不同土質(zhì)中支盤樁基礎(chǔ)合理盤距和樁距研究

盧成原，黃瑜明

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

不同土質(zhì)中支盤樁基礎(chǔ)合理盤距和樁距研究

盧成原，黃瑜明

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：設(shè)計(jì)兩組室內(nèi)模型試驗(yàn)來研究不同土質(zhì)中支盤樁單樁的合理盤間距.對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得出：雙盤單樁的承載力隨盤距的增加有不同程度的增大，但并不呈線性增加；盤距的不同關(guān)系到盤體承載力的發(fā)揮，同時(shí)上下盤的發(fā)揮有較明顯的時(shí)間效應(yīng)；樁周不同土質(zhì)性狀影響著支盤樁單樁兩盤體的合理間距取值.支盤樁群樁隨樁距的增大，群樁效應(yīng)逐漸減小，其承載力不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定樁距時(shí)可以近視忽略群樁效應(yīng)的影響，群樁的承載力可取單樁承載力的疊加值，但該合理樁距在不同土質(zhì)中是不同的。

關(guān)鍵詞：支盤樁；盤距；樁距；模型試驗(yàn)

Research on the reasonable plate spacing and pile spacing

of branch pile foundation in different soils

LU Chengyuan, HUANG Yuming

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Two sets of indoor model tests were designed to study the reasonable plate spacing of a single branch pile in different soils. The test results showed that the bearing capacity of a single pile with double plates increases with the increase of the plate spacing in a nonlinear manner. The bearing capacity of plates is closely related to the plate spacing and exhibits an obvious time effect. The reasonable plate spacing of a single branch pile is dependent on the properties of soil. As the pile spacing increases, the pile group effect decreases gradually but the bearing capacity increases. When the pile spacing reaches a certain value, the pile group effect can be neglected and the bearing capacity is simply obtained by summing those of various single piles. The reasonable pile spacing is also dependent on the properties of soil。

Keywords:branch pile; plate spacing; pile spacing; model test

因現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究能較準(zhǔn)確地反映出支盤樁真實(shí)的工作性狀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度較高，所以支盤樁的研究報(bào)道以工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)占多數(shù)[1-5].但是由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成本高，而且不能進(jìn)行多次試驗(yàn)，工作條件環(huán)境差等原因，難以使現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)化，得不出具有規(guī)律性的結(jié)論.而進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)成本低，環(huán)境條件好，可以針對(duì)支盤樁不同的研究參數(shù)設(shè)計(jì)足量的相關(guān)試驗(yàn)，得到具有可比性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析可得出一些規(guī)律性的結(jié)論.因此室內(nèi)模型試驗(yàn)研究對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是一種較好的補(bǔ)充研究方法[6-11]。

1試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)?zāi)康闹饕茄芯吭诓煌临|(zhì)、不同盤間距、不同樁距的條件下，支盤樁(單樁和群樁)在荷載作用下的承載特性、沉降變化特點(diǎn)，得出支盤樁在不同土質(zhì)中合理盤間距和群樁的合理樁距。

試驗(yàn)分別在粉土和砂土兩種均勻土層中進(jìn)行，試驗(yàn)用模型箱尺寸為120 cm(長(zhǎng))×60 cm(寬)×85 cm(高)，模型支盤樁采用鋁合金制作，樁身直徑d=18 mm，管壁厚為s=1.5 mm，樁長(zhǎng)L=650 mm，盤體材料選用定做鐵質(zhì)圓盤，直徑D=60 mm.單樁盤體及應(yīng)變片設(shè)置如圖1所示，第二個(gè)承力盤設(shè)置位置不變，第一個(gè)承力盤距離第二個(gè)承力盤的距離分別為2.0D，2.5D，3D，3.5D，兩樁群樁的樁距布置如圖2所示。

圖1　單樁盤間距布置圖Fig.1　Single pile spacing arrangement

圖2　群樁樁距布置圖Fig.2　Group of pile spacing arrangement

1.1土體材料

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)采用的粉土和砂土的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

1.2試驗(yàn)分組

本次試驗(yàn)包括四組試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析來研究支盤樁基礎(chǔ)在不同土質(zhì)中的合理盤距和樁距。

表1　模型試驗(yàn)用土試驗(yàn)參數(shù)

第一組試驗(yàn)：將如圖1所示不同盤間距的單樁分別埋入模型試驗(yàn)箱中，裝入砂土，在樁頂安裝百分表用以測(cè)讀樁頂沉降.埋置好模型樁和土樣后在砂土上預(yù)加砝碼用以促進(jìn)土樣的重塑，經(jīng)一段時(shí)間的靜置穩(wěn)定后再分級(jí)施加豎向荷載進(jìn)行加載試驗(yàn).每級(jí)加載穩(wěn)定后測(cè)讀樁、土相關(guān)數(shù)據(jù)，供后續(xù)的分析研究。

第二組試驗(yàn)：將第一組試驗(yàn)箱中砂土換成粉土，其它步驟同第一組試驗(yàn)。

第三組試驗(yàn)：將圖2所示三種不同樁距的群樁一次性埋入試驗(yàn)箱中，裝入砂土.加載方式與單樁一樣，測(cè)讀樁、土相關(guān)數(shù)據(jù)，供后續(xù)的分析研究。

第四組試驗(yàn)：將第三組試驗(yàn)箱中砂土換成粉土，其它步驟同第三組試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

2.1支盤樁不同盤間距的對(duì)比分析

通過第一、二組試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)的Q—S曲線、樁身軸力變化曲線進(jìn)行分析，研究支盤樁單樁在砂土和粉土中的各自合理盤距。

2.1.1位移與荷載對(duì)比分析

支盤樁的盤間距分別為2D，2.5D，3D，3.5D(D為盤距)對(duì)應(yīng)的Q—S曲線如圖3，4所示。

圖3　砂土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線Fig.3　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in sandy

圖4　粉土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線Fig.4　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in silt

通過對(duì)圖3砂土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線的分析，按照實(shí)際工程中以沉降來確定樁承載力的方法，假定以沉降5 mm為本次試驗(yàn)樁的承載力控制標(biāo)準(zhǔn)，則2D,2.5D,3D,3.5D盤距時(shí)對(duì)應(yīng)的支盤樁承載力分別約為296.8,327.8,343.7,340.9 N.當(dāng)支盤樁的盤間距為2D時(shí)，因?yàn)樯媳P埋置最深，覆土厚度最大，故在加載初期該部分土體對(duì)樁身的摩擦作用更大，其沉降變形比其他盤距的要稍小些.但沉降達(dá)5 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的承載力卻最小，這是由于支盤樁后期的承載力主要由盤提供，2D盤距較小，上盤底受到的壓力不能很好地向周圍擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致盤與盤之間的土體被提前剪切破壞，上盤承載力大大減小，支盤樁承載力主要由下盤提供。

當(dāng)支盤樁的盤間距從2D增大到3D時(shí)，其承載力呈增加的趨勢(shì)，這是由于隨著盤間距的增大，前述導(dǎo)致上盤承載力減小的現(xiàn)象減弱，支盤樁能較充分的發(fā)揮上盤的承載力，其總承載力增加.而3D到3.5D盤間距時(shí)的承載力反而減少了2.8 N，這是因?yàn)楸P間距的進(jìn)一步增大，支盤樁上下盤體承載力的發(fā)揮時(shí)間不同步性更加明顯，使得支盤樁的承載力總量減小，這種上下盤體發(fā)揮不同步現(xiàn)象即所謂的“時(shí)間效應(yīng)”。

當(dāng)盤間距為3D時(shí)，支盤樁的承載力為343.7 N取得最大，這表明此時(shí)的支盤樁上下盤體承載力發(fā)揮最為充分，即上下盤的承載力既能得以充分發(fā)揮又在發(fā)揮時(shí)間上沒有明顯時(shí)間差，因此可以說此時(shí)的盤間距設(shè)計(jì)是最為合理的.由此，根據(jù)本次試驗(yàn)可以得出在砂土中以5 mm沉降為控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，3D盤間距的支盤樁可以提供最大的承載力，即支盤樁在砂土中提供最大承載力的最合理盤間距為3D盤間距。

由圖4粉土中不同盤間距支盤樁的Q—S曲線可以看出：支盤樁的盤間距從2D增大到3.5D，其承載力變化一直呈增加趨勢(shì)，隨著盤間距的增大，支盤樁能較充分的發(fā)揮上下盤的承載力，其總承載力增加.控制沉降5 mm為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，2D~3.5D盤間距對(duì)應(yīng)的承載力大小分別為248.1,270.3,277.8,280.9 N，則每增加0.5D盤間距時(shí)，承載力的增加值分別為22.2,7.5,4.1 N.由此可以看出，2D~2.5D盤間距時(shí)承載力遞增的速率最快，2.5D~3D和3D~3.5D盤間距時(shí)上下盤體基本都充分發(fā)揮了，故其承載力遞增很小.綜合考慮試驗(yàn)條件等因素的影響，可以認(rèn)為在粉土中盤間距為2.5D時(shí)，支盤樁的上下盤體充分發(fā)揮了承載力，即支盤樁在粉土中最合理盤間距為2.5D盤間距。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知:多盤支盤樁的合理盤間距會(huì)因樁周土體性質(zhì)的不同而不同。

2.1.2樁身軸力對(duì)比分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算樁身各測(cè)點(diǎn)軸力平均值，繪制砂土中各級(jí)荷載作用下的軸力圖，如圖5~8所示。

圖5　2D盤距樁身軸力曲線Fig.5　The curve of axial force of pile body in 2D plate spacing

圖6　2.5D盤距樁身軸力曲線Fig.6　The curve of axial force of pile body in 2.5D plate spacing

圖7　3D盤距樁身軸力曲線Fig.7　The curve of axial force of pile body in 3D plate spacing

圖8　3.5D盤距樁身軸力曲線Fig.8　The curve of axial force of pile body in 3.5D plate spacing

通過圖5~8可以看出：樁身軸力由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6呈遞增趨勢(shì)，即樁身軸力沿著樁身由下而上逐漸變大，但不成線性關(guān)系變化，測(cè)點(diǎn)1，2之間軸力變化都較快，這是因?yàn)椴煌P間距支盤樁都在測(cè)點(diǎn)1、2之間設(shè)置了下盤的關(guān)系，盤的存在改變了樁土之間的荷載傳遞規(guī)律.圖5、6中測(cè)點(diǎn)2、3之間和圖7、8中測(cè)點(diǎn)3、4之間的軸力變化最快是因?yàn)樵O(shè)置了上盤體的關(guān)系.由圖5，6中測(cè)點(diǎn)3，4，5對(duì)應(yīng)的曲線圖可以看出：樁身軸力在上盤以上等直徑樁身的變化較小，且基本上是線性的.由圖7及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)知：當(dāng)施加荷載300 N時(shí)，支盤樁上盤承擔(dān)153.2 N，下盤承擔(dān)97.3 N，上下盤承擔(dān)的荷載分別占了總荷載的51.1%，32.4%，由此可以看出支盤樁上盤承擔(dān)的荷載要比下盤承擔(dān)的大.引起這種不同的原因是多盤支盤樁的盤體承載力發(fā)揮有其先后順序，在樁頂荷載作用下上盤先發(fā)揮其承載力，當(dāng)荷載增大到一定值后，即樁底附近產(chǎn)生足夠大的豎向位移后，設(shè)在樁底附近的下盤和樁端才發(fā)揮其應(yīng)有的承載力.顯然，由于上下盤承載力發(fā)揮的時(shí)間效應(yīng)，上盤和下盤一般很難同時(shí)發(fā)揮各自的最大承載力，因此在計(jì)算支盤樁承載力時(shí)不能將兩盤的最大承載力進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加。

2.2支盤樁不同樁距群樁的對(duì)比分析

通過第三、四組試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)研究支盤樁的樁距不同對(duì)其承載力的影響，兩組試驗(yàn)得到的Q—S曲線如圖9，10所示。

圖9　砂土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線Fig.9　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in sandy

圖10　粉土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線Fig.10　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in silt

通過圖9，10可以看出：在砂土和粉土中，隨著樁距從2D增大到3D，支盤樁的承載力逐漸變大.由圖9可以知道：當(dāng)以沉降量5 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)，則樁距為2D，2.5D，3D時(shí)對(duì)應(yīng)的支盤樁雙樁群樁的承載力分別為628.9，677.3，685.8 N，每增加0.5D樁距時(shí)，支盤樁雙樁的承載力增幅分別為48.4，8.5 N，即隨著樁距的增大，群樁效應(yīng)減弱，支盤樁雙樁群樁的承載力增加。

因本次試驗(yàn)群樁各單樁上下盤的盤間距都按照3.5D設(shè)置，由圖3砂土中支盤樁Q—S曲線知道單樁盤間距3.5D時(shí)最大承載力為340.9 N.因此群樁中當(dāng)樁距為2D時(shí)的承載力都小于兩根單樁承載力之和(即681.8 N)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)樁距較小時(shí)群樁效應(yīng)對(duì)群樁承載力的影響所致.當(dāng)樁距為2.5D時(shí)支盤樁雙樁群樁的承載力已經(jīng)很接近于兩根單樁承載力之和.當(dāng)樁距為3D時(shí)雙樁群樁的承載力685.8 N要稍大于兩根單樁承載力的疊加值681.8 N，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是存在一定的試驗(yàn)誤差所致.綜合考慮試驗(yàn)誤差和環(huán)境條件等，可以認(rèn)為在砂土中支盤樁雙樁群樁樁距為2.5D時(shí)，其群樁效應(yīng)對(duì)承載力的影響很小可以忽略不計(jì)，即就本次試驗(yàn)支盤樁雙樁群樁在砂土中的合理樁距應(yīng)取為2.5D以上。

由圖10粉土中不同樁距支盤樁的Q—S曲線可以看出：當(dāng)支盤樁沉降為5 mm時(shí)，2D,2.5D,3D樁距對(duì)應(yīng)的承載力分別為490.9,547.3,564.8 N，則每增加0.5D樁間距時(shí)，承載力的增加值分別為56.4,17.5 N.根據(jù)粉土中兩根盤間距3.5D單樁的承載力之和為567.8 N可以知道：樁距為2D，2.5D時(shí)雙樁的承載力都比567.8 N小比較多，說明此時(shí)群樁效應(yīng)對(duì)群樁的影響較大.而樁距為3D時(shí)雙樁群樁的承載力564.8 N與567.8 N已經(jīng)很接近了，此時(shí)可認(rèn)為群樁效應(yīng)對(duì)雙樁群樁承載力的影響很小，可以忽略群樁效應(yīng)的作用.綜合考慮試驗(yàn)條件等因素的影響，可以認(rèn)為本試驗(yàn)得到粉土中支盤樁雙樁群樁的合理樁距應(yīng)大于3D。

從以上分析可以知道：根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，支盤樁群樁在砂土中的合理樁距為2.5D，在粉土中為3D，這是因?yàn)樯巴恋膲嚎s模量大，黏聚力小，盤底應(yīng)力擴(kuò)散范圍要小與粉土，群樁效應(yīng)的影響范圍相對(duì)較小.由此可以得出：支盤樁群樁不必考慮群樁效應(yīng)的合理樁距距會(huì)因樁周土體性質(zhì)的不同而不同，在粉土中合理樁距要大于在砂土中的合理樁距。

3結(jié)論

通過四組室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)不同土體中的多盤支盤樁的合理盤間距和雙樁支盤樁群樁的合理樁距進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：多支盤樁的盤間距不同對(duì)其承載力有較大的影響.當(dāng)盤間距較小時(shí)上盤的承載力不能充分發(fā)揮，而在盤間距太大時(shí)上下盤的承載力發(fā)揮的“時(shí)間效應(yīng)”明顯，導(dǎo)致其承載力不同步發(fā)揮，這兩種情況都會(huì)降低多盤樁的承載力，因此多盤樁存在一個(gè)合理盤間距，可以使其承載力達(dá)到最大，充分發(fā)揮多支盤樁的承載效率；多支盤樁在不同土體中的合理盤距是不同的.根據(jù)本次雙盤支盤樁的試驗(yàn)結(jié)果，在砂土中該合理盤間距為3D，而在粉土中為2.5D，這種差異主要取決于盤底土體應(yīng)力的傳遞途徑；支盤樁群樁隨著樁距的增加其群樁效應(yīng)減小，但在不同土體中樁距對(duì)群樁效應(yīng)的影響是不同的.在本次試驗(yàn)中，支盤樁雙樁群樁在砂土中的樁距為2.5D時(shí)群樁效應(yīng)可以忽略，而在粉土中樁距為3D時(shí)群樁效應(yīng)可以忽略.因此砂土中雙樁群樁的合理樁距應(yīng)大于2.5D，粉土中應(yīng)大于3D.這種區(qū)別主要是盤底土體應(yīng)力的擴(kuò)散范圍不同造成的；支盤樁盤底土體應(yīng)力狀態(tài)由于土體性質(zhì)的不同會(huì)有明顯差異，這種差異也改變了支盤樁的荷載傳遞規(guī)律，決定了支盤樁的承載性狀，因此支盤樁設(shè)計(jì)要“因土而異”，保證其承載力發(fā)揮達(dá)到最有效狀態(tài)。

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(責(zé)任編輯：陳石平)

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2015)02-0232-05

作者簡(jiǎn)介：盧成原(1964—)，男，浙江東陽(yáng)人，教授，主要從事土木工程的研究和教學(xué)工作，E-mail:zgdlucy@sina.com。

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1080440)

收稿日期：2014-11-20