關(guān)鍵詞：壓入式自旋樁頭；極限承載力；自旋角度；葉片

預制螺旋樁[1-4]是一種新型變截面樁，有著承載力高、環(huán)保、施工方便的優(yōu)點，但預制螺旋樁在旋轉(zhuǎn)入土過程中需承受較大扭矩，而且擠土效應明顯；灌注螺旋樁[5-6]無擠土效應，但對施工精度要求較高。壓入式自旋樁頭是在預制樁底端設(shè)置的一種可以旋轉(zhuǎn)的新型樁頭(樁尖)，采用靜壓法(無須施加扭矩)隨預制樁進入土體；在壓樁過程中，樁頭帶有螺旋葉片，可在土體中因受被動土壓力而自旋。文獻[7]研究了壓入式自旋樁頭在砂土中的承載特性，在此基礎(chǔ)上，本文對壓入式自旋樁頭在黏土中的承載性能進行試驗研究，并作一對比。

1試驗概況

1.1樁頭基本參數(shù)

本次試驗共設(shè)計了12根自旋樁頭(圖1)，材料都是Q235鋼材。試驗分組見表1。

1.2土體基本參數(shù)

采用環(huán)刀取黏土試樣[8-9]測試參數(shù)如下：含水量w=35%，密度ρ=1.95g/cm3，飽和度Sr=0.8。

1.3試驗方法

靜載試驗[8-11]是確定單樁承載力的主要方法。本次試驗采用第二拐點法確定極限承載力，符合自旋樁頭的受力特點。試驗裝置見圖2。

1.4試驗過程

本試驗分為兩個過程：入土過程和靜載過程。入土過程試驗是通過升降機以115mm/min的速率把自旋樁頭均勻壓入土中。試驗總壓入深度為1 000mm(共分十級)，向黏土中每壓入一級(100mm)記錄一次，測得樁頭的自旋角度和樁周土體表面在離樁1倍、2倍和3倍樁徑處的隆起量。靜載過程是使用油壓千斤頂在樁頭頂部加載，通過壓力傳感器控制加壓荷載，用百分表讀取樁頭沉降量。

表1　樁型參數(shù)

圖2　試驗裝置

2試驗結(jié)果

2.1入土過程分析

2.1.1葉片角度對樁頭自旋的影響

根據(jù)B1與B2、C1與C2、D1與D2入土過程中自旋角度的對比可知：當葉片寬度(均為45mm)相同而角度不同(80°與60°)時，B2比B1提高了131.1%，C2比C1提高了535.1%，D2比D1提高了460.9%。總體來說，葉片角度大時自旋角度大。其中，二葉片樁頭(C1與C2)的葉片角度影響最顯著，自旋角度比值高；而單葉片樁頭(B1與B2)的葉片角度影響最小，自旋角度比值低。

試驗還表明：單葉片(B1和B2)的自旋角度較大。

2.1.2葉片寬度對樁頭自旋的影響

根據(jù)B2與B3、C2與C3、D2與D3入土過程中自旋角度的對比可知：對于葉片角度相同(均為80°)而寬度不同(45mm與90mm)時，B2比B3提高了9.32%，C2比C3提高了73.2%，D2比D3提高了57.3%。總體來說，葉片寬度小時自旋角度大。其中，二葉片樁頭(C2與C3)的葉片寬度影響最顯著，自旋角度比值高；而單葉片樁頭(B2與B3)的葉片寬度影響最小，自旋角度比值低。

試驗還表明：單葉片(B2和B3)的自旋角度較大，而三葉片(D2)自旋角度最大。

2.1.3葉片數(shù)量對樁頭自旋的影響

根據(jù)B1、C1、D1、E1、B2、C2、D2、B3、C3、D3、E3入土過程中自旋角度的對比可知：對于葉片角度60°、葉片寬度45mm的自旋樁頭(B1、C1、D1、E1)，單葉片B1自旋角度最大；對于葉片角度80°、葉片寬度45mm的自旋樁頭(B2、C2、D2)，三葉片D2自旋角度最大，且是二葉片C2的1.3倍；對于葉片角度80°、葉片寬度90mm的自旋樁頭(B3、C3、D3、E3)，單葉片B3自旋角度最大，且是三葉片D3的1.7倍?？傮w來說，單葉片自旋角度較大，可能是因為單葉片入土后，葉片對土體擾動小，葉片能有效依靠土體反力推動葉片自旋。

2.2靜載試驗分析

根據(jù)樁的Q-S曲線，用第二拐點法判定本次試驗的12根自旋樁頭的極限承載力，以無葉片樁頭A的極限承載力12kN為參照，B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E3的承載力均有較大提高，見表2。

表2　12根樁頭極限承載力

為了確定影響樁頭承載力的因素，根據(jù)試驗，分析葉片寬度、葉片角度、葉片數(shù)量作為影響承載力的因素。

2.2.1葉片角度對承載力的影響

根據(jù)B1與B2、C1與C2、D1與D2靜載過程中承載力的對比可知：單葉片、葉片寬度45mm的自旋樁頭的承載力在升角越小時，極限承載力反而越大；三葉片、葉片寬度45mm的自旋樁頭葉片角度對承載力影響不大，承載力基本相同?？傮w來說，葉片角度小的承載力相對較高。

2.2.2葉片寬度對承載力的影響

根據(jù)B2與B3、C2與C3、D2與D3靜載過程中承載力的對比可知：自旋樁頭的承載力隨著葉片寬度增大基本不變。

2.2.3葉片數(shù)量對承載力的影響

根據(jù)第一組(B1、C1、D1、E1)、第二組(B2、C2、D2)、第三組(B3、C3、D3、E2)共三組試件的承載力對比可知：B1、C1、E1分別比D1的承載力提高了27.8%、11.1%、27.8%，C2、D2比B2自旋樁頭的承載力提高了28.6%、12.5%，C2、D2、E3比B3自旋樁頭的承載力提高了6.7%、20%、33.3%。說明葉片的數(shù)量改變對承載力的影響比較復雜。在第一組(60°、45mm)中，三葉片承載力最小，四葉片和二葉片承載力最大。在第二組(80°、45mm)中三葉片的承載力最高，單葉片的承載力最小。在第三組(80°、90mm)中，四葉片的承載力最高，單葉片的承載力最小?？傮w來說，葉片數(shù)量多的承載力相對較高。

2.2.4樁頭的選擇

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)分析可知，葉片角度和數(shù)量對承載力影響大，葉片寬度影響不顯著。

葉片角度對樁的承載力影響最大，且單葉片、兩葉片角度越大而承載力越低。然而，當葉片寬度增加1倍時，承載力也會提高，但提高幅度不大；因此，可知在黏土中，葉片角度60°、葉寬45mm的自旋樁頭承載力最大。而從旋轉(zhuǎn)角度可以看出，葉片角度60°、葉寬45mm的自旋樁頭，其二葉片、三葉片、四葉片的旋轉(zhuǎn)角度都很小，因此可以得出結(jié)論，單葉片角度60°、葉寬45mm的自旋樁承載力提高幅度最大，且能較好地旋轉(zhuǎn)進入土體。

3樁頭在黏土與砂土中的對比分析

本文與文獻[7]試驗進行對比，結(jié)果見表3、表4。

表3　樁頭在黏土和砂土中旋轉(zhuǎn)角度及其對比

表4　樁頭在黏土和砂土中承載力及其對比

3.1入土過程中自旋角度對比

由表3可知：總體來說，自旋樁頭在砂土中的旋轉(zhuǎn)角度略大。

3.2靜載試驗中承載力對比

由表4分析可知：12根樁頭在砂土中的極限承載力均大于在黏土中的極限承載力。

4結(jié)語

本文通過12根壓入式自旋樁頭在黏土中的入土階段和靜載試驗階段的試驗，分析了自旋樁頭葉片角度、葉片寬度、葉片數(shù)量的改變對自旋樁頭自旋角度和承載力的影響，得出了如下結(jié)論：

1)葉片角度越大，樁頭旋入土體的角度越大，樁頭越容易進入土體。

2)單葉片和雙葉片中葉片角度變大，承載力提高；而三葉片角度變大，承載力不變。

通過壓入式自旋樁頭在黏土和砂土中的對比，得出了如下結(jié)論：

1)自旋樁頭在砂土中的旋轉(zhuǎn)角度總體上略大。

2)12根樁頭在砂土中的極限承載力均大于在黏土中的極限承載力。

參 考 文 獻

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收稿日期：2016-02-24

基金項目：江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技指導項目(2013ZD16)

作者簡介：湯保新(1967—)，男，湖北襄陽人，副教授，從事混凝土結(jié)構(gòu)教學及抗震研究。

中圖分類號：TU473.1

文獻標志碼：B

文章編號：1008-3707(2016)07-0027-03

Study on the Load Carrying Performance of theNew Press-in Type Spin Pile Head

TANG Baoxin1, MA Lele2, LI Qi3