水平荷載作用下混凝土擴(kuò)盤樁研究現(xiàn)狀及工作機(jī)理★

錢永梅 王 潔 王若竹 翟 蓮

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130118)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

水平荷載作用下混凝土擴(kuò)盤樁研究現(xiàn)狀及工作機(jī)理★

錢永梅1,2王 潔1王若竹1翟 蓮1

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130118)

總結(jié)了水平荷載作用下擴(kuò)盤樁的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合樁身及樁周土體的荷載傳遞規(guī)律，闡述了混凝土擴(kuò)盤樁在水平荷載作用下的工作機(jī)理,提出了需要在破壞機(jī)理及承載力等方面進(jìn)一步研究的內(nèi)容，為該型樁的推廣應(yīng)用提供借鑒。

混凝土擴(kuò)盤樁，水平荷載，承載力，彎矩

1 概述

混凝土擴(kuò)盤樁作為一種新型樁，在工程領(lǐng)域發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于擴(kuò)大盤的存在，使得混凝土擴(kuò)盤樁單樁抗壓承載力有了極大的提高，同時(shí)具有良好的抗拔性能。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，其豎向承載性能的研究基本趨于完善。近些年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益增長(zhǎng)，城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)和利用，不同功能和種類的建設(shè)項(xiàng)目日益增多，土木工程中的建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、地下空間工程的基礎(chǔ)承受水平荷載作用，甚至承受水平動(dòng)力荷載的情況也逐漸增多，如：地震，風(fēng)力，海洋平臺(tái)，高壓電網(wǎng)及深基坑支護(hù)等等。如何解決工程結(jié)構(gòu)中，水平荷載作用下，樁基礎(chǔ)的抗傾覆承載力已成為目前一個(gè)經(jīng)常面臨并急需解決的問(wèn)題。普通的混凝土等截面直孔灌注樁的抗傾覆能力十分有限，混凝土擴(kuò)盤樁作為一種新型變截面樁，當(dāng)然是解決抗傾覆問(wèn)題最有效的方式，在實(shí)際工程中的應(yīng)用也日益廣泛。由于擴(kuò)大盤的存在，使其表現(xiàn)出了良好的水平承載性能，并可以有效減小樁長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。雖然近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的研究取得了一定的進(jìn)展，但是，混凝土擴(kuò)盤樁仍處于初期探索階段，國(guó)內(nèi)、外對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的研究成果更多地集中在抗壓、抗拔承載力的研究，對(duì)水平荷載作用下的破壞機(jī)理及承載力研究相對(duì)欠缺，到目前為止，僅有少量文獻(xiàn)中對(duì)擠擴(kuò)多盤樁在水平受力狀態(tài)進(jìn)行了初步的研究，包括數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究。其中對(duì)于混凝土擴(kuò)盤樁水平承載力計(jì)算和設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)并不完善，因此，對(duì)于混凝土擴(kuò)盤樁水平承載性能的研究還有一定差距。

2 研究現(xiàn)狀分析

混凝土擴(kuò)盤樁自產(chǎn)生以來(lái)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁豎向抗壓抗拔承載性能的研究基本趨于完善，目前，對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁水平承載性能的研究成為工程領(lǐng)域一項(xiàng)新的研究熱點(diǎn)。

隆威教授通過(guò)有限元軟件Adina模擬，分析了不同位置設(shè)盤的擠擴(kuò)多盤樁在水平荷載作用下的承載力性能。提出支盤的埋設(shè)深度是影響支盤作用的重要因素，并提出盤徑、盤坡角也是影響支盤抵抗水平荷載的因素，其中，支盤的埋設(shè)深度對(duì)其影響最大[1]。

盧錫雷等人通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了當(dāng)支盤樁支盤設(shè)置在樁身上部、下部不同位置時(shí)，其荷載傳遞規(guī)律和樁土相互作用機(jī)理。提出支盤設(shè)置在樁身上部更能發(fā)揮支盤抵抗水平荷載的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，設(shè)盤位置要在土體可能隆起的范圍以下；取樁身中部某一點(diǎn)土體，相同水平力作用下，支盤設(shè)置在上部時(shí)這一點(diǎn)的土壓力更小[2]。

高笑娟的研究以普通樁在水平荷載下的解析解為依據(jù)，提出擠擴(kuò)支盤樁水平承載力計(jì)算方法。同時(shí)，通過(guò)有限元模擬，定性的分析了盤位置、個(gè)數(shù)、間距、直徑以及樁長(zhǎng)、樁徑、樁頂約束條件、土的特性對(duì)擠擴(kuò)支盤樁的水平承載性能的影響[3]。

王海天等人以彈性地基反力法為基礎(chǔ)，結(jié)合樁身變形曲線，利用有限差分法得出了支盤樁樁身位移和內(nèi)力的計(jì)算方法[4]。

盧成原教授以兩樁群樁為研究模型，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了樁間距分別為2D,2.5D,3D(D為盤徑)時(shí)，支盤樁群樁的受力和變形特征。提出隨樁距增大，樁身彎矩、撓曲變形均減??；樁頂位移增大時(shí)，擴(kuò)大盤發(fā)揮良好的平衡樁身彎矩的作用，盤下樁身彎矩明顯減?。粯毒嘣酱?，群樁效應(yīng)越微弱，當(dāng)樁距大于3倍盤徑時(shí)，群樁效應(yīng)可以不予考慮[5]。

趙利平教授以2×4排的群樁模型，研究探討了水平力下擠擴(kuò)多盤樁群樁的受力特性。文中首先分析了樁身彎矩的變化結(jié)果，提出群樁效應(yīng)和邊樁效應(yīng)同時(shí)對(duì)樁身彎矩產(chǎn)生影響。再次，當(dāng)樁間距離為2倍盤徑時(shí)，群樁效應(yīng)比較明顯，距離土表面0 m～2 m處的樁間土體存在應(yīng)力疊加現(xiàn)象。在水平荷載的分配比例方面，前排樁承受的水平荷載大于后排樁，而后排樁則先于前排樁與樁后土體分離[6]。

3 水平荷載作用下擴(kuò)盤樁的工作機(jī)理

3.1 剛性樁和彈性樁

在水平荷載作用下，根據(jù)樁土相對(duì)剛度的大小，樁分為剛性樁和彈性樁[2]。一般情況，當(dāng)樁徑較大，樁長(zhǎng)較短，樁周土體性質(zhì)較差時(shí)，認(rèn)為混凝土擴(kuò)盤樁為剛性樁，反之，為彈性樁。在水平力作用下，剛性樁繞樁身一點(diǎn)發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性樁則從樁頂?shù)綐抖顺蕭佄锞€變形，盤上樁身曲率大于盤下樁身，如圖1所示。

混凝土擴(kuò)盤樁的水平承載力主要取決于樁的尺寸和形狀，樁身強(qiáng)度和剛度以及樁周土的性質(zhì)，即土的抗剪強(qiáng)度[7]。剛性樁的水平承載力主要取決于樁周土強(qiáng)度，而彈性樁的水平承載力由樁身的抗彎剛度和樁周土強(qiáng)度共同決定。

3.2 水平荷載作用下混凝土擴(kuò)盤樁的工作機(jī)理

與普通混凝土直孔樁相比，由于擴(kuò)大盤的存在，增大了樁與土的接觸面積，當(dāng)混凝土擴(kuò)盤樁在水平力作用下產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí)，擴(kuò)大盤隨之產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，盤上下土體壓縮產(chǎn)生抗力，即抵抗彎矩，平衡樁身彎矩，使樁的水平承載力大大提高。本文以剛性樁為例，如圖2所示，論述水平力作用下混凝土擴(kuò)盤樁的荷載傳遞規(guī)律。

1)當(dāng)樁頂水平位移很小時(shí)，水平力由盤上樁身傳給上層土體，上層土體處于彈性壓縮狀態(tài)，產(chǎn)生抗力抵抗水平荷載。此時(shí)，由于混凝土擴(kuò)大盤樁側(cè)向位移很小，擴(kuò)大盤幾乎沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，盤周圍土體沒(méi)有產(chǎn)生明顯的抵抗彎矩。

2)荷載繼續(xù)增大，擴(kuò)大盤隨樁身發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，上層土體進(jìn)入

塑性變形狀態(tài)，土體變形區(qū)域沿樁身往下延伸，荷載傳給下部土體。此時(shí)，盤兩側(cè)土體由于被擠壓分別產(chǎn)生向上向下的抗力q，q′，形成抵抗彎矩M。抵抗彎矩大大平衡了樁身彎矩，使盤下樁身彎矩變小，從而提高水平承載能力，有效抵抗側(cè)向位移。同時(shí)，在水平力加載方向一側(cè)，上層土體壓縮范圍以外，會(huì)有部分土體微微隆起。這表明，當(dāng)樁頂位移很小時(shí)，擴(kuò)大盤基本不產(chǎn)生作用。只有樁頂位移足夠大，擴(kuò)大盤產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角時(shí)，盤周圍土體才會(huì)產(chǎn)生抵抗彎矩，擴(kuò)大盤的優(yōu)勢(shì)才得以發(fā)揮。在實(shí)際工程中，如果樁頂位移被嚴(yán)格限制，擴(kuò)大盤的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮。

4 結(jié)論與展望

混凝土擴(kuò)盤樁獨(dú)特的構(gòu)造，增大了樁土接觸面積，使其抵抗水平荷載的能力遠(yuǎn)大于普通混凝土直孔樁。實(shí)際工程中承受水平力的結(jié)構(gòu)比比皆是，混凝土擴(kuò)盤樁無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的有效方法。雖然對(duì)于混凝土擴(kuò)盤樁的水平承載性能，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了一定的研究，但僅限于有限元數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究結(jié)果也只是給出了粗略的定性分析。因此，對(duì)于混凝土擴(kuò)盤樁的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還應(yīng)從以下方面對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的水平承載性能做出更全面深入的研究：

1)目前的研究一般通過(guò)樁身應(yīng)變片和土中埋置的壓力盒收集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，不能真切看到破壞過(guò)程中樁身及樁周土體變化情況。針對(duì)這一問(wèn)題，可以采用錢永梅教授等人發(fā)明的可視半面樁室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，深入研究樁身及樁周土荷載傳遞規(guī)律及位移變化情況，分析水平荷載下混凝土擴(kuò)盤樁的破壞機(jī)理；2)由于室內(nèi)模型試驗(yàn)存在一定的局限性，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁水平力作用下的參數(shù)進(jìn)行收集對(duì)比分析；3)對(duì)各種影響因素給出確切的取值范圍，為混凝土擴(kuò)盤樁設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，完善混凝土擴(kuò)盤樁水平承載力計(jì)算模式。

[1] 隆 威，陳 賓.擠擴(kuò)支盤樁抵抗水平荷載作用的數(shù)值模擬分析[J].山西建筑，2008,34(2):9-10.

[2] 盧錫雷，盧成原，盧鴻凱.不同設(shè)盤支盤樁的水平承載性狀研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,39(1):51-56.

[3] 高笑娟，劉豐軍，李躍輝，等.樁的水平承載力若干問(wèn)題的探討[J].工程力學(xué)，2009,26(7):97-104.

[4] 王海天，王安華，張 鐵.水平荷載作用下擠擴(kuò)支盤樁的承載性能分析[J].江蘇建筑，2014,5(1):76-78.

[5] 盧成原，顏建華.不同樁距支盤樁群樁水平承載性狀試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2013,44(4):373-377.

[6] 趙利平，向 黎，盧 陳，等.水平荷載下擠擴(kuò)支盤樁群樁受力特性分析[J].工業(yè)建筑2009,39(10):52-56.

[7] 林海軍，夏良峰，劉 瑱.樁的水平承載力若干問(wèn)題的探討[J].浙江建筑，2009,26(5):26-29.

The research status and working mechanism of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load★

Qian Yongmei1,2Wang Jie1Wang Ruozhu1Zhai Lian1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China；2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

This article summarizes the research status of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load. Combining the load transfer law of pile and soil surrounding the pile, it describes the working mechanism of the concrete plates-expanded pile under the role of horizontal load and puts forward the need of further research for the destruction mechanism and capacity. This provides reference for designation and promotion of this type of pile.

concrete plates-expanded pile， horizontal load， bearing capacity, bending moment

1009-6825(2016)13-0062-02

2016-02-27★:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51278224)

錢永梅(1970- )，女，博士，教授； 王 潔(1989- )，女，在讀碩士； 王若竹(1971- )，男，教授；

TU473

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翟 蓮(1977- )，女，副教授