砂土中支盤樁抗壓性能試驗(yàn)研究

李旭華，張 昕，董 浩，周 震

(華北水利水電大學(xué)， 河南 鄭州 450046)

支盤樁是在普通灌注樁的基礎(chǔ)上，通過(guò)液壓支盤成型機(jī)在有限樁身縱向范圍內(nèi)的不同位置設(shè)置承力盤或承力分支，將原有的摩擦樁變?yōu)槟Σ炼嘀c(diǎn)端承樁，大幅度提高其豎向承載力的一種變截面樁結(jié)構(gòu)。相對(duì)于普通灌注樁，支盤樁充分利用樁周各土層的樁端承載力使其具有承載力高、沉降變形小、縮短工期、節(jié)約原材料、施工工藝簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，支盤樁作為一種新型樁基礎(chǔ)被廣泛的應(yīng)用于工程建設(shè)之中，并且多項(xiàng)工程實(shí)踐均表明支盤樁具有良好的社會(huì)效益[1-3]。眾多學(xué)者主要通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)支盤樁承載力、沉降變形特性和荷載傳遞進(jìn)行有關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。張敏霞等[4]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了透明土中支盤樁和直樁在荷載作用下的受力特性與變形機(jī)理，結(jié)果表明支盤承擔(dān)部分樁頂荷載，荷載傳遞規(guī)律發(fā)生改變且支盤間距亦會(huì)影響樁周土體變形特性。吳怡穎等[5]通過(guò)室內(nèi)小比尺試驗(yàn)指出支盤樁和直孔樁相比雙盤擠擴(kuò)樁的沉降量可比直孔樁減小86%，并且雙盤擠擴(kuò)樁的極限承載力為直孔樁的3倍。王成武等[6-7]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)支盤樁在靜載下的受壓過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明支盤樁的承載力比等截面樁大。李連祥等[8]通過(guò)有限元模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終分析得出支盤所處位置越深，荷載-沉降曲線越緩，后期承載力越高，支盤數(shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致樁基承載效率降低等。上述試驗(yàn)研究大部分通過(guò)在樁身貼應(yīng)變片或在樁周土體埋設(shè)土壓力盒等方式來(lái)獲取支盤樁的承載力和土體變形，無(wú)法深入、直觀的揭示樁-土之間的承載機(jī)制和相互作用[9-15]。

由于樁-土相互作用的復(fù)雜性，粒子圖像測(cè)速技術(shù)作為一種非接觸式的無(wú)損量測(cè)技術(shù)，可以更加直觀地揭示樁-土間的相互作用。因此，利用PIV技術(shù)對(duì)支盤樁在受豎向荷載作用下樁-土的相互作用和承載機(jī)制進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)備

本模型試驗(yàn)裝置主要包括：模型箱、加載裝置、照明輔助設(shè)備、高分辨率相機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和圖像處理軟件等。

模型箱尺寸為800 mm×580 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬×高)，模型箱外部框架結(jié)構(gòu)由厚度為10 mm的鋼化玻璃制成，因鋼化玻璃透明度較高對(duì)圖像拍攝不會(huì)造成顯著影響。雙支盤樁分為全模和半模，全模主要分析雙支盤樁承載力特性，半模用于觀測(cè)樁-土變形特性，樁身材料設(shè)計(jì)為Q245鋼樁，樁長(zhǎng)450 mm，主樁徑20 mm，盤徑50 mm，兩承力盤間距分別為125 mm,150 mm和175 mm。支盤樁頂部通過(guò)螺栓與試驗(yàn)機(jī)相連接，試驗(yàn)采用位移控制加載方式。

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為地基土，通過(guò)一系列土工試驗(yàn)和計(jì)算得出所用福建標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑為5 mm～10 mm，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為1.40和1.06；摩擦角分別為30.4°和39.2°，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中模型樁均采用預(yù)埋式，因此本文不討論安裝效應(yīng)對(duì)支盤樁抗壓特性的影響。為保證試樣整體密度一致，松砂試樣在控制一定落高的同時(shí)，還需進(jìn)行分層抹平，而密砂試樣則需每間隔3 cm進(jìn)行分層抹平并壓實(shí)，將試驗(yàn)砂土分層裝入使支盤樁達(dá)到預(yù)定的埋置深度后，靜置12 h，以使土體內(nèi)部應(yīng)力分布均勻。靜置完成后進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分別進(jìn)行5次，確保其準(zhǔn)確性，最后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙支盤樁承載特性

圖1(a)和圖1(b)分別為試驗(yàn)中雙支盤樁全模在密砂和松砂狀態(tài)下不同盤間距的荷載-沉降對(duì)比曲線圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙支盤樁荷載-沉降曲線

由圖1可知，雙支盤樁無(wú)論處在何種密實(shí)度中，其豎向承載力與位移關(guān)系曲線圖的大體走勢(shì)特征基本相似。根據(jù)豎向受壓狀態(tài)下單樁的荷載-沉降曲線可以將此曲線歸納為緩變型即屬于“漸進(jìn)破壞”，一般將其關(guān)系曲線圖可分為兩個(gè)階段。以密砂中的雙支盤樁為例。第一階段為彈性階段，此階段斜率較大且近似為直線，承載力和位移在這一階段呈現(xiàn)出線性關(guān)系，承載力隨位移增長(zhǎng)迅速。在該階段初始時(shí)，雙支盤樁荷載-沉降曲線幾乎重合，說(shuō)明上承力盤優(yōu)先發(fā)揮作用。第二階段為塑性階段，隨著樁頂荷載不斷增大，三條曲線顯著分離，支盤間距對(duì)分散樁頂荷載作用逐漸顯現(xiàn)，由此引起了三種支盤間距承載能力的差異。由圖可以看出隨著支盤間距的增加，雙支盤樁承載力增加明顯，主要是因?yàn)樯现ПP埋深不變的情況下，下支盤隨著間距的增加埋深增加，下支盤發(fā)揮的作用也越來(lái)越大，間距足夠大時(shí)，盤間土體應(yīng)力疊加效應(yīng)減弱，支盤樁承載力有所提高。說(shuō)明支盤間距對(duì)雙支盤承載力有一定影響，在相同密度下，不同盤間距的荷載-沉降曲線存在一定的差異，在相同荷載下，盤間距越大沉降量越少。當(dāng)支盤間距達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，上、下支盤獨(dú)立作用不產(chǎn)生相互影響，存在臨界間距，但隨著盤間距的增大，承載力增長(zhǎng)較為緩慢，在實(shí)際工程中，增加盤間距，相當(dāng)于增加樁長(zhǎng)，造成了材料的浪費(fèi)，因此本次試驗(yàn)中雙支盤樁的盤間距宜取盤徑的3倍。

從圖1中可以看出，隨著密實(shí)度的增加，雙支盤樁承載力顯著提高。在相同埋深率和支盤間距的情況下，初始彈性階段時(shí)，隨著密實(shí)度的增加，承載力隨位移線性增加的斜率增大，說(shuō)明相對(duì)密實(shí)度對(duì)支盤樁承載力有比較明顯的影響。從松砂的荷載與位移曲線可以看出，隨著位移的增加承載力緩慢增加，達(dá)到同一荷載時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移較大。對(duì)于密砂來(lái)說(shuō)，承載力隨位移增加較快，達(dá)到同一荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的位移相對(duì)較小。在塑性階段，荷載隨位移增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，不同密實(shí)度中荷載的增長(zhǎng)幅度有所不同，相對(duì)密度越大荷載隨位移的增長(zhǎng)幅度越大。若按以沉降4 mm所對(duì)應(yīng)的承載力作為雙支盤樁的極限承載力，那么雙支盤樁在密砂的承載力是松砂的兩倍以上。

2.2 雙支盤樁位移場(chǎng)分布特征

由圖2可知，在密砂中，位移矢量沿雙支盤樁兩側(cè)均有分布，承力盤下部最為密集，隨著向兩側(cè)距樁中心線越遠(yuǎn)，砂土所產(chǎn)生的位移矢量越小。由于兩承力盤間距過(guò)小，兩承力盤間土體位移場(chǎng)連成一個(gè)整體，兩承力盤間土體發(fā)生沖剪破壞并產(chǎn)生明顯的剪切滑動(dòng)面。與荷載-位移曲線中盤間土體應(yīng)力疊加效應(yīng)相一致，導(dǎo)致雙支盤樁承載力較低。樁端下側(cè)土體受到擠壓產(chǎn)生明顯的豎向位移矢量，但未明顯看到樁端下土體的刺入破壞特征，說(shuō)明兩承力盤中間土體已經(jīng)發(fā)生局部剪切破壞且樁端土體被壓縮擠密。盤下土體的位移矢量形狀與樁端土體位移矢量形狀一致，說(shuō)明承力盤和樁端的承載機(jī)理一樣均通過(guò)壓縮下部土體來(lái)獲得承載力。

圖2 密砂中盤間距為125 mm的支盤樁極限荷載下位移矢量圖

從圖3中可知，與盤間距125 mm的雙支盤樁相比，盤間土體未發(fā)生明顯的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，位移矢量主要集中在承力盤底部，承力盤底部分土體被側(cè)向擠出，發(fā)生局部剪切破壞但兩承力盤之間土體并未產(chǎn)生連續(xù)滑動(dòng)面，這是因支盤間距增大的緣故，上承力盤和下承力盤各自獨(dú)立發(fā)揮作用，相互之間不存在位移場(chǎng)的疊加，即互相之間獨(dú)立發(fā)揮作用，不存在相互影響，充分發(fā)揮了各承力盤的承載性能，雙支盤樁承載力增長(zhǎng)較大。說(shuō)明支盤間距對(duì)雙支盤樁的承載性能具有顯著影響，增大支盤間距可以更好減少應(yīng)力疊加現(xiàn)象，從而減少樁身沉降和樁周土體變形。

圖3 密砂中盤間距為150 mm的支盤樁極限荷載下位移矢量圖

從圖4中可以看出，樁周土體的位移矢量主要集中于兩承力盤底部，上承力盤單獨(dú)工作，盤底產(chǎn)生斜下方的位移矢量，盤底兩側(cè)土體側(cè)向擠出，出現(xiàn)明顯的破壞面，發(fā)生局部剪切破壞，而下承力盤兩側(cè)的位移矢量與樁端位移場(chǎng)連成一個(gè)整體，這是由于下承力盤離樁端較近的緣故。說(shuō)明下承力盤和樁端土體共同分擔(dān)樁端阻力，起到了一定的端承作用，承載力進(jìn)一步得到提高，起到了類似于擴(kuò)底樁的作用。由此可見(jiàn)，支盤間距對(duì)樁周土體變形特性有著比較顯著的影響。

圖4 密砂中盤間距為175 mm的支盤樁極限荷載下位移矢量圖

2.3 雙支盤樁剪切場(chǎng)的基本特征

為了更好地分析雙支盤樁的土體破壞機(jī)理，分析位移場(chǎng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需分析剪切應(yīng)變場(chǎng)。如圖5 (a)、圖5(b)和圖5(c)分別為試驗(yàn)中密砂中盤間距125 mm、盤間距150 mm和盤間距175 mm的雙支盤樁在極限荷載時(shí)的剪切應(yīng)變場(chǎng)圖。

以盤間距為125 mm的雙支盤樁為例，從圖5中可以看出，在雙支盤樁的兩側(cè)形成基本對(duì)稱的剪切帶，剪切應(yīng)變值在靠近樁身兩側(cè)處最大，隨著遠(yuǎn)離樁的中心線逐漸減小。兩支盤間的剪切帶要比樁端處的剪切帶的范圍相對(duì)大，向外大約支盤直徑一倍處。這是由于剪應(yīng)力在支盤處發(fā)生突變，剪應(yīng)力在盤下土體處較為集中的緣故。造成雙支盤樁承載力不高這一現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)橄轮ПP處土體處于聯(lián)合承載狀態(tài)，在極限荷載時(shí)承力盤間土體剪切面已經(jīng)貫通，土體發(fā)生局部剪切破壞。對(duì)于盤間距為150 mm的雙支盤樁，樁周土體同樣會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱的剪切應(yīng)變帶，但此時(shí)的剪切應(yīng)變場(chǎng)形狀相比較于支盤間距較小的情況發(fā)生了顯著變化，由于支盤間距增大，上支盤相對(duì)于下支盤的影響減弱，且盤間兩側(cè)樁周土體剪應(yīng)力增大，說(shuō)明盤間兩側(cè)樁周側(cè)摩阻力增大。上、下支盤各自獨(dú)立發(fā)揮作用，相互之間不存在剪切應(yīng)變場(chǎng)的疊加，即互相之間獨(dú)立發(fā)揮作用，不存在相互影響，雙支盤樁承載力大大提高。

圖5 極限荷載剪切應(yīng)變場(chǎng)

由圖5可以看出，隨著盤間距進(jìn)一步增大，盤間距為175 mm的雙支盤樁的樁周兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的剪切應(yīng)變帶，兩承力盤單獨(dú)承載，承力盤處剪切力較為集中，下承力盤由于距離樁端較近，剪切帶存在與樁端連成整體的趨勢(shì)。因上、下支盤互不影響，下支盤與樁端幾乎共同承載，故支盤樁承載力大大提高。通過(guò)分析雙支盤樁的剪切應(yīng)變場(chǎng)還可說(shuō)明支盤不僅對(duì)土體產(chǎn)生壓密作用，還產(chǎn)生較大的剪切位移，隨著支盤間距增大盤間土體受上承力盤擾動(dòng)減小，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)而提高了雙支盤樁的承載力性能。

3 結(jié) 論

本文對(duì)不同工況下的雙支盤樁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)雙支盤樁受豎向荷載過(guò)程中樁周土體變形場(chǎng)進(jìn)行了分析，研究了不同支盤間距和相對(duì)密實(shí)度工況下力與位移關(guān)系曲線特征，并對(duì)其變形特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

(1) 雙支盤樁的荷載-沉降曲線呈緩變型，在相同埋深率下，不同相對(duì)密度下的荷載-位移曲線存在明顯差異，相同沉降下，相對(duì)密度越大其承載力越高。尤其在初始階段，相對(duì)密度越大，承載力增長(zhǎng)速度顯著加快。雙支盤樁在密砂的承載力是松砂的兩倍以上。說(shuō)明土體密實(shí)度不同，對(duì)雙支盤樁承載力的發(fā)揮也有較大影響。在日后設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮支盤樁所處土的性質(zhì)，這樣才能充分發(fā)揮支盤樁的承載性能，進(jìn)而保證地基的穩(wěn)定性和安全性。

(2) 雙支盤樁的位移矢量主要集中于承力盤處，因受承力盤形狀影響，承力盤底部位移矢量斜向下，樁端處位移矢量以豎直方向?yàn)橹?。隨著支盤間距增大，位移矢量場(chǎng)產(chǎn)生一定差異，下承力盤下移，盤間應(yīng)力疊加效應(yīng)逐漸減弱，各支盤充分發(fā)揮其端承作用，大大提高了雙支盤樁的抗壓承載力。因增加支盤間距，下承力盤與樁端土體有連成整體的趨勢(shì)，其承載力增長(zhǎng)速度較為緩慢，不利于節(jié)約材料、降低工程成本。說(shuō)明增加一定的支盤間距，有助于承力盤承載性能的發(fā)揮，但結(jié)合工程實(shí)際中的經(jīng)濟(jì)性和合理性存在最佳盤間距。由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)中雙支盤樁的兩承力盤間距宜取盤徑的3倍。

(3) 在豎向荷載作用下，剪切帶對(duì)稱分布在樁周兩側(cè)，支盤處剪應(yīng)力發(fā)生突變，說(shuō)明支盤不僅對(duì)土體產(chǎn)生壓密作用，還產(chǎn)生較大的剪切位移。當(dāng)承力盤間距較小時(shí)，樁基礎(chǔ)破壞面由盤間土體的連續(xù)滑動(dòng)面組成，兩盤間土體受下盤擾動(dòng)較大，側(cè)摩阻力較小。隨著承力盤間距增大，兩承力盤間兩側(cè)土體剪切力不斷增大，說(shuō)明樁側(cè)摩阻力逐漸提高，意味著隨著支盤間距增大盤間土體受承力盤擾動(dòng)減小，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)而提高了雙支盤樁的承載力性能。