楔形桩与等直径桩承载特性对比模型试验研究

顾红伟，孔纲强，车平，任连伟，彭怀风



楔形桩与等直径桩承载特性对比模型试验研究

顾红伟1, 2，孔纲强1, 2，车平3，任连伟4，彭怀风1, 2

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京，210098；2. 河海大学土木与交通学院，江苏南京，210098；3. 江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京，210007；4. 河南理工大学土木工程学院，河南焦作，454000)

针对楔形桩的承载特性，开展砂土中竖向压荷载、水平向荷载以及地面堆载作用下等混凝土用量楔形桩和等直径桩承载特性对比模型试验，测得不同荷载等级下桩顶荷载−位移关系曲线以及桩侧摩阻力、桩端阻力、桩侧土压力、桩顶下拽位移和桩身下拽力等分布规律；探讨楔形桩与等直径桩在竖向抗压、水平向承载力以及负摩阻力特性的异同点，分析楔形角对砂土中基桩的承载特性的影响规律。研究结果表明：在本文试验条件下，砂土中楔形桩的单桩竖向抗压力和水平向极限承载力约分别为等混凝土用量等直径桩的0.75倍和1.26倍；楔形桩的桩顶下拽位移与等直径桩的下拽位移相比减小1/5~1/4。

桩基；极限承载力；楔形桩；下拽位移；模型试验

楔形桩中由于存在楔形角，导致其承载特性与常规等截面桩的特性不同[1−2]。近年来，相关学者针对楔形桩的单桩竖向承载力特性进行了现场试验和理论分析，并基于极限平衡原理建立了承载力计算方法[3−5]。针对楔形桩复合地基承载特性，蒋建平等[3−8]进行了现场试验和室内模型试验研究，分析了楔形角、上部循环荷载等对楔形桩复合地基承载性状的影响规律，探讨了合理楔形角的设计范围。杨庆光等[9−10]针对楔形桩的沉桩施工过程，开展了室内模型试验和理论分析，并基于圆孔扩张理论建立了楔形桩沉桩过程桩周土体位移场、应力场以及沉桩阻力计算方法。蔡燕燕等[11−12]考虑横向惯性效应时楔形桩纵向振动阻抗 ，分析了楔形桩与等直径桩的纵向振动响应方面的异同点。通常认为，在承受竖向压荷载作用时，桩侧土体除了提供桩侧摩阻力外，还受到1个由于楔形面造成土体斜向挤压而形成的竖向分力，从而提高桩侧正摩阻力，但楔形桩的桩端横截面积小，从而削弱了桩端阻力，因此，在桩侧摩阻力和桩端阻力协调共同作用下，需研究基桩的整体承载特性。楔形桩承受水平向荷载作用时，由于其桩身刚度沿桩深方向变化，而使其变得复杂。为此，本文作者基于模型试验方法，开展砂性土中竖向压荷载、水平向荷载以及地面堆载作用下等混凝土用量楔形桩和等直径桩承载特性对比模型试验，测得不同荷载等级下桩顶荷载−位移关系曲线以及桩侧摩阻力、桩端阻力、桩侧土压力、桩顶下拽位移和桩身下拽力等分布规律，并探讨楔形桩与等直径桩在竖向抗压、水平向承载力以及负摩阻力特性的异 同点。

1 室内模型试验

1.1 试验模型槽

模型试验所采用模型槽长×宽×高为2.0 m× 2.0 m×2.5 m，槽壁由钢板和高强度有机玻璃组成，槽底为钢筋混凝土地面。模型槽示意图如图1所示。

单位：mm

1.2 试验用土

试验所用的土样为砂土。填土中采用密实度作为填筑控制指标，填筑前通过压实试验确定分层夯实高度，以保证模型试验中砂土有一定的密实度。填筑土体前进行砂土相关的室内土工试验，其质量分数为2.3%，密度为1.45 g/cm3，内摩擦角为35.9o，弹性模量s为11.1 MPa。砂性土颗分试验结果见图2。由图2可知：砂性土土粒的不均匀系数u为1.22，曲率系数c为0.97，属于级配不良砂。土体制备完成后，在试验桩位处进行CPT试验，结果如图3所示。

图2 砂土颗分试验结果

1—锥尖阻力；2—侧阻力。

1.3 模型桩制作

试验桩采用钢筋混凝土浇筑，桩身混凝土强度为C20，水泥强度等级为42.5R，混凝土配合比(即水泥、水、砂子、石子质量比)为0.47:1.00:1.34:3.13。试验桩在土工试验模型槽外，在采用薄铁皮制作的浇筑模型桩的模具里浇筑，同时制作钢筋笼(3根直径为8 mm的主筋即主筋3φ8，直径为6 mm、布置间距为155 mm的箍筋即箍筋φ6@155)，并在钢筋笼内布置应变计。模型桩浇注模具、钢筋笼及浇注完成的模型桩如图4所示。考虑到实际工程中楔形桩的常用楔形角，模型桩选取楔形角为1.0°，试验采用相同混凝土用量的等直径桩进行对比分析，2种模型桩的具体尺寸如图5所示。浇注混凝土材料时，按照规范要求制作3个长×宽×高为15 cm×15 cm×15 cm的标准试样，根据混凝土无侧限抗压强度试验测得其抗压强度为21.2 MPa。模型桩各加载装置见图5。

(a) 桩模；(b) 钢筋笼；(c) 模型桩

(a) 竖向压荷载；(b) 地面荷载；(c) 水平向荷载；(d) 楔形桩；(e) 等直径桩

1.4 模型试验布置及试验工况设计

在楔形桩和等直径桩的桩体混凝土达到养护龄期后，将桩预先埋设到模型槽中，待2根单桩固定好以后开始填土，填土完成后静置24 h。当土体固结稳定后，进行各模型桩单桩试验。在试验过程中，3个不同方向的荷载按竖向压荷载、地面堆载和水平向荷载依次在同一根桩上进行。模型桩各加载方式装置如图5所示。在静载试验过程中采用慢速维持荷载法，各级荷载下的稳定标准以及终止加载条件都参照JGJ 94—2008“建筑桩基技术规范”[13]中关于静载荷试验的内容确定。试验中每级加载后，在维持荷载不变前提下进行桩顶竖向沉降、水平向位移以及桩顶沉降测量，并进行桩身应力以及桩侧土压力测量，然后加下一级荷载，直到试验达到终止条件时结束。

2 模型试验结果与分析

2.1 竖向加载对比分析

2.1.1 承载力特性对比分析

2根模型桩的荷载−沉降曲线如图6所示。由图6可见：楔形桩的荷载−沉降曲线为陡降型；在楔形桩受桩顶荷载过程中，当荷载由18 kN增大到21 kN时，楔形桩桩身急剧下降，根据JG J94—2008“建筑桩基技术规范”中的荷载沉降判别法[13]确定楔形桩的极限承载力为18 kN，此时，楔形桩的桩顶沉降达到25.35 mm；而等直径桩的荷载−沉降曲线属于缓变型，根据相关规范，当基桩受静荷载作用下的桩顶沉降小于40 mm时，判定等直径桩的极限承载力为最大加荷值，即本试验条件下的等直径桩的极限承载力为 24 kN，此时，等直径桩的桩顶沉降为23.68 mm。可见：在相同混凝土用量和本文试验条件下，当楔形桩和等直径桩均达到极限承载力时，等直径桩的单桩极限承载力要比楔形桩提高33.3%左右，这说明在本文实验条件下，桩的楔形侧面对于发挥桩−土共同作用不是很明显。

桩端位移与桩端阻力的关系曲线和分担桩顶荷载比例(S/与P/，S为桩侧总摩阻力，P为桩端阻力，为桩顶荷载)的分布曲线分别见图7与图8。从图7可见：当考虑试验桩为刚性桩且受竖向抗压作用时，桩体的竖向变形很小，几乎为0 mm；在桩端位移相同时，楔形桩的桩端阻力要明显比等直径桩的桩端阻力小，这与模型桩的荷载分担情况相关。从图8可看出：在整个加载过程中，楔形桩的桩侧摩阻力承担了90%~97%的桩顶荷载，而桩端阻力相对承载的荷载较小；等直桩的桩侧摩阻力承担的荷载比例从91%降到64%，最后与桩端阻力承担的比例都保持不变。综上可见：楔形桩由于楔形角存在，桩侧土体除了提供桩侧摩阻力外，还受到1个由于楔形面造成土体斜向挤压而形成的竖向分力，从而提高了桩侧摩阻力，但楔形桩桩端截面要比等直径桩的桩端截面小，其承受的桩端阻力也相应变小。

1—楔形桩；2—等直径桩。

1—楔形桩；2—等直径桩。

1—楔形桩QS/Q；2—楔形桩QP/Q；3—等直径桩QS/Q；4—等直径桩QP/Q。

2.1.2 桩身轴力分布规律

采用频率仪测定各级荷载作用下的桩身断面应力计的频率，经过计算可以得到桩身某一断面的轴力：

其中：N为桩身在第个断面上的轴力；0为混凝土应力计的标定系数；0为混凝土应力计的初始频率；f为混凝土应力计在第级荷载作用下的频率；S为混凝土应力计的横截面面积；S为混凝土应力计的弹性模量；A为第个断面的横截面面积；E为桩身混凝土的弹性模量。

各级桩顶荷载等级下楔形桩和等直径桩的桩身轴力随深度的传递规律如图9所示。从图9可见：在总体趋势上，桩身轴力都随深度增加而逐渐减小；在不同深度下，楔形桩桩身轴力曲线呈不同的递减趋势，桩身上部(0~1.0 m)轴力减小的速度有所增加，而桩身下部(1.0~2.0 m)轴力曲线变化不大，这说明随着桩顶荷载增加，桩身上部的桩侧摩阻力逐渐增大，且上部的摩阻力增幅要比下部的大；1.0 m附近的轴力较1.5 m处的小，这主要是测试过程中1.0 m附近量测仪器误差及读数误差所致。在前几级荷载作用下，2根模型桩桩身每个断面的轴力增幅较大；在最后一级荷载作用下，桩身与桩周土体发生剪切破坏，侧摩阻力达到最大值，桩身沉降量剧增，桩的承载力达到极限。

(a) 楔形桩；(b) 等直径桩

2.2 水平向受力对比分析

2.2.1 水平极限承载特性分析

楔形桩和等直径桩的水平荷载−位移关系曲线如图10所示，水平荷载−位移梯度关系曲线如图11所示。由“建筑桩基技术规范”[13]，确定其在第1直线段终点所对应的荷载为单桩的水平临界荷载，第2直线段终点所对应的荷载为单桩的水平极限荷载。水平力–位移梯度曲线分为3段直线：1) 第1段从坐标原点到水平临界荷载cr，桩身处于弹性阶段，桩身工作状态良好；2) 第2阶段从水平临界荷载cr到水平极限荷载u，桩身处于弹塑性状态，出现微小裂隙，塑性不断发展；3) 第3段为水平极限荷载u以后段，直线斜率陡增，桩身接近或达到极限状态，桩身出现较明显破坏。从图11可以得出楔形桩和等直径桩水平临界荷载cr和水平极限荷载u以及相对应的水平位移，如表1所示。从表1可见：楔形桩的水平极限荷载约为等直径桩的1.26倍，由于楔形桩桩身刺入土体后能够较好地发挥桩侧摩阻力的作用，而且桩头处的截面面积最大，在水平向受力的过程中能够有效地发挥桩侧土体的摩擦作用，间接地提高了水平承载能力。

1—楔形桩；2—等直径桩。

1—楔形桩；2—等直径桩。

表1 2种模型桩水平承载力及相应位移

2.2.2 桩侧土压力分布规律

桩侧土压力沿深度分布如图12所示。从图12(a)可知：楔形桩桩顶处的桩侧土压力最大，并沿桩身先降低再增加最后降低；当桩顶以下深度达到1.0 m时，桩侧土压力基本保持不变且维持在0 kPa左右；随着水平荷载增大，土压力逐渐向下扩散，桩顶以下土体逐渐发挥作用，桩顶附近的桩侧土压力最大，而且主要桩侧土压力仍然集中在桩的上部，下部桩侧土压力显著减小。可见：楔形桩在受水平承载作用下，在桩顶以下一定深度范围内(桩顶以下1.0 m范围内)的土体扰动比较明显。从图12(b)可见：当水平荷载较小时，等直径桩的桩侧土压力呈现递减趋势；当荷载增大时，桩侧土压力先减小后增大再减小，其桩侧最大土压力出现在桩顶向下0.5 m处，在深度达到1.2 m附近时土压力保持不变，可见等直径桩受水平承载力时，桩顶以下1.2 m范围内的土体扰动明显，这部分桩侧土压力变化较大。

(a) 楔形桩；(b) 等直径桩

2.3 地面堆载试验对比分析

图13所示为不同桩周土堆载等级之下楔形桩和等直径桩的桩顶下拽位移变化规律。从图13可见：随着地面堆载等级增加，桩顶下拽位移不断增大，在相同地面堆载等级下，等直径桩的桩顶下拽位移要比楔形桩的大。这说明与等直径桩相比，楔形角的存在对降低桩顶下拽位移非常有效。本试验中的模型桩楔形角对桩顶下拽位移的减小率可达20%~25%。

1—楔形桩；2—等直径桩

图14所示为地面堆载等级与桩端阻力的关系曲线。从图14可见：在堆载等级较小时(0~20 kPa)，楔形桩与等直径桩的桩端阻力随堆载等级的增大而增大，在相同荷载等级下，等直径桩的桩端阻力大约为等楔形桩的1.59倍；随着堆载等级增加，等直径桩桩端阻力增大幅值要比楔形桩的增大幅值大，等直径桩的桩端阻力大约是楔形桩的2.45倍。这是由于楔形桩存在楔形角，桩侧土体除了提供桩侧摩阻力外，还受到1个由于楔形面造成土体斜向挤压而形成的竖向分力，从而提高桩侧摩阻力，并且楔形桩桩端截面面积要比等直径桩的桩端截面面积小，其承受的桩端阻力也相应变小。

不同地面堆载等级下的桩身轴力分布曲线见图15。从图15可见：随着堆载等级增加，桩身轴力不断增大，在同级荷载下，桩身轴力随深度先增大后减小。图15(a)中，在桩身上部(0~0.5 m)，楔形桩的桩身轴力分布曲线的斜率随堆载荷载等级的增大而增大；在桩身中部(0.5~1.5 m)，桩身轴力逐渐减小，但减小的幅度不大；在桩身下部(1.5~2.0 m)，桩身轴力降低的幅值较大，说明在桩身上部和中部，楔形桩桩侧摩阻力起到主导作用，分担桩身下拽力的大部分。

1—楔形桩；2—等直径桩

(a) 楔形桩；(b) 等直径桩

3 结论

1) 在本文试验条件下，由于楔形桩中存在楔形角，桩侧摩阻力明显提高，楔形桩中桩侧摩阻力承担基桩整体承载力的90%左右；但楔形桩的桩端阻力比等直径桩的桩端阻力小，从而导致楔形桩的整体承载力仅为等截面桩的75%。

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2) 桩侧土体浅层对水平向承载特性影响更明显，且在桩周土体浅层位置，楔形桩直径比等直径桩略大。在本文试验条件下，楔形桩的单桩水平极限荷载为等直径桩的1.26倍左右。

3) 楔形角的存在可以有效降低桩顶下拽位移。在本文试验条件下，与等直径桩相比，楔形桩的桩顶下拽位移减小1/5~1/4。

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(编辑 陈灿华)

Comparative model tests on bearing capacities of tapered pile and equal section pile

GU Hongwei1, 2, KONG Gangqiang1, 2, CHE Ping3, REN Lianwei4, PENG Huaifeng1, 2

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering,Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Eastern China Geological & Mining Organization, Nanjing 210007, China;4. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Based on model test method, comparative model tests on bearing capacities of tapered pile and equal diameter pile with the same concrete usage embedded in sand under vertical compressive load, horizontal load and surcharge load were carried out. The load versus displacement curves, pile shaft friction, tip resistance, horizontal earth pressure, downdrag and dragload were measured. The differences between the tapered pile and equal diameter pile were discussed, and the advantages and disadvantages of tapered pile were analyzed. The results show that, in this model test condition, the vertical compressive and horizontal bearing capacities of tapered pile are nearly 0.75 times and 1.26 times of those of equal diameter pile. The downdrag of tapered pile is 1/5—1/4 reduced compared with that of the equal diameter pile.

pile foundation; ultimate bearing capacity; tapered pile; downdrag; model test

10.11817/j.issn.1672−7207.2017.06.025

TU473.1

A

1672−7207(2017)06−1600−07

2016−06−10；

2016−08−22

国家自然科学基金资助项目(51278170)(Project(51278170) supported by the National Natural Science Foundation of China)

孔纲强，博士，教授，博士生导师，从事桩−土相互作用及能量桩技术研究；E-mail:gqkong1@163.com