堆載下擴(kuò)底樁與等直徑樁負(fù)摩阻力對比模型試驗(yàn)研究

張?zhí)熘?，邵先鋒，劉志鵬

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230071；3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

0 前言

擴(kuò)底樁是通過在常規(guī)樁基端部進(jìn)行擴(kuò)大頭施工形成局部樁徑較大的樁基形式；擴(kuò)大頭的存在可以有效提高樁端阻力的發(fā)揮，提高整體基樁的豎向抗壓或抗拔承載力，工程界實(shí)際應(yīng)用中擴(kuò)底樁通常被用于抗拔樁應(yīng)用[1]。

針對擴(kuò)底樁的豎向抗壓或抗拔以及水平向承載性能，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究；研究結(jié)果表明，等混凝土用量情況下，豎向抗壓極限承載力方面，擴(kuò)底樁能較常規(guī)等直徑樁提高近50%左右[2-4]；豎向抗拔極限承載力方面，擴(kuò)底樁可以較常規(guī)等直徑樁提高近30%左右[5-8]；水平荷載作用下樁頂以下2倍樁徑處彎矩達(dá)到極大值，樁底擴(kuò)大頭處也承受相對較大的彎矩[9，10]。針對擴(kuò)底樁的負(fù)摩阻力特性，部分學(xué)者也開展了數(shù)值模擬分析，初步探討了地面堆載條件下擴(kuò)底樁的樁頂下拽位移、樁身下拽力的變化規(guī)律[11]；然而，該數(shù)值模擬缺少有效的試驗(yàn)驗(yàn)證。

因此，本文基于模型試驗(yàn)方法，設(shè)計等混凝土用量的兩根擴(kuò)底樁和等直徑樁，開展砂性土地基中樁基負(fù)摩阻力特性對比試驗(yàn)；初步探討分析地面堆載條件下擴(kuò)底樁與等直徑樁的負(fù)摩阻力特性，以及擴(kuò)大頭對樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)簡介

1.1 模型槽

本文試驗(yàn)采用的模型槽（尺寸為2m×2m×2.5m（長×寬×高）），采用單塊重量為1kN的標(biāo)準(zhǔn)試件來提供地面堆載。模型槽及加載裝置實(shí)物圖如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫贾眉皯?yīng)力計、位移計等測試元器件等示意圖如圖2所示。

圖1 模型槽及各方向加載裝置實(shí)物圖

圖2 模型試驗(yàn)布置示意圖

1.2 模型試驗(yàn)土體填筑

選用砂性土地基作為模型試驗(yàn)的土層材料，在進(jìn)行模型樁位的確定和樁身定位之前，先在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆兜撞肯忍钪?.5 m厚砂性土，然后，再進(jìn)行填筑砂土至樁頂位置處。砂性土體積約為10 m3，填砂時控制一定的落砂高度，分層整平壓實(shí)，以保證模型槽中砂性土的密實(shí)度。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)方法，獲得砂性土具體的物理、力學(xué)性質(zhì)（見表1所示），砂性土顆分試驗(yàn)結(jié)果、土體填筑完成后現(xiàn)場CPT試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和4所示。

圖3 砂土顆分試驗(yàn)結(jié)果曲線

圖4 砂土CPT試驗(yàn)結(jié)果

1.3 模型樁的制作

針對2根等混凝土用量的擴(kuò)底樁和等直徑樁，采用不銹鋼材料制作澆筑模型樁的模具，制作鋼筋籠（主筋3φ8，箍筋φ6@155），并在鋼筋籠內(nèi)側(cè)布置混凝土應(yīng)力計；澆筑模具、鋼筋籠及澆筑完成的模型樁實(shí)物圖如圖5所示。采用42.5號水泥澆筑混凝土，其水灰比為0.47：1：1.342：3.129，混凝土強(qiáng)度等級為C20；澆筑混凝土材料時，按照規(guī)范要求制作3個15cm×15cm×15cm標(biāo)準(zhǔn)試樣，混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測得其平均抗壓強(qiáng)度為21.2 GPa。

砂性土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖5 擴(kuò)底樁模型樁澆注模具、鋼筋籠及澆注完成模型樁

1.4 試驗(yàn)操作過程

本文試驗(yàn)采用快速維持荷載法分級加載，各級荷載下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)以及終止加載條件都參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）[12]中關(guān)于靜載荷試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容確定。每級加載后，在維持荷載不變的前提下，進(jìn)行樁頂沉降的測量，并進(jìn)行樁身傳感器的測量；然后再加下一級荷載，直到試驗(yàn)達(dá)到終止條件，并結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樁頂下拽位移

不同地面堆載等級條件下擴(kuò)底樁和等直徑樁的樁頂下拽位移變化規(guī)律曲線如圖6所示；由圖6可見，樁頂下拽位移隨著地面堆載等級的增加而不斷增大，堆載初期（0～30 kPa），同等級地面堆載條件下，等直徑樁的樁頂下拽位移要比擴(kuò)底樁大；換言之，在這堆載范圍內(nèi)，等直徑的樁身下拽力要比擴(kuò)底樁的大；當(dāng)堆載等級＞30 kPa時，荷載逐漸傳遞到下部土層中，擴(kuò)底樁的擴(kuò)大頭開始影響樁頂下拽位移；這使得擴(kuò)底樁的樁頂下拽位移大于等直徑樁，其樁身下拽力要比等直徑樁的大。

圖6 地面堆載等級與樁頂下拽位移關(guān)系曲線

2.2 地面堆載引起樁身下拽力

地面堆載等級與樁端阻力的關(guān)系曲線如圖7所示；當(dāng)堆載等級＜10 kPa時，擴(kuò)底樁與等直徑樁的樁端阻力基本相差不大；兩種模型樁的樁端阻力均隨著堆載等級的增加而逐漸增大，由于樁端擴(kuò)大頭的存在，導(dǎo)致樁端受力面積明顯增大，從而增大了樁身下拽力值；本文試驗(yàn)條件下，擴(kuò)底樁的樁端阻力約較等直徑樁提高0.55倍。

不同地面堆載等級下的樁身軸力分布曲線如圖8所示；由圖8可見，樁身軸力隨著堆載等級的增加而不斷增大，同等級荷載條件下，樁身軸力隨深度先增大后減小。由圖8(a)可見，在樁身上部（0～1.0 m），擴(kuò)底樁的樁身軸力分布曲線斜率隨堆載荷載等級的增大而增大，這反映了上部的樁側(cè)摩阻力逐漸增大；在樁身下部（1.0m～2.0m），樁身軸力和樁側(cè)摩阻力均逐漸減小，說明在靠近樁底附近，樁端阻力開始起到主導(dǎo)作用，分擔(dān)樁身下拽力的大部分；由圖8(b)可見，等直徑樁的樁身軸力變化幅度不大，說明樁身軸力比較小，主要的荷載是由樁端阻力來承擔(dān)的。

圖7 地面堆載等級與樁端阻力關(guān)系曲線

圖8 不同地面堆載等級下樁身軸力分布曲線

3 結(jié)論

針對2根等混凝土用量的擴(kuò)底樁和等直徑樁，本文開展了地面堆載條件下樁基承載特性的對比模型試驗(yàn)，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

①地面堆載初期，由于等直徑樁的周長大于擴(kuò)底樁而導(dǎo)致其樁頂下拽位移比擴(kuò)底樁大；隨著地面堆載等級的提高，擴(kuò)大頭發(fā)揮影響，導(dǎo)致擴(kuò)底樁的樁頂下拽位移大于等直徑樁。

②本文試驗(yàn)條件下，50kPa地面堆載作用下擴(kuò)底樁的樁頂下拽位移和樁身下拽力分別約較等直徑樁提高0.3倍和0.5倍。