挤扩支盘桩的承载特性

李 枫,宋焕豹,周云东

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.南京下关区城市建设开发集团公司,江苏南京 210015)

高大、复杂的建筑物对地基承载力要求较高,灌注桩是其常用的基础形式.近年来随着机械技术、施工工艺的不断进步,在传统等截面灌注桩基础上又发展出一种新型桩——挤扩支盘桩,亦称多支盘钻孔灌注桩或DX桩[1-2],即通过挤扩设备在等截面钻孔适当深度挤扩形成同心扩径支盘空间,灌注混凝土后形成的变截面桩.从成桩方式而言,挤扩支盘桩属于钻孔灌注桩;从桩身形状来看,挤扩支盘桩又属于变截面的异形桩.已有的应用情况表明,挤扩支盘桩具有如下优点:(a)适用范围广,适用于多种地层地质条件;(b)竖向承载力约为传统等截面灌注桩的2倍[3-4];(c)用作抗拔桩时由于支盘的作用,桩体的抗拔能力大大增强[5];(d)经济性优越,由于支盘的作用,单方混凝土提供的承载力大大提高.目前有关该桩型的加固机理、设计计算理论的研究较为欠缺,对其承载特性的研究也较少[6-8].本文结合实际工程情况对挤扩支盘桩的承载特性进行分析,以期指导该桩型的技术革新及工程实践.

1 设计及试验概况

1.1 工程概况及地质条件

南阳热电厂为一以供热为主、兼顾发电的大型火电工程项目,厂区试桩区域自然地面标高约141.4m,地基土层主要为硬塑状态的黏性土.勘探深度范围内地基土可分为5层,各层的物理力学参数见表1.

对电厂主厂房、烟囱的地基采用泥浆护壁钻孔挤扩支盘桩进行加固处理.

1.2 单桩承载力设计计算

该工程挤扩支盘桩分2种桩型:A型桩设计有效桩长为25.0m,设计桩顶标高-6m,实际施工桩顶位于自然地面,桩长29.57～29.63m,主桩直径700mm,桩身设置2个盘,盘径均为1400mm,分别位于桩身16.5m和25.5m处.B型桩设计有效桩长为10.0m,设计桩顶标高-3m,实际施工桩顶位于自然地面,桩长11.6～11.8m,桩径600mm,桩身设置一个盘,盘径1100mm,支盘位于桩身10.2m处.

支盘桩承载力按式(1)计算[9-10]:

表1 场地土层物理力学性质Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

式中:Quk——单桩承载力标准值;Qsk——桩侧承载力;Qpk——桩端及支盘承载力;u——主桩桩身周长,m;qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值,kPa;li——桩穿越第i层土的厚度,计算时应减去盘根厚度,m;qpik——桩身第i个支盘处土的极限端阻力标准值,kPa;qpk——主桩底处土的极限端阻力标准值,kPa;Api——扣除主桩桩身截面积的支或盘的水平投影面积,m2;Ap——主桩桩端截面积,m2;ψpi——支、盘极限端阻力标准值的修正系数.

根据式(1)可得A型桩单桩承载力为5746kN,B型桩单桩承载力为1778kN.

图1 A型试验桩仪器布置Fig.1 Layout of test equipment for A-type piles

1.3 试验概况

为了测试挤扩支盘桩轴力分布规律并探讨其荷载传递机理,试桩施工中在地层分界面及支盘上下部位A型桩的2根对称主筋上安装了钢筋计,测试桩身的轴力;桩端对称安装2只双模土压力盒,用以测试桩端阻力.支盘位置及钢筋计、压力盒安装位置见图1,桩身轴力测试和静荷载试验同步进行,在每次观测沉降值时,测试一次钢筋应力计频率,直至静载荷试验结束.

2 静载荷试验

分别对3根A,B型桩进行静载荷试验,试验采用慢速维持荷载法,静载荷试验结果见图2及表2.

图2 试桩 Q～s曲线Fig.2 Q-s curves of test piles

静载荷试验结果表明,桩长较深并设置2个支盘的A型桩在整个加载过程中表现出了较好的荷载沉降特性,3根试桩的Q～s曲线规律较相似,Q～s曲线变化较平缓,桩顶荷载在6MN之下时沉降极小,约为10mm,在荷载达到近8MN时Q～s曲线才呈现较明显的曲率变化.B型桩因桩长较短,只设置1个支盘且支盘靠近桩底,在相同荷载作用下其桩顶沉降量要远大于A型桩.当桩顶荷载达到试桩的竖向极限承载力时Q～s曲线陡降.

根据Q～s曲线特征对单桩竖向抗压极限承载力进行取值,A1,A2,A3,B1,B2,B3各桩的竖向抗压极限承载力分别为7680kN,7680kN,7680kN,2200kN,1980kN,2200kN,除B2桩外,其他5根试验桩的竖向抗压承载力均显著高于设计值,式(1)计算结果较静载荷试验结果小20%左右.

表2 静载荷试验结果Table 2 Results of static loading tests

3 荷载传递特性

与直杆桩相比,挤扩支盘桩由于在桩身存在扩径支盘,受支盘影响,桩顶受荷后将表现出不同的桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力传递规律.本文选择A1桩桩身的荷载传递规律进行测试分析.

3.1 桩身轴力传递规律

图3为A1桩在不同桩顶荷载作用下桩身轴力分布图.随着深度增加,桩身轴力逐渐降低,轴力分布与直杆桩显著不同.在支盘上下界面位置桩身轴力发生大幅变化,支盘下端轴力显著降低,支盘位置减小的轴力完全由支盘承担,并将其转嫁到支盘底部的土层.桩顶荷载较大时,支盘对轴力的削减作用更为明显.A1桩桩身设有2处支盘,在下道支盘之下桩身轴力均大幅衰减,从而使A1桩在各级荷载作用下均具有较小的端阻力值.

图3 A1桩轴力分布Fig.3 Distribution of axial forces of pile A1

3.2 支盘荷载传递规律

图3桩身轴力分布曲线表明,挤扩支盘桩由于支盘的存在整个桩体的承载特性发生了显著变化.图4(a)为各级桩顶荷载作用下桩体各部分荷载分担情况.加载初期支盘承担的荷载较小,荷载主要由桩侧摩阻力承担;随着荷载的增加,支盘承担的总荷载逐渐增大,且随着桩顶荷载的增加支盘承担荷载的增长速率也逐步加快.桩身不同位置支盘表现出了不同的荷载增长规律:上、下支盘承载力的发挥具有明显的时间和顺序效应,在加载初期,上盘比下盘承担较多荷载,但下盘分担荷载增长迅速,在受荷后期反而比上盘分担更多荷载.

图4(b)表明,在桩顶荷载施加到最终加载量的30%以前,下支盘对应分担的荷载极小,约为对应施加荷载的1%,上支盘承担的荷载则占所施加桩顶荷载的15%～20%,且分担荷载百分比略呈下降趋势.在桩顶荷载施加到最终加载量的30%后,下支盘承担荷载百分比迅速增加.当桩顶荷载达到8320kN时,下支盘承担的荷载为28.9%,上支盘承担的荷载为19.2%,两支盘共同承担的荷载占48.1%.支盘阻力的传递特征与桩端阻力相似,如将支盘阻力和桩端阻力统称为端阻力,则A1桩在桩顶荷载达到8.32MN时,端阻力占总荷载的50.6%,其余49.4%荷载由桩侧摩阻力承担,说明挤扩支盘桩属于摩擦端承型桩.

图4 A1桩荷载分担Fig.4 Load sharing of pile A1

3.3 桩侧摩阻力传递规律

图5 A1桩桩侧摩阻力分布Fig.5 Distribution of lateral frictions of pile A1

与支盘承担荷载的变化规律基本相反,桩侧摩阻力在加载初期增长较快.随着桩顶荷载增加,桩侧摩阻力增长速率逐步减小,在桩顶荷载接近极限承载力时桩侧摩阻力几乎停止增长.图4(b)表明在加荷初期,桩侧摩阻力约承担了总荷载的80%,随着荷载的增大,桩侧摩阻力分担荷载的比例越来越小.图5为A1桩被2个支盘分割成的3个直桩段的桩侧摩阻力随桩顶荷载的变化曲线,0～15.5m段桩侧总摩阻力的发挥对A1桩总摩阻力的大小起决定作用.就这一段总摩阻力的发展趋势而言,大体可分3个阶段:桩顶荷载介于0～4480kN时,桩侧总摩阻力基本呈线性增长;桩顶荷载介于4480～7040kN时,桩侧总摩阻力增长变缓,在7040kN级荷载时达到极限值;桩顶荷载超过7040kN之后,桩侧总摩阻力呈略下降趋势.17.5～24m,26～29.6m桩段侧摩阻力增长量则较小,桩顶所增加的总荷载增量主要转嫁给其下的2个支盘承担,从而弥补桩身摩阻力的不足.说明支盘和桩侧摩阻力之间存在互补关系,而且从时间效应上来看,往往是桩侧摩阻力达到极限值以后支盘才更有效地发挥端承作用.17.5～24m段和26～29m段摩阻力的发挥则比较滞后,一直处于缓慢增长的状态.

4 结 论

a.挤扩支盘桩与传统等直径灌注桩相比具有承载力高、沉降变形小、经济性优越等优点.

b.现行规范挤扩支盘桩单桩承载力计算方法过于保守,计算结果较静载荷实测结果小约20%.

c.静载荷试验结果表明,挤扩支盘桩属于摩擦端承型桩,桩身各部分承载力发挥具有时序性,荷载较小时外荷主要由桩侧摩阻力承担,荷载较大时则主要由支盘承担,当支盘增加至一定数量时,支盘承担荷载可达50%以上.

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