擠擴支盤樁的承載特性

李 楓,宋煥豹,周云東

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098;2.南京下關(guān)區(qū)城市建設(shè)開發(fā)集團公司,江蘇南京 210015)

高大、復雜的建筑物對地基承載力要求較高,灌注樁是其常用的基礎(chǔ)形式.近年來隨著機械技術(shù)、施工工藝的不斷進步,在傳統(tǒng)等截面灌注樁基礎(chǔ)上又發(fā)展出一種新型樁——擠擴支盤樁,亦稱多支盤鉆孔灌注樁或DX樁[1-2],即通過擠擴設(shè)備在等截面鉆孔適當深度擠擴形成同心擴徑支盤空間,灌注混凝土后形成的變截面樁.從成樁方式而言,擠擴支盤樁屬于鉆孔灌注樁;從樁身形狀來看,擠擴支盤樁又屬于變截面的異形樁.已有的應(yīng)用情況表明,擠擴支盤樁具有如下優(yōu)點:(a)適用范圍廣,適用于多種地層地質(zhì)條件;(b)豎向承載力約為傳統(tǒng)等截面灌注樁的2倍[3-4];(c)用作抗拔樁時由于支盤的作用,樁體的抗拔能力大大增強[5];(d)經(jīng)濟性優(yōu)越,由于支盤的作用,單方混凝土提供的承載力大大提高.目前有關(guān)該樁型的加固機理、設(shè)計計算理論的研究較為欠缺,對其承載特性的研究也較少[6-8].本文結(jié)合實際工程情況對擠擴支盤樁的承載特性進行分析,以期指導該樁型的技術(shù)革新及工程實踐.

1 設(shè)計及試驗概況

1.1 工程概況及地質(zhì)條件

南陽熱電廠為一以供熱為主、兼顧發(fā)電的大型火電工程項目,廠區(qū)試樁區(qū)域自然地面標高約141.4m,地基土層主要為硬塑狀態(tài)的黏性土.勘探深度范圍內(nèi)地基土可分為5層,各層的物理力學參數(shù)見表1.

對電廠主廠房、煙囪的地基采用泥漿護壁鉆孔擠擴支盤樁進行加固處理.

1.2 單樁承載力設(shè)計計算

該工程擠擴支盤樁分2種樁型:A型樁設(shè)計有效樁長為25.0m,設(shè)計樁頂標高-6m,實際施工樁頂位于自然地面,樁長29.57～29.63m,主樁直徑700mm,樁身設(shè)置2個盤,盤徑均為1400mm,分別位于樁身16.5m和25.5m處.B型樁設(shè)計有效樁長為10.0m,設(shè)計樁頂標高-3m,實際施工樁頂位于自然地面,樁長11.6～11.8m,樁徑600mm,樁身設(shè)置一個盤,盤徑1100mm,支盤位于樁身10.2m處.

支盤樁承載力按式(1)計算[9-10]:

表1 場地土層物理力學性質(zhì)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

式中:Quk——單樁承載力標準值;Qsk——樁側(cè)承載力;Qpk——樁端及支盤承載力;u——主樁樁身周長,m;qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值,kPa;li——樁穿越第i層土的厚度,計算時應(yīng)減去盤根厚度,m;qpik——樁身第i個支盤處土的極限端阻力標準值,kPa;qpk——主樁底處土的極限端阻力標準值,kPa;Api——扣除主樁樁身截面積的支或盤的水平投影面積,m2;Ap——主樁樁端截面積,m2;ψpi——支、盤極限端阻力標準值的修正系數(shù).

根據(jù)式(1)可得A型樁單樁承載力為5746kN,B型樁單樁承載力為1778kN.

圖1 A型試驗樁儀器布置Fig.1 Layout of test equipment for A-type piles

1.3 試驗概況

為了測試擠擴支盤樁軸力分布規(guī)律并探討其荷載傳遞機理,試樁施工中在地層分界面及支盤上下部位A型樁的2根對稱主筋上安裝了鋼筋計,測試樁身的軸力;樁端對稱安裝2只雙模土壓力盒,用以測試樁端阻力.支盤位置及鋼筋計、壓力盒安裝位置見圖1,樁身軸力測試和靜荷載試驗同步進行,在每次觀測沉降值時,測試一次鋼筋應(yīng)力計頻率,直至靜載荷試驗結(jié)束.

2 靜載荷試驗

分別對3根A,B型樁進行靜載荷試驗,試驗采用慢速維持荷載法,靜載荷試驗結(jié)果見圖2及表2.

圖2 試樁 Q～s曲線Fig.2 Q-s curves of test piles

靜載荷試驗結(jié)果表明,樁長較深并設(shè)置2個支盤的A型樁在整個加載過程中表現(xiàn)出了較好的荷載沉降特性,3根試樁的Q～s曲線規(guī)律較相似,Q～s曲線變化較平緩,樁頂荷載在6MN之下時沉降極小,約為10mm,在荷載達到近8MN時Q～s曲線才呈現(xiàn)較明顯的曲率變化.B型樁因樁長較短,只設(shè)置1個支盤且支盤靠近樁底,在相同荷載作用下其樁頂沉降量要遠大于A型樁.當樁頂荷載達到試樁的豎向極限承載力時Q～s曲線陡降.

根據(jù)Q～s曲線特征對單樁豎向抗壓極限承載力進行取值,A1,A2,A3,B1,B2,B3各樁的豎向抗壓極限承載力分別為7680kN,7680kN,7680kN,2200kN,1980kN,2200kN,除B2樁外,其他5根試驗樁的豎向抗壓承載力均顯著高于設(shè)計值,式(1)計算結(jié)果較靜載荷試驗結(jié)果小20%左右.

表2 靜載荷試驗結(jié)果Table 2 Results of static loading tests

3 荷載傳遞特性

與直桿樁相比,擠擴支盤樁由于在樁身存在擴徑支盤,受支盤影響,樁頂受荷后將表現(xiàn)出不同的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力傳遞規(guī)律.本文選擇A1樁樁身的荷載傳遞規(guī)律進行測試分析.

3.1 樁身軸力傳遞規(guī)律

圖3為A1樁在不同樁頂荷載作用下樁身軸力分布圖.隨著深度增加,樁身軸力逐漸降低,軸力分布與直桿樁顯著不同.在支盤上下界面位置樁身軸力發(fā)生大幅變化,支盤下端軸力顯著降低,支盤位置減小的軸力完全由支盤承擔,并將其轉(zhuǎn)嫁到支盤底部的土層.樁頂荷載較大時,支盤對軸力的削減作用更為明顯.A1樁樁身設(shè)有2處支盤,在下道支盤之下樁身軸力均大幅衰減,從而使A1樁在各級荷載作用下均具有較小的端阻力值.

圖3 A1樁軸力分布Fig.3 Distribution of axial forces of pile A1

3.2 支盤荷載傳遞規(guī)律

圖3樁身軸力分布曲線表明,擠擴支盤樁由于支盤的存在整個樁體的承載特性發(fā)生了顯著變化.圖4(a)為各級樁頂荷載作用下樁體各部分荷載分擔情況.加載初期支盤承擔的荷載較小,荷載主要由樁側(cè)摩阻力承擔;隨著荷載的增加,支盤承擔的總荷載逐漸增大,且隨著樁頂荷載的增加支盤承擔荷載的增長速率也逐步加快.樁身不同位置支盤表現(xiàn)出了不同的荷載增長規(guī)律:上、下支盤承載力的發(fā)揮具有明顯的時間和順序效應(yīng),在加載初期,上盤比下盤承擔較多荷載,但下盤分擔荷載增長迅速,在受荷后期反而比上盤分擔更多荷載.

圖4(b)表明,在樁頂荷載施加到最終加載量的30%以前,下支盤對應(yīng)分擔的荷載極小,約為對應(yīng)施加荷載的1%,上支盤承擔的荷載則占所施加樁頂荷載的15%～20%,且分擔荷載百分比略呈下降趨勢.在樁頂荷載施加到最終加載量的30%后,下支盤承擔荷載百分比迅速增加.當樁頂荷載達到8320kN時,下支盤承擔的荷載為28.9%,上支盤承擔的荷載為19.2%,兩支盤共同承擔的荷載占48.1%.支盤阻力的傳遞特征與樁端阻力相似,如將支盤阻力和樁端阻力統(tǒng)稱為端阻力,則A1樁在樁頂荷載達到8.32MN時,端阻力占總荷載的50.6%,其余49.4%荷載由樁側(cè)摩阻力承擔,說明擠擴支盤樁屬于摩擦端承型樁.

圖4 A1樁荷載分擔Fig.4 Load sharing of pile A1

3.3 樁側(cè)摩阻力傳遞規(guī)律

圖5 A1樁樁側(cè)摩阻力分布Fig.5 Distribution of lateral frictions of pile A1

與支盤承擔荷載的變化規(guī)律基本相反,樁側(cè)摩阻力在加載初期增長較快.隨著樁頂荷載增加,樁側(cè)摩阻力增長速率逐步減小,在樁頂荷載接近極限承載力時樁側(cè)摩阻力幾乎停止增長.圖4(b)表明在加荷初期,樁側(cè)摩阻力約承擔了總荷載的80%,隨著荷載的增大,樁側(cè)摩阻力分擔荷載的比例越來越小.圖5為A1樁被2個支盤分割成的3個直樁段的樁側(cè)摩阻力隨樁頂荷載的變化曲線,0～15.5m段樁側(cè)總摩阻力的發(fā)揮對A1樁總摩阻力的大小起決定作用.就這一段總摩阻力的發(fā)展趨勢而言,大體可分3個階段:樁頂荷載介于0～4480kN時,樁側(cè)總摩阻力基本呈線性增長;樁頂荷載介于4480～7040kN時,樁側(cè)總摩阻力增長變緩,在7040kN級荷載時達到極限值;樁頂荷載超過7040kN之后,樁側(cè)總摩阻力呈略下降趨勢.17.5～24m,26～29.6m樁段側(cè)摩阻力增長量則較小,樁頂所增加的總荷載增量主要轉(zhuǎn)嫁給其下的2個支盤承擔,從而彌補樁身摩阻力的不足.說明支盤和樁側(cè)摩阻力之間存在互補關(guān)系,而且從時間效應(yīng)上來看,往往是樁側(cè)摩阻力達到極限值以后支盤才更有效地發(fā)揮端承作用.17.5～24m段和26～29m段摩阻力的發(fā)揮則比較滯后,一直處于緩慢增長的狀態(tài).

4 結(jié) 論

a.擠擴支盤樁與傳統(tǒng)等直徑灌注樁相比具有承載力高、沉降變形小、經(jīng)濟性優(yōu)越等優(yōu)點.

b.現(xiàn)行規(guī)范擠擴支盤樁單樁承載力計算方法過于保守,計算結(jié)果較靜載荷實測結(jié)果小約20%.

c.靜載荷試驗結(jié)果表明,擠擴支盤樁屬于摩擦端承型樁,樁身各部分承載力發(fā)揮具有時序性,荷載較小時外荷主要由樁側(cè)摩阻力承擔,荷載較大時則主要由支盤承擔,當支盤增加至一定數(shù)量時,支盤承擔荷載可達50%以上.

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