不同桩端形状对短桩垂直承载性状影响的模型试验研究

陈瑞红

（浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310032）

前言

在一般房屋基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载。桩基通过作用于桩端（或称桩尖、桩底）的端阻力和桩周土层的侧摩阻力来支撑轴向荷载。对短桩而言，侧摩阻力属于滑动摩阻力，占桩垂直承载力标准值的比值较小，而端阻力占短桩垂直承载力标准值的比值较大。国内外关于桩端几何形状对短桩垂直承载性状的影响方面的研究较少[1]。而事实上，桩端几何形状对于短桩垂直承载性状的影响是很显著的。

1 试验方案

结合工程应用情况，以约1:10的比例制作混凝土圆桩模型。桩身直径45 mm，桩身（不含桩端）长为550 mm，埋入土中部分为450 mm。桩端形状分别为平底桩端、90 °锥角锥形桩端和半球形桩端。

参考以往室内模型试验的经验[2]，基于将边界的影响降至可忽略的原则，模型箱内净空尺寸为：1200 mm（长）×600 mm（宽）×800 mm（高）。模型箱框架由L30 ×30 角钢焊接而成，四周用厚度为12mm的实木板与角钢用螺栓连接高。模型箱及模型桩尺寸示意图如图1。

试验用土为杭州某施工现场取得的粉质粘土，土层制作时分层夯实。土层制作完毕后，养护2 天，然后用小铲挖孔，将模型桩置入土中450mm 深，桩身外露100mm，以便于加载。桩土共同养护15 天后，采用快速维持荷载法分别对三种桩端形状的短桩进行逐级加载。第一级加载为0.1 kN，第二级开始以0.1 kN的增量逐级加载，直至满足终止加载条件。杠杆加载装置示意图见图2，实验实物照片见图3。

2 试验结果

2.1 模型桩极限承载力

三种桩端形状的短桩加载后得到的Q-s 曲线如图4 所示。

三种桩端形状的短桩荷载-沉降(Q-S)曲线皆可归类为“陡降型”，参照桩基的竖向极限承载力判别标准[3]可判断桩端形状为平底的短桩其极限承载力1.2 kN，桩端形状为90 °锥角的短桩其极限承载力为1.1 kN，桩端形状为半球形的短桩其极限承载力为 1.3 kN。

2.2 土样物理性质实验

静载试验完成后，在桩端底部位置取土样进行室内土工实验，得到土的物理性质和各项力学指标见表1。

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3 试验结果分析与讨论

本文试验结果显示，桩端形状为90 °锥角的短桩其极限承载力为1.1 kN，桩端形状为平底的短桩其极限承载力1.2 kN，桩端形状为半球形的短桩其极限承载力为 1.3 kN。

Lobo-Guerrero[4]研究了不同桩端形状（平底桩端、三角形桩端）的单桩沉桩过程中土颗粒的破碎情况，研究结果显示平底桩端压碎的土颗粒总数多于三角形桩端压碎的土颗粒总数。

Daichao Sheng[5]用ABAQUS 有限元软件数值模拟了锥角为 30 °、40 °、45 °、50 °、60 °、70 °、80 °、90 °、180 °（平底桩端）的锥形桩端对桩承载力的影响，研究结果显示锥角介于25 °和90 °之间时，桩的总承载力随锥角的增大而线型增加；当锥角介于90 °和180 °之间时，因ABAQUS 单元网格严重变形，不能揭示桩的总承载力与锥角的变化之间的关系。

综上所述，笔者认为桩端几何形状对短桩垂直承载性状的影响是很显著的。半球形桩端外形圆润，加载过程中温和渐进的先向下挤压土层，使桩端下面的土层愈趋致密，进而提高了桩端承载力；而锥形桩端尖锐入土，将土层向桩端四周挤压，桩端阻力较小，桩的承载力亦较小；平底桩端外形介于半球形桩端与锥形桩端之间，既不太圆润，又不过于尖锐，因而桩端形状为平底的短桩其垂直承载力介于二者之间。

桩土相互作用关系十分复杂，本文仅研究了粉土中三种闭口桩端形状(平底桩端、90 °锥形桩端、半球形桩端)对预制短桩垂直承载性状的影响，仅以此为桩基工程的设计与施工提供必要的试验依据。

[1]曹燕,谢卫平,钟建龙.浅谈预制方桩桩尖设计[J].广东土木与建筑,2000,(4)10,15-16

[2]龚峰,丁翠红,应义淼.静压扩底管桩模型试验研究[J].浙江工业大学学报,2007,(10)

[3]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京:建筑工业出版社,1995

[4]Lobo-Guerrero,S.,Vallejo,L.E.:Influence of pile shape and pile interaction on the crushable behaviorofgranularmaterialsaround driven piles_DEM analyses.Granular Matter 9(2007),241-250

[5]D.Sheng et al.Finite element analysis of pile installation using large-slip frictional contact[J].Computers and Geotechnics 32(2005)17-26