分層土中擴(kuò)盤(pán)單樁水平承載特性模型試驗(yàn)研究★

周 勝 男

(河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

早在20世紀(jì)90年代，擴(kuò)盤(pán)樁作為一種較為先進(jìn)的樁基形式被廣泛研究[1]。擴(kuò)盤(pán)樁以它特殊的構(gòu)造、優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)技術(shù)逐漸得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同，由于擴(kuò)盤(pán)樁自身的特殊性，在抵抗水平荷載時(shí)，相對(duì)于普通直徑樁顯現(xiàn)出自身巨大的優(yōu)勢(shì)，特別在復(fù)雜的地層中擴(kuò)盤(pán)樁的應(yīng)用對(duì)巖土工程的發(fā)展起到推動(dòng)作用[2]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)擴(kuò)盤(pán)樁的研究從內(nèi)容和形式上相對(duì)較為豐富，豎向荷載作用下擴(kuò)盤(pán)樁承載力的研究具有一定的基礎(chǔ)和深度，但水平荷載下承載力的研究相對(duì)較為薄弱，且存在一定的問(wèn)題和不足，需要進(jìn)一步深入的研究[3,4]。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水平荷載下擴(kuò)盤(pán)樁的承載性能影響進(jìn)行了研究，彭毅等[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)水平荷載下擴(kuò)盤(pán)樁抗拔承載力影響進(jìn)行分析。于洋[6]通過(guò)有限軟件的模擬分析確定水平荷載作用下擴(kuò)盤(pán)樁的破壞特征和盤(pán)間距的大小對(duì)其水平承載力的影響，并完善了擴(kuò)盤(pán)樁的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。黃子軒[7]、張玉輝[8]研究了水平力作用下擴(kuò)盤(pán)數(shù)量和位置對(duì)擴(kuò)盤(pán)樁水平承載力及土體破壞狀態(tài)的影響。盧成原等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)不同土層中不同形狀盤(pán)體組合進(jìn)行分析，提出設(shè)置在不同土體中各盤(pán)盡可能采用不同的形狀，以發(fā)揮擴(kuò)盤(pán)樁的承載性能。張貫鑫[9]在單樁模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了支盤(pán)雙樁、群樁在平盤(pán)及上盤(pán)錯(cuò)盤(pán)布置情況下的承載性狀。琚蕊雄[10]結(jié)合數(shù)值分析軟件，研究了擴(kuò)盤(pán)樁在不同含水率土層中的承載力變化，得到含水率對(duì)支盤(pán)承載特性的影響規(guī)律，為含水率相差較大分層土擴(kuò)盤(pán)樁的研究提供相應(yīng)的依據(jù)。在實(shí)際工程中擴(kuò)盤(pán)樁常用在不同土層承受水平荷載，如拱橋最邊跨下的擴(kuò)盤(pán)樁，處在上層高含水率較高下層比較密實(shí)的河灘土，在這種特殊條件下受到水平推力時(shí)擴(kuò)盤(pán)樁承載力情況及通過(guò)加固方法提高河灘土承載力對(duì)工程的實(shí)際意義值得探究。本文將通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)兩根承力盤(pán)不同位置的擴(kuò)盤(pán)樁進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同條件下的受力情況，對(duì)工程設(shè)計(jì)施工具有重要的實(shí)際的意義。

本文主要通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)2根承力盤(pán)位置不同的擴(kuò)盤(pán)樁分別進(jìn)行兩種工況下的水平承載性、變形性能、樁周土壓力試驗(yàn)對(duì)比分析。

1 擴(kuò)盤(pán)樁模型試驗(yàn)

1.1 模型的制作

模型與原型的相似性是室內(nèi)模型試驗(yàn)考慮的重要因素。室內(nèi)試驗(yàn)幾何相似、邊界條件相似較為容易實(shí)現(xiàn)，但材料相似難以實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)不考慮材料的相似，僅對(duì)水平荷載作用下樁—土作用進(jìn)行定性分析，分析實(shí)際工程相似條件下產(chǎn)生的規(guī)律[11]，基于模型制作和試驗(yàn)的實(shí)際狀況對(duì)模型的尺寸稍作調(diào)整，相似比計(jì)算如表1所示。本試驗(yàn)采用900 mm(長(zhǎng))×1 mm(厚)，直徑60 mm薄壁鍍鋅鋼管樁，其中擴(kuò)盤(pán)高80 mm，直徑為130 mm，采用5 mm過(guò)篩土埋置在1.2 m(長(zhǎng))×0.8 m(寬)×1 m(高)的土箱中。在埋置時(shí)每層土的虛鋪厚度為200 mm，每層采用手動(dòng)擊實(shí)儀擊實(shí)兩遍，當(dāng)土體表面距離土箱底部200 mm時(shí)放入模型樁，對(duì)于分層土來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)步驟基本相同，當(dāng)土夯實(shí)到距土箱底面600 mm時(shí)夯實(shí)停止，上部的400 mm不需要夯實(shí)。按照?qǐng)D1所示位置埋入土壓力盒，按照土工試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)[12]操作步驟，下部擊實(shí)和上部未擊實(shí)土的土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表1 模型—原型相似比計(jì)算

表2 加固前后土體的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 加載控制

水平荷載的施加采用的是定滑輪手動(dòng)加載方式，見(jiàn)圖2，加載位置為距離樁頂下端50 mm處，豎向施加25.46 N的荷載，模擬上部結(jié)構(gòu)的自重。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作兩根擴(kuò)盤(pán)樁，土層分為上層擊實(shí)和上層不擊實(shí)，共四種工況。模型一擴(kuò)大盤(pán)位于樁頂以下390 cm，稱為上盤(pán)樁，用模型樁A表示；模型樁二的擴(kuò)大盤(pán)位于樁頂以下540 mm，稱為中盤(pán)樁，用模型樁B表示。支盤(pán)樁模型A和模型B分別選取1，2，3，4，5，6，7，8測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最大值時(shí)刻，根據(jù)式(1)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的樁身彎矩值，選擇兩模型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最大值時(shí)刻計(jì)算樁側(cè)土壓力。

根據(jù)梁的彎矩變形與應(yīng)力分析理論，樁身任一截面處彎矩可按式(1)計(jì)算：

(1)

其中,b0為同一測(cè)試斷面處應(yīng)變片之間的水平距離；E為樁身材料的彈性模量；I為該斷面相對(duì)中性軸的慣性矩；Δε=ε+-ε-，ε+,ε-分別為同一截面處的拉壓應(yīng)變。

2.2 參數(shù)隨荷載的變化

選取荷載等級(jí)為100 N～1 200 N，各級(jí)荷載下樁身彎矩隨深度變化關(guān)系見(jiàn)圖3，樁受壓側(cè)土中壓力隨深度的變化見(jiàn)圖4。

由圖3可看出隨著水平荷載的不斷增加，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的彎矩值隨著水平荷載的增加而增大，每級(jí)水平荷載的彎矩值在樁頂以下0.34 m處達(dá)到最大。在3號(hào)測(cè)點(diǎn)，水平荷載每增加100 N，彎矩值依次增加27.36 N·m，32.12 N·m，30.31 N·m，32.34 N·m，28.04 N·m，37.10 N·m，26.91 N·m，21.03 N·m，35.96 N·m，27.37 N·m，17.19 N·m。在7號(hào)測(cè)點(diǎn)，水平荷載每增加100 N，彎矩值依次增加-1.81 N·m，-6.11 N·m，-6.56 N·m，-1.81 N·m，2.04 N·m，5.20 N·m，6.33 N·m，3.17 N·m，2.49 N·m，2.03 N·m，1.14 N·m。相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)，在3號(hào)測(cè)點(diǎn)，水平荷載每增加一級(jí)，彎矩值的增加幅度最大，在7號(hào)測(cè)點(diǎn)每增加一級(jí)荷載增加的幅度最少，且在1，2，3，4測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了負(fù)彎矩。從1號(hào)測(cè)點(diǎn)到3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值在不斷增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)3號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)彎矩值達(dá)到最大，從3號(hào)測(cè)點(diǎn)到8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸減小，在8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值達(dá)到最小值。根據(jù)彎矩值達(dá)到最大的測(cè)點(diǎn)位置，可以計(jì)算出當(dāng)擴(kuò)盤(pán)樁埋深距樁頂1/3時(shí)，彎矩達(dá)到最大值。

由圖4可以看出擴(kuò)盤(pán)樁側(cè)向土壓力隨埋深的變化，隨著樁頂水平荷載的增加，c1測(cè)點(diǎn)的樁側(cè)土壓力不斷增加，說(shuō)明離樁端較近測(cè)點(diǎn)的土壓力受水平荷載影響較大。從c1到c2測(cè)點(diǎn)樁側(cè)土壓力明顯下降，在c2測(cè)點(diǎn)土壓力相對(duì)比較集中。說(shuō)明隨著埋深的增加樁側(cè)土壓力不斷減小，在c2測(cè)點(diǎn)土壓力幾乎達(dá)到最小值，這是由于支盤(pán)的存在減緩了樁側(cè)土壓力。樁對(duì)受側(cè)土的壓力主要表現(xiàn)在承支盤(pán)及以上深度范圍，因此上層軟弱土可能會(huì)明顯增大樁身的水平位移，有必要采取適當(dāng)方式對(duì)上層土進(jìn)行加固。

3 兩種因素的影響

3.1 土質(zhì)的影響

選取荷載等級(jí)為1 100 N，繪制上盤(pán)樁在加固后的均質(zhì)土和分層土中的彎矩值見(jiàn)圖5，土壓力值見(jiàn)圖6。

土質(zhì)對(duì)彎矩值的影響見(jiàn)圖5，對(duì)于分層土，從1號(hào)到3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸增大，在3號(hào)測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值321.16 N·m；從3號(hào)到8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸減小，8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩最小值達(dá)到5.65 N·m。對(duì)于加固土，從1號(hào)測(cè)點(diǎn)到3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值同樣逐漸增大，在3號(hào)測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值256.70 N·m；從3號(hào)到8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸減小，8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩最小值達(dá)到21.49 N·m。通過(guò)計(jì)算可以得到分層土在3號(hào)測(cè)點(diǎn)的彎矩值大約是加固土在3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值的1.25倍。說(shuō)明通過(guò)對(duì)擴(kuò)盤(pán)樁周土體的加固，可以抑制樁體自身的變形。通過(guò)彎矩值對(duì)比分析，擴(kuò)盤(pán)樁在加固土中最大彎矩相對(duì)于分層土中可以減少約20%。

土質(zhì)對(duì)擴(kuò)盤(pán)樁側(cè)土壓力的影響見(jiàn)圖6，在分層土中，c1測(cè)點(diǎn)的土壓力為1 161.62 kPa，c2測(cè)點(diǎn)的土壓力為35.88 kPa，土壓力從c1到c2測(cè)點(diǎn)土壓力值減小了1 125.74 kPa。對(duì)于加固土，c1測(cè)點(diǎn)的土壓力525.46 kPa，c2測(cè)點(diǎn)的土壓力為94.70 kPa，土壓力從c1測(cè)點(diǎn)到c2測(cè)點(diǎn)土壓力減小了430.76 kPa。c1點(diǎn)擴(kuò)盤(pán)樁在分層土中受到的側(cè)向土壓力為加固土中的2倍，說(shuō)明通過(guò)對(duì)擴(kuò)盤(pán)樁周圍土體的加固，擴(kuò)盤(pán)樁受到的側(cè)向土壓力可降低約50%。

3.2 承力盤(pán)位置的影響

選取荷載等級(jí)為700 N，繪制在相同土層中不同擴(kuò)大盤(pán)位置的彎矩圖見(jiàn)圖7。選取荷載等級(jí)為900 N，繪制在相同土層中不同支盤(pán)樁的土壓力見(jiàn)圖8。

承力盤(pán)對(duì)彎矩值的影響，對(duì)于中盤(pán)樁從1號(hào)到4號(hào)測(cè)點(diǎn)的彎矩值逐漸增大，從4號(hào)測(cè)點(diǎn)到8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸減小。在4號(hào)測(cè)點(diǎn)達(dá)到彎矩最大值187.49 N·m，達(dá)到最大值的埋深為-0.43 m。對(duì)于上盤(pán)樁從1號(hào)測(cè)點(diǎn)到3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸增大，從3號(hào)測(cè)點(diǎn)到8號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值逐漸減小。在3號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩值達(dá)到最大值209.89 N·m，達(dá)到最大彎矩值的埋深為-0.34 m。在土質(zhì)相同且受到的水平荷載相同的條件下，上盤(pán)樁的彎矩值約是中盤(pán)樁的1.2倍。承力盤(pán)位置對(duì)樁周土壓力的大小的影響，中盤(pán)樁土壓力在c1測(cè)點(diǎn)為1 280.81 kPa，上盤(pán)樁c1測(cè)點(diǎn)土為917.68 kPa，同在c1測(cè)點(diǎn)上盤(pán)樁土壓力值比中盤(pán)樁小363.13 kPa。說(shuō)明承力盤(pán)的位置在靠近上部時(shí)，樁上部的剛度相對(duì)較大，對(duì)土壓力的減緩作用明顯大于承力盤(pán)在靠近中部的工況，當(dāng)支盤(pán)距樁端1/3時(shí)承力盤(pán)所減緩的側(cè)壓力是承力盤(pán)距樁端1/2時(shí)的1.40倍。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)的樁—土相互作用模型試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)模型擴(kuò)盤(pán)樁進(jìn)行水平荷載作用下的試驗(yàn)分析，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)隨著水平荷載的增加，彎矩值不斷增加。水平荷載相同時(shí)，隨著埋深的增加彎矩值先增大后減小，距樁端1/3時(shí)，彎矩值達(dá)到最大值。

2)通過(guò)對(duì)樁周土體的加固，可以抑制樁體自身的變形，通過(guò)彎矩值對(duì)比分析，擴(kuò)盤(pán)樁在加固土中最大彎矩相對(duì)于分層土中可以減少約20%。

3)隨著水平荷載的增加距加載位置較近的壓力盒測(cè)得的側(cè)向土壓力不斷增大，但在每級(jí)荷載下都表現(xiàn)為隨著埋深的增加側(cè)向土壓力逐漸減小。同一樁在加固土中樁受到的側(cè)向土壓力是分層土的1/2，通過(guò)加固擴(kuò)盤(pán)樁周圍的土體可以降低50%樁受到的土側(cè)向壓力。

4)說(shuō)明承力盤(pán)的位置在靠近上部時(shí)，樁上部的剛度相對(duì)較大，對(duì)土壓力的減緩作用明顯大于承力盤(pán)在靠近中部的工況，當(dāng)支盤(pán)距樁端1/3時(shí)承力盤(pán)所減緩的側(cè)壓力是承力盤(pán)距樁端1/2時(shí)的1.40倍。