不同形状盘体组合对支盘桩承载性状影响研究

卢成原，寿亚锋，琚蕊雄，王 东

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

不同形状盘体组合对支盘桩承载性状影响研究

卢成原，寿亚锋，琚蕊雄，王 东

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

设计了四组双盘支盘桩室内模型试验，以研究不同土层中不同形状盘体组合对桩承载性能的影响.根据试验结果可知：支盘桩的盘体直径相同而盘底倾角不同时其承载力是不同的，多盘支盘桩设在不同土体中的盘体其盘底倾角存在最优角度组合，越接近最优角度组合，各盘体底部土体压力差越小，桩周土的压力分布越均匀，也越能充分发挥桩周土的承载性能，多盘支盘桩的承载力也越高.因此在多支盘桩设计时应重视设置在不同土体中各盘的形状变化对承载性能的影响，尽可能采用最优的不同形状盘体组合，以发挥支盘桩的最佳承载性能.

支盘桩；模型试验；不同形状盘体组合；承载性能

支盘桩在主桩周围设置分支和承力盘，将桩身所受的力传递给周围更大范围的土体，从而增加桩的端阻力和桩周摩擦力.目前有关支盘桩的研究工作主要是根据现场试验、模型试验和数值模拟等手段，探讨支盘桩的荷载传递机理、竖向与横向承载性能、承载力影响因素以及支盘桩的承载性状与普通等直径桩的异同等[1-5]；也有研究盘体直径、盘数与盘间距变化以及盘体所处土体不同等对承载力的影响[6-8]；国外也有研究其他变直径桩变径部分间距变化对承载力的影响[9].目前国内对支盘桩的研究已形成初步的理论，但这些研究工作一般都没有涉及不同形状盘体的组合.根据支盘桩的荷载主要通过盘底扩散到土体的荷载传递机理，其单桩承载力与盘体的形状(即盘底倾角)是密切相关的，在不同性质的土层中应有最适合其承载力发挥的盘体形态，但目前几乎没有人做过同类研究工作.本次试验将采用上、下分别设置不同形状盘体(即盘底倾角不同的盘体)的双盘模型支盘桩，在砂土与粉土的复合土层中进行室内试验，研究不同形状盘体组合对于支盘桩单桩承载力的影响.

1 试验概况

本试验模型桩由铝合金管和金属盘体组合成.桩长650 mm，桩径d=32 mm，管壁厚2 mm，盘直径D=3d=96 mm，用螺栓将盘体与桩身进行固定.图1为模型桩桩身示意图(以盘底倾角30°为例).试验加载采用简单的杠杆分级加载方式，加载设备由加载托盘和砝码组成.试验所用模型箱尺寸：1 200 mm×600 mm×850 mm.

图1 桩身尺寸示意图Fig.1 Diagram of pile size

本试验介质选用粉土和砂土.按设计高度分别将两种土体均匀分层装填夯实，尽量保持土体密实度的一致性.试验完成后测得的土工参数如表1所示.

表1 砂土和粉土土工试验参数

量测元件的布置如图2所示，每根桩共贴5对应变片，从桩顶依次编号1，2，3，4，5，以测得桩身应变；并分别在盘底、盘顶和桩底位置设置土压力盒，A～D号压力盒上、下离盘中心分别约40 mm，左右离桩边缘约40 mm，E号压力盒离桩底约40 mm，以测得桩周土压力；在桩顶两侧设置两个位移百分表，用取平均值的方法来采集桩顶沉降数据.

图2 量测元件布置示意图Fig.2 Layout of measuring elements

试验分组情况如表2所示，各试验模型桩括号内的数据分别代表上、下盘的盘底倾角，如(30°，20°)表示上盘底倾角为30°，下盘底倾角为20°，以此类推.

表2 模型桩试验分组

2 试验结果及对比分析

2.1 不同盘体组合双盘支盘桩的承载性能比较

通过四组试验采集的数据，绘制相关的Q—S曲线、桩身轴力变化曲线与桩周土压力变化曲线并进行分析，研究不同形状盘体组合对支盘桩承载性状的影响.

2.1.1 等直径桩和双盘的支盘桩的承载力比较

由试验百分表所得数据，绘制等直径桩和11号支盘桩的Q—S曲线，如图3所示.

通过对图3中等直径桩和11号支盘桩的Q—S

曲线进行对比分析，取竖向总沉降量达5 mm的荷载值为竖向承载力标准值时，等直径桩的标准值约为335 N，而11号支盘桩的标准值约为2 351 N.可以看出：上盘底倾角为30°，下盘底倾角为45°的支盘桩的承载力约为等直径桩的7.02倍.这是由于支盘的存在扩大了桩的端承载面积，改变了荷载的传力路径，使原先只提供侧摩阻力的桩周土体向主要提供端承力转变(即由端承摩擦桩变成了摩擦端承桩)，荷载按扇形面向外扩散，增大了周围土体的承载范围，减小了土体的应力值，也减小了桩端刺入土体产生剪切破坏的可能性，从而大大提高了桩的承载力.

2.1.2 下盘底倾角相同上盘底倾角不同时的支盘桩承载力变化

根据试验数据绘制的各试验桩Q—S曲线，如图4所示.

(a) 2号至5号桩

(b) 6号至9号桩

(d) 14号至17号桩

通过图4分析可知：在下盘底倾角不变的情况下，处于砂土中的上盘底的倾斜角度为30°时，支盘桩的沉降量最小，这说明在试验参数的砂土中盘底倾角为30°时其承载性能最好.随着荷载的增大，Q—S曲线的变化曲率不断增大，直到破坏.以竖向位移为5 mm时的竖向荷载为例，荷载实测值如表3所示.

在表3中，第一组支盘桩的下盘盘底倾角都是20°，其中上盘盘底倾角为30°的3号桩所受的竖向荷载值是该组中最大的，并且上盘盘底倾角值与30°相差越大的支盘桩所受的竖向荷载值越小.

表3 位移值为5 mm时的竖向荷载值

依次固定上盘倾角为20°，30°，45°，60°，分析对比表3中数据可知：上盘盘底倾角固定时，当下盘盘底倾角为45°时桩能承受的竖向荷载值是最大的，并且下盘盘底倾角值与45°相差越大的支盘桩能承受的竖向荷载值越小.由此，可以得出在粉土中盘底倾角为45°时，支盘桩的承载性能是最好的.

通过对表3的综合分析，可以发现11号桩上、下盘体组合为最优盘体组合(上盘盘底倾角30°，下盘盘底倾角45°)，其承载力是所有实验支盘桩中最大的.支盘桩的盘体角度组合值越是接近最优盘体组合，支盘桩所受的竖向荷载值就越大，反之越小.

所以，在不同土体中多盘桩要得到最佳承载性能，各盘的盘底倾角应该不同.原因可由图5来分析.盘体的承载力N是由盘底压力N1和剪力N2竖向分量所提供的，如图5(a)所示.由于盘底与土体的摩擦剪力很小，因此盘的承载力主要是由N1的竖向分量提供，因此要得到较大的承载力N，盘底倾角理论上应该小一些，如图5(b～d)所示.砂土由于其压缩模量大，在较小的压缩变形即可提供较大的承载力，但适当的盘底倾角有利于土压力的横向扩散，因此本试验得到盘底倾角30°最佳.而粉土的压缩模量比砂土小得多，如果盘底倾角太小则受压缩的土体范围小，土体压力太大会导致压缩变形太大而减小承载力，适当增大盘底倾角可以使土压力扩散到更大范围从而减小盘底土压力，充分利用桩周土体的承载力，因此本试验粉土中的盘底倾角比砂土中要大一些(即α=45°)其承载力更好.

图5 盘的承载机理Fig.5 Load-bearing mechanism of the disk

2.2 桩身轴力对比分析

根据试验数据得到300 N荷载状态下等直径桩桩身轴力沿桩身深度变化曲线和1 500 N荷载作用下各组试验桩桩身轴力沿桩身的变化曲线，如图6所示.

图6 等直径桩与各支盘桩的桩身轴力变化图Fig.6 Diagram of pile axial force

从图6中可以看到：等直径桩桩身的轴力沿着深度几乎线性减小，但减小量很小，说明桩侧摩擦阻力对承载力贡献很小，承载力主要由桩端提供.对支盘桩，桩身应变测点2到桩身应变测点4这一段为上下盘之间的等直径部分，其轴力变化类似等直径桩；而在桩身应变测点1～2和4～5之间桩身轴力发生了突变，这说明了盘在受力的过程中改变了等直径桩的力的扩散路径，使上下两盘承担的荷载比重远远大于侧摩阻力和桩端阻力的比重.

2.3 桩周土压力对比分析

根据桩周土压力盒测得的读数，得到的部分支盘桩不同盘底倾角组合下的土压力变化曲线如图7所示.

通过对图7各土压力变化曲线分析，可以得到如下规律：

1) 在初始加载时盘底土压力和桩端土压力曲线的变化率较大，随着荷载的增加，盘底土压力和桩端土压力曲线增加的趋势比较均匀.同时在本次试验中，桩端土压力均比盘底土压力大，一方面是由于桩端荷载扩散区域远小于盘体下表面的荷载扩散区域；另一方面，在盘体下表面处的受力状态是斜向正应力和切应力的组合，而桩端处只存在正应力.

2) 上盘底土体的压力要大于下盘底的土体压力，随着桩端荷载的增加，他们之间的压力差也随之缓慢增大，同时，最优角度组合(30°，45°)的支盘桩的上、下盘底的土体压力差最小.该现象一方面反映了上盘发挥的承载作用要先于下盘，另一方面，由于上、下盘所在土体的不同，如采用不同的盘底倾角，可以使不同土体对盘的端阻力发挥得更充分，并且同步性也更好.

3) 支盘桩上、下盘的不同盘底倾角组合越是接近最优角度组合时，他们的盘底土压力随着荷载增加而增大的差值就会越小，桩周土的压力分布就越均匀，就越能充分发挥桩周土的承载性能.所以，如果在不同土体中支盘桩的盘体采用不同盘底倾角，对提高支盘桩的承载力具有重要意义.

4) 在试验中，等直径桩侧布置的土压力盒的读数基本上都很小，说明桩侧摩阻力向周边传递荷载的范围很小，等直径桩仅依靠侧摩阻力进行荷载传递，无法充分利用周围的土体.

(a) 3号支盘桩

(b) 7号支盘桩

(c) 10号支盘桩

(d) 11号支盘桩

(e) 12号支盘桩

(f) 15号支盘桩

3 结 论

通过四组室内模型试验，对在不同土层中有相同直径盘体但不同盘底倾角组合的支盘桩的承载力特性做了较系统的研究，并与等直径桩进行对比分析，结果表明：支盘桩由于盘体的设置改变了荷载传递路线，当竖向位移相同时，不同底角盘体组合的支盘桩在不同土层中传力路径的深度大致相同，但是传力路径的广度是有差别的，针对特定的土体，存在相应的最优盘底倾角组合.本实验中，盘径为3倍的主桩径时盘底倾角为30°与45°组合的支盘桩承载力最大，同时是其他条件相同的等直径桩承载力的7.02倍；盘底倾角较小时，虽然土体作用在盘体上反力的垂直分量大，但由于土体受压缩范围小，产生的压缩变形大，甚至会较早沿盘周边产生剪切破坏；而盘底倾角较大时，盘底与土体的摩擦作用增大，但盘土之间的摩擦力达到极限后，盘体易产生刺入破坏，从而产生很大的竖向变形，降低了桩的承载力；在本次室内试验的条件与环境下得出盘底倾角与承载力的关系并非同步增加或减小，在不同参数的土层中最优的盘底倾角组合是不同的，要根据工程实际情况具体考虑.

[1] 章雪峰，杨俊杰，盛宝亭，等.挤扩支盘桩与土层共同作用的模型试验研究[J].浙江工业大学学报，2005，33(4)：45-49.

[2] 卢成原，李汉杰.支盘桩群桩抗拔承载性状试验研究[J].浙江工业大学学报，2014，42(3)：298-301.

[3] 邓友生，龚维明.挤扩支盘桩与直孔桩的对比试验研究[J].煤田地质与勘探，2005，35(7)：37-42.

[4] 陈飞，鄢泰宁，卢春华.挤扩支盘桩荷载传递特性试验[J].煤田地质与勘探，2009，31(3)：49-52.

[5] 段鸿海，白振安.支盘桩支盘的作用效果及荷载传递机理分析[J].建筑结构，2010，22(3)：187-189.

[6] 王若竹，钱永梅，尹新生.挤扩多盘桩承力扩大盘直径对单桩承载力影响的理论分析[J].建筑技术开发，2010，37(8)：17-19.

[7] 卢锡雷，卢成原，卢鸿凯.不同设盘支盘桩的水平承载性状研究[J].浙江工业大学学报，2011，39(1)：51-56.

[8] 潘丽爽.不同土层条件对支盘桩竖向承载性能影响研究[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[9] UCHIDA K, KAWABATA T, SHODA D, et al. Mechanical behavior of model pile with multiple stepped two diameters[J]. Advance in deep foundation,2005,10(3):1-10.

(责任编辑：陈石平)

Research on the bearing capacity of branch piles with different plate combinations

LU Chengyuan, SHOU Yafeng, JU Ruixiong, WANG Dong

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

In order to study the influence of the shape of composite plates on the bearing performance of branch piles in different soil layers, four sets of laboratory model tests are designed. The experimental results show that the bearing capacity is different when the branch pile plates have the same diameter but different bottom angles. In different soil layers, there is an optimal combination of angles. When the optimal combination of angles is approached, the bearing capacity is higher, the soil pressure difference at the bottom is smaller, the pressure distribution in the soil around the pile is more uniform, and the bearing capacity of piles more fully developed. Therefore, more attention should be paid to the influence of the plate shape on the load bearing performance in the practical design of branch piles. The optimal combination of different plate shapes is adopted as possible to achieve the best bearing performance of branch piles.

branch pile; model test; different plate combinations; bearing capacity

2016-11-15

浙江省自然科学基金资助项目(Y1080440)

卢成原(1964—)，男，浙江东阳人，教授，主要从事土木工程方面的研究，E-mail：zgdlucy@sina.com.

TU473.1

A

1006-4303(2017)04-0467-06