支盘桩群桩抗拔承载性状试验研究

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(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

支盘桩是在我国20世纪80年代末发展起来的新型桩，经过20多年的发展，其工程应用不断扩展[1-5].但国内外在上拔荷载作用下群桩的试验研究资料十分少，在各类规范中也少有反映.为了满足设计和施工的需要，有必要对支盘群桩在上拔荷载作用下的工作性状作一些分析.笔者通过多组支盘桩室内模型试验，对支盘桩群桩的抗拔机理和承载性能进行了研究.

1 试验概况

本次室内模型试验主要研究两桩和四桩支盘群桩的抗拔承载性能，并与相同的等直径群桩进行比较.试验过程中测量的参数，包括承台顶上拔位移、桩身应变以及桩周土压力变化等.试验装置由模型试验箱、模型等直径群桩和支盘群桩、上拔荷载加载装置及测量仪器等组成.模型试验箱尺寸为1 200 mm×600 mm×850 mm，模型桩采用铝合金管，外径为18 mm,壁厚为1.5 mm,桩和承台总高度为650 mm,支盘直径为60 mm.模型群桩之间的桩距为120 mm.微型土压力盒布置在盘体上方两侧，距盘10 mm处，上盘顶压力盒记为1，2号，其中1号在群桩外侧，2号在群桩内侧；下盘顶土压力盒记为3，4号，其中3号在群桩外侧，4号在群桩内侧.桩身的尺寸及应变片位置如图1所示.

图1 模型桩及应变片示意图(单位:mm)

试验在粉土中进行，土的相关参数见表1.

表1 模型试验土体参数

试验装置如图2所示，试验加载采用慢速维持荷载法，分级加载每级50 N，当模型桩承台的上拔位移为6 mm左右时终止加载.

图2 试验加载装置

2 抗拔群桩的承载力分析

等直径桩和支盘桩双桩和四桩群桩试验得到的Q—S曲线如图3，4所示.

图3 支盘双桩与等直径双桩群桩Q—S曲线

图4 支盘四桩与等直径四桩群桩Q—S曲线

由图3,4可以看出:在上拔荷载的作用下，支盘桩双桩、四桩承载力都远大于等直径群桩，如果以上拔位移5 mm为承载力控制条件，对于两桩群桩，等直径群桩的上拔承载力约为270 N，支盘桩群桩的上拔承载力约为580 N，所以支盘桩群桩的承载力比等直径群桩提高了约115%；而四桩群桩，等直径群桩上拔承载力约为550 N，支盘桩群桩的上拔承载力约为1 110 N，所以支盘桩群桩的承载力比等直径群桩提高了约102%.由此可见：支盘桩群桩的抗拔承载力明显好于相对应的等直径群桩.这是由于支盘桩中上下两盘可以很好地发挥其端承作用，从而大大提高了群桩的抗拔承载力.

同时，随着桩数增加一倍，等直径群桩的承载力几乎也增大一倍，说明此时对等直径群桩而言，其群桩效应可以忽略，原因是其桩距120 mm已足够大(是桩径18 mm的6.7倍)，桩周与土体的摩擦力传至土体的应力几乎不存在叠加问题，因此群桩的承载力与桩数成正比.

而支盘桩群桩承载力没有像相应的等直径群桩那样与桩数成比例增加，说明随着桩数的增加其表现出明显的群桩效应，这是由于支盘群桩主要靠盘体传递荷载，由盘的端承作用传给土体的应力扩散范围更大，造成群桩内侧土体存在各桩的盘传来的应力重叠现象，因此群桩中间的土体不能像单桩那样给各盘提供充分的支撑力.

3 桩身轴力对比分析

根据桩身不同位置应变片测得的数据经计算得到相应位置不同桩型、不同桩数群桩桩身轴力变化曲线如图5—8所示.

图5 支盘桩双桩桩身轴力曲线

图6 等直径双桩桩身轴力曲线

图7 支盘四桩桩身轴力曲线

图8 等直径四桩桩身轴力曲线

根据以上各图，对支盘桩双桩、四桩群桩与相应的等直径群桩进行对比分析，可知等直径群桩的轴力近似呈线性分布，而支盘群桩的轴力为非线性的分布，在两盘上下截面都发生了轴力的突变.两个盘体分担了大部分荷载，且随着荷载的增加盘体分担的荷载比例越大.以四桩为例，当施加上拔荷载分别为400，800，1 200 N时(群桩中各单桩按总荷载的1/4计算)，单桩各测点的轴力如表2所示.

表2 不同荷载时双盘四桩群桩各测点轴力

由表2数据可算得：随着荷载增加，两盘承受的荷载占总荷载的比例分别为58.9%，61.8%，67.7%.同时发现上盘分担荷载的比例变化很小，分别为35.8%，36%，35.3%，而下盘分担荷载的比例明显增大，分别为19%，25.8%，32.3%，这也说明下盘对承载力的贡献在加载后期越来越显著.这是支盘桩承载力明显大于等直径桩的根本所在.

4 桩周土压力对比分析

不同桩型、不同桩数桩周土压力变化曲线如图9—12所示.

图9 支盘桩双桩土压力变化曲线

图10 等直径双桩土压力变化曲线

图11 支盘桩四桩土压力变化曲线

图12 等直径四桩土压力变化曲线

在上拔荷载作用下，将支盘双桩、四桩与等直径群桩进行桩周土压力对比分析可知：在施加相同荷载时，支盘桩群桩盘顶位置的土压力增量远远大于等直径群桩相应位置的土压力增量.以双桩为例，当施加荷载为100 N时，支盘桩上、下盘顶处1号和3号压力盒的土压力增量分别约为14.05，9.00 kPa，等直径桩相应位置土压力增量分别约为3.50，2.19 kPa；当施加荷载为300 N时，支盘桩1号和3号位置土压力增量约为35.63，23.56 kPa，而等直径桩相应的土压力增量约为7.11，4.36 kPa.

这是由于等直径桩的荷载主要是通过桩周的摩擦力来传递的，很难有效的向周围扩散，再加上该摩擦力本身就较小，所以在离桩身一定距离的土压力盒处的压力增量很小.而支盘桩盘端的土压力主要是由盘体对附近土体产生斜向挤压作用，以斜向压力的形式传递给周围土体，其扩散范围较大，因此盘顶附近的土压力盒显示的土压力增量就较大，这也说明支盘桩可以有效利用周围较大范围土体的承载作用.

同时发现当荷载为300 N时，在双桩群桩内侧的2号、4号土压力盒处的土压力增量值，等直径桩为6.98，4.09 kPa，支盘桩为32.65，20.56 kPa，等直径桩相同高度内外两侧的土压力增量相差不大，而支盘桩处在群桩内侧的土压力增量要比相应位置外侧的土压力增量值明显要小，说明支盘桩群桩内侧土体受群桩效应影响明显，有整体被抬起趋势，这部分土体对盘体的支撑作用在减小，而等直径群桩受到群桩效应的影响较小.

5 结 论

通过对上拔荷载作用下等直径群桩和支盘桩群桩的两组对比试验，结果表明：相同桩距和桩数的群桩，支盘桩群桩承载力明显大于等直径群桩的承载力，同时支盘桩群桩受群桩效应的影响要明显大于等直径桩，并随着桩数增多，群桩效应越显著，造成其多桩时的承载力增加比例没有等直径群桩大；群桩中的支盘桩单桩的承载机理与独立单桩相似，荷载主要由盘体承受，在盘体上下桩身轴力均有突变，并且在多盘时承载力发挥先上后下，但其承载力由于群桩效应要小于独立单桩；支盘桩群桩所受到群桩效应的影响，主要表现在由于各桩盘体传来的应力叠加作用，导致盘体附近范围内的群桩内侧土压力小于外侧土压力，这也使得盘端的阻力减小，降低了其承载力.

参考文献：

[1] 徐和，秦惠纪.上海商厦单群桩抗拔承载力的分析校核及设计[J].结构工程师，1995(1)：31-36.

[2] 周淑芬，匡虹桥.黏土中超长群桩竖向承载力模模型试验研究[J].岩土工程学报，2009，31(9):1472-1475.

[3] 吴春萍，郑威.竖向荷载下群桩的承载力分析[J].工程与建设，2011，25(6):798-801.

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