不同土质中支盘桩基础合理盘距和桩距研究

卢成原，黄瑜明

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

不同土质中支盘桩基础合理盘距和桩距研究

卢成原，黄瑜明

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：设计两组室内模型试验来研究不同土质中支盘桩单桩的合理盘间距.对试验结果分析得出：双盘单桩的承载力随盘距的增加有不同程度的增大，但并不呈线性增加；盘距的不同关系到盘体承载力的发挥，同时上下盘的发挥有较明显的时间效应；桩周不同土质性状影响着支盘桩单桩两盘体的合理间距取值.支盘桩群桩随桩距的增大，群桩效应逐渐减小，其承载力不断增大，当达到一定桩距时可以近视忽略群桩效应的影响，群桩的承载力可取单桩承载力的叠加值，但该合理桩距在不同土质中是不同的。

关键词：支盘桩；盘距；桩距；模型试验

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

因现场试验研究能较准确地反映出支盘桩真实的工作性状，试验数据可信度较高，所以支盘桩的研究报道以工程现场试验占多数[1-5].但是由于现场试验研究成本高，而且不能进行多次试验，工作条件环境差等原因，难以使现场试验系统化，得不出具有规律性的结论.而进行室内模型试验成本低，环境条件好，可以针对支盘桩不同的研究参数设计足量的相关试验，得到具有可比性的试验数据，经分析可得出一些规律性的结论.因此室内模型试验研究对于现场试验是一种较好的补充研究方法[6-11]。

1试验概况

本次试验目的主要是研究在不同土质、不同盘间距、不同桩距的条件下，支盘桩(单桩和群桩)在荷载作用下的承载特性、沉降变化特点，得出支盘桩在不同土质中合理盘间距和群桩的合理桩距。

试验分别在粉土和砂土两种均匀土层中进行，试验用模型箱尺寸为120 cm(长)×60 cm(宽)×85 cm(高)，模型支盘桩采用铝合金制作，桩身直径d=18 mm，管壁厚为s=1.5 mm，桩长L=650 mm，盘体材料选用定做铁质圆盘，直径D=60 mm.单桩盘体及应变片设置如图1所示，第二个承力盘设置位置不变，第一个承力盘距离第二个承力盘的距离分别为2.0D，2.5D，3D，3.5D，两桩群桩的桩距布置如图2所示。

图1　单桩盘间距布置图Fig.1　Single pile spacing arrangement

图2　群桩桩距布置图Fig.2　Group of pile spacing arrangement

1.1土体材料

本次室内模型试验采用的粉土和砂土的各项参数见表1。

1.2试验分组

本次试验包括四组试验，通过试验数据对比分析来研究支盘桩基础在不同土质中的合理盘距和桩距。

表1　模型试验用土试验参数

第一组试验：将如图1所示不同盘间距的单桩分别埋入模型试验箱中，装入砂土，在桩顶安装百分表用以测读桩顶沉降.埋置好模型桩和土样后在砂土上预加砝码用以促进土样的重塑，经一段时间的静置稳定后再分级施加竖向荷载进行加载试验.每级加载稳定后测读桩、土相关数据，供后续的分析研究。

第二组试验：将第一组试验箱中砂土换成粉土，其它步骤同第一组试验。

第三组试验：将图2所示三种不同桩距的群桩一次性埋入试验箱中，装入砂土.加载方式与单桩一样，测读桩、土相关数据，供后续的分析研究。

第四组试验：将第三组试验箱中砂土换成粉土，其它步骤同第三组试验。

2试验结果及对比分析

2.1支盘桩不同盘间距的对比分析

通过第一、二组试验采集的数据，绘制相关的Q—S曲线、桩身轴力变化曲线进行分析，研究支盘桩单桩在砂土和粉土中的各自合理盘距。

2.1.1位移与荷载对比分析

支盘桩的盘间距分别为2D，2.5D，3D，3.5D(D为盘距)对应的Q—S曲线如图3，4所示。

图3　砂土中不同盘间距支盘桩的Q—S曲线Fig.3　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in sandy

图4　粉土中不同盘间距支盘桩的Q—S曲线Fig.4　Q-S curve of different plate spacing squeezed branch pile in silt

通过对图3砂土中不同盘间距支盘桩的Q—S曲线的分析，按照实际工程中以沉降来确定桩承载力的方法，假定以沉降5 mm为本次试验桩的承载力控制标准，则2D,2.5D,3D,3.5D盘距时对应的支盘桩承载力分别约为296.8,327.8,343.7,340.9 N.当支盘桩的盘间距为2D时，因为上盘埋置最深，覆土厚度最大，故在加载初期该部分土体对桩身的摩擦作用更大，其沉降变形比其他盘距的要稍小些.但沉降达5 mm时对应的承载力却最小，这是由于支盘桩后期的承载力主要由盘提供，2D盘距较小，上盘底受到的压力不能很好地向周围扩散，会导致盘与盘之间的土体被提前剪切破坏，上盘承载力大大减小，支盘桩承载力主要由下盘提供。

当支盘桩的盘间距从2D增大到3D时，其承载力呈增加的趋势，这是由于随着盘间距的增大，前述导致上盘承载力减小的现象减弱，支盘桩能较充分的发挥上盘的承载力，其总承载力增加.而3D到3.5D盘间距时的承载力反而减少了2.8 N，这是因为盘间距的进一步增大，支盘桩上下盘体承载力的发挥时间不同步性更加明显，使得支盘桩的承载力总量减小，这种上下盘体发挥不同步现象即所谓的“时间效应”。

当盘间距为3D时，支盘桩的承载力为343.7 N取得最大，这表明此时的支盘桩上下盘体承载力发挥最为充分，即上下盘的承载力既能得以充分发挥又在发挥时间上没有明显时间差，因此可以说此时的盘间距设计是最为合理的.由此，根据本次试验可以得出在砂土中以5 mm沉降为控制标准时，3D盘间距的支盘桩可以提供最大的承载力，即支盘桩在砂土中提供最大承载力的最合理盘间距为3D盘间距。

由图4粉土中不同盘间距支盘桩的Q—S曲线可以看出：支盘桩的盘间距从2D增大到3.5D，其承载力变化一直呈增加趋势，随着盘间距的增大，支盘桩能较充分的发挥上下盘的承载力，其总承载力增加.控制沉降5 mm为标准时，2D~3.5D盘间距对应的承载力大小分别为248.1,270.3,277.8,280.9 N，则每增加0.5D盘间距时，承载力的增加值分别为22.2,7.5,4.1 N.由此可以看出，2D~2.5D盘间距时承载力递增的速率最快，2.5D~3D和3D~3.5D盘间距时上下盘体基本都充分发挥了，故其承载力递增很小.综合考虑试验条件等因素的影响，可以认为在粉土中盘间距为2.5D时，支盘桩的上下盘体充分发挥了承载力，即支盘桩在粉土中最合理盘间距为2.5D盘间距。

根据以上试验结果可知:多盘支盘桩的合理盘间距会因桩周土体性质的不同而不同。

2.1.2桩身轴力对比分析

根据试验数据计算桩身各测点轴力平均值，绘制砂土中各级荷载作用下的轴力图，如图5~8所示。

图5　2D盘距桩身轴力曲线Fig.5　The curve of axial force of pile body in 2D plate spacing

图6　2.5D盘距桩身轴力曲线Fig.6　The curve of axial force of pile body in 2.5D plate spacing

图7　3D盘距桩身轴力曲线Fig.7　The curve of axial force of pile body in 3D plate spacing

图8　3.5D盘距桩身轴力曲线Fig.8　The curve of axial force of pile body in 3.5D plate spacing

通过图5~8可以看出：桩身轴力由测点1到测点6呈递增趋势，即桩身轴力沿着桩身由下而上逐渐变大，但不成线性关系变化，测点1，2之间轴力变化都较快，这是因为不同盘间距支盘桩都在测点1、2之间设置了下盘的关系，盘的存在改变了桩土之间的荷载传递规律.图5、6中测点2、3之间和图7、8中测点3、4之间的轴力变化最快是因为设置了上盘体的关系.由图5，6中测点3，4，5对应的曲线图可以看出：桩身轴力在上盘以上等直径桩身的变化较小，且基本上是线性的.由图7及相关试验数据知：当施加荷载300 N时，支盘桩上盘承担153.2 N，下盘承担97.3 N，上下盘承担的荷载分别占了总荷载的51.1%，32.4%，由此可以看出支盘桩上盘承担的荷载要比下盘承担的大.引起这种不同的原因是多盘支盘桩的盘体承载力发挥有其先后顺序，在桩顶荷载作用下上盘先发挥其承载力，当荷载增大到一定值后，即桩底附近产生足够大的竖向位移后，设在桩底附近的下盘和桩端才发挥其应有的承载力.显然，由于上下盘承载力发挥的时间效应，上盘和下盘一般很难同时发挥各自的最大承载力，因此在计算支盘桩承载力时不能将两盘的最大承载力进行简单叠加。

2.2支盘桩不同桩距群桩的对比分析

通过第三、四组试验采集的数据研究支盘桩的桩距不同对其承载力的影响，两组试验得到的Q—S曲线如图9，10所示。

图9　砂土中不同桩距支盘桩的Q—S曲线Fig.9　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in sandy

图10　粉土中不同桩距支盘桩的Q—S曲线Fig.10　Q-S curve of different pile spacing squeezed branch pile in silt

通过图9，10可以看出：在砂土和粉土中，随着桩距从2D增大到3D，支盘桩的承载力逐渐变大.由图9可以知道：当以沉降量5 mm为控制标准，则桩距为2D，2.5D，3D时对应的支盘桩双桩群桩的承载力分别为628.9，677.3，685.8 N，每增加0.5D桩距时，支盘桩双桩的承载力增幅分别为48.4，8.5 N，即随着桩距的增大，群桩效应减弱，支盘桩双桩群桩的承载力增加。

因本次试验群桩各单桩上下盘的盘间距都按照3.5D设置，由图3砂土中支盘桩Q—S曲线知道单桩盘间距3.5D时最大承载力为340.9 N.因此群桩中当桩距为2D时的承载力都小于两根单桩承载力之和(即681.8 N)，产生这种现象的原因是当桩距较小时群桩效应对群桩承载力的影响所致.当桩距为2.5D时支盘桩双桩群桩的承载力已经很接近于两根单桩承载力之和.当桩距为3D时双桩群桩的承载力685.8 N要稍大于两根单桩承载力的叠加值681.8 N，出现这种结果的原因可能是存在一定的试验误差所致.综合考虑试验误差和环境条件等，可以认为在砂土中支盘桩双桩群桩桩距为2.5D时，其群桩效应对承载力的影响很小可以忽略不计，即就本次试验支盘桩双桩群桩在砂土中的合理桩距应取为2.5D以上。

由图10粉土中不同桩距支盘桩的Q—S曲线可以看出：当支盘桩沉降为5 mm时，2D,2.5D,3D桩距对应的承载力分别为490.9,547.3,564.8 N，则每增加0.5D桩间距时，承载力的增加值分别为56.4,17.5 N.根据粉土中两根盘间距3.5D单桩的承载力之和为567.8 N可以知道：桩距为2D，2.5D时双桩的承载力都比567.8 N小比较多，说明此时群桩效应对群桩的影响较大.而桩距为3D时双桩群桩的承载力564.8 N与567.8 N已经很接近了，此时可认为群桩效应对双桩群桩承载力的影响很小，可以忽略群桩效应的作用.综合考虑试验条件等因素的影响，可以认为本试验得到粉土中支盘桩双桩群桩的合理桩距应大于3D。

从以上分析可以知道：根据本次试验结果，支盘桩群桩在砂土中的合理桩距为2.5D，在粉土中为3D，这是因为砂土的压缩模量大，黏聚力小，盘底应力扩散范围要小与粉土，群桩效应的影响范围相对较小.由此可以得出：支盘桩群桩不必考虑群桩效应的合理桩距距会因桩周土体性质的不同而不同，在粉土中合理桩距要大于在砂土中的合理桩距。

3结论

通过四组室内模型试验，对不同土体中的多盘支盘桩的合理盘间距和双桩支盘桩群桩的合理桩距进行了研究，结果表明：多支盘桩的盘间距不同对其承载力有较大的影响.当盘间距较小时上盘的承载力不能充分发挥，而在盘间距太大时上下盘的承载力发挥的“时间效应”明显，导致其承载力不同步发挥，这两种情况都会降低多盘桩的承载力，因此多盘桩存在一个合理盘间距，可以使其承载力达到最大，充分发挥多支盘桩的承载效率；多支盘桩在不同土体中的合理盘距是不同的.根据本次双盘支盘桩的试验结果，在砂土中该合理盘间距为3D，而在粉土中为2.5D，这种差异主要取决于盘底土体应力的传递途径；支盘桩群桩随着桩距的增加其群桩效应减小，但在不同土体中桩距对群桩效应的影响是不同的.在本次试验中，支盘桩双桩群桩在砂土中的桩距为2.5D时群桩效应可以忽略，而在粉土中桩距为3D时群桩效应可以忽略.因此砂土中双桩群桩的合理桩距应大于2.5D，粉土中应大于3D.这种区别主要是盘底土体应力的扩散范围不同造成的；支盘桩盘底土体应力状态由于土体性质的不同会有明显差异，这种差异也改变了支盘桩的荷载传递规律，决定了支盘桩的承载性状，因此支盘桩设计要“因土而异”，保证其承载力发挥达到最有效状态。

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(责任编辑：陈石平)

中图分类号：TU473.1

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)02-0232-05

作者简介：卢成原(1964—)，男，浙江东阳人，教授，主要从事土木工程的研究和教学工作，E-mail:zgdlucy@sina.com。

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(Y1080440)

收稿日期：2014-11-20