堆载下扩底桩与等直径桩负摩阻力对比模型试验研究

张天忠，邵先锋，刘志鹏

（1.国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230061；2.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230071；3.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）

0 前言

扩底桩是通过在常规桩基端部进行扩大头施工形成局部桩径较大的桩基形式；扩大头的存在可以有效提高桩端阻力的发挥，提高整体基桩的竖向抗压或抗拔承载力，工程界实际应用中扩底桩通常被用于抗拔桩应用[1]。

针对扩底桩的竖向抗压或抗拔以及水平向承载性能，相关学者开展了大量研究；研究结果表明，等混凝土用量情况下，竖向抗压极限承载力方面，扩底桩能较常规等直径桩提高近50%左右[2-4]；竖向抗拔极限承载力方面，扩底桩可以较常规等直径桩提高近30%左右[5-8]；水平荷载作用下桩顶以下2倍桩径处弯矩达到极大值，桩底扩大头处也承受相对较大的弯矩[9，10]。针对扩底桩的负摩阻力特性，部分学者也开展了数值模拟分析，初步探讨了地面堆载条件下扩底桩的桩顶下拽位移、桩身下拽力的变化规律[11]；然而，该数值模拟缺少有效的试验验证。

因此，本文基于模型试验方法，设计等混凝土用量的两根扩底桩和等直径桩，开展砂性土地基中桩基负摩阻力特性对比试验；初步探讨分析地面堆载条件下扩底桩与等直径桩的负摩阻力特性，以及扩大头对桩侧负摩阻力的影响规律。

1 模型试验简介

1.1 模型槽

本文试验采用的模型槽（尺寸为2m×2m×2.5m（长×宽×高）），采用单块重量为1kN的标准试件来提供地面堆载。模型槽及加载装置实物图如图1所示。试验模型桩布置及应力计、位移计等测试元器件等示意图如图2所示。

图1 模型槽及各方向加载装置实物图

图2 模型试验布置示意图

1.2 模型试验土体填筑

选用砂性土地基作为模型试验的土层材料，在进行模型桩位的确定和桩身定位之前，先在试验模型桩底部先填筑0.5 m厚砂性土，然后，再进行填筑砂土至桩顶位置处。砂性土体积约为10 m3，填砂时控制一定的落砂高度，分层整平压实，以保证模型槽中砂性土的密实度。根据室内土工试验方法，获得砂性土具体的物理、力学性质（见表1所示），砂性土颗分试验结果、土体填筑完成后现场CPT试验结果分别如图3和4所示。

图3 砂土颗分试验结果曲线

图4 砂土CPT试验结果

1.3 模型桩的制作

针对2根等混凝土用量的扩底桩和等直径桩，采用不锈钢材料制作浇筑模型桩的模具，制作钢筋笼（主筋3φ8，箍筋φ6@155），并在钢筋笼内侧布置混凝土应力计；浇筑模具、钢筋笼及浇筑完成的模型桩实物图如图5所示。采用42.5号水泥浇筑混凝土，其水灰比为0.47：1：1.342：3.129，混凝土强度等级为C20；浇筑混凝土材料时，按照规范要求制作3个15cm×15cm×15cm标准试样，混凝土无侧限抗压强度试验测得其平均抗压强度为21.2 GPa。

砂性土基本物理力学性质指标

图5 扩底桩模型桩浇注模具、钢筋笼及浇注完成模型桩

1.4 试验操作过程

本文试验采用快速维持荷载法分级加载，各级荷载下的稳定标准以及终止加载条件都参照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[12]中关于静载荷试验的相关内容确定。每级加载后，在维持荷载不变的前提下，进行桩顶沉降的测量，并进行桩身传感器的测量；然后再加下一级荷载，直到试验达到终止条件，并结束试验。

2 试验结果与分析

2.1 桩顶下拽位移

不同地面堆载等级条件下扩底桩和等直径桩的桩顶下拽位移变化规律曲线如图6所示；由图6可见，桩顶下拽位移随着地面堆载等级的增加而不断增大，堆载初期（0～30 kPa），同等级地面堆载条件下，等直径桩的桩顶下拽位移要比扩底桩大；换言之，在这堆载范围内，等直径的桩身下拽力要比扩底桩的大；当堆载等级＞30 kPa时，荷载逐渐传递到下部土层中，扩底桩的扩大头开始影响桩顶下拽位移；这使得扩底桩的桩顶下拽位移大于等直径桩，其桩身下拽力要比等直径桩的大。

图6 地面堆载等级与桩顶下拽位移关系曲线

2.2 地面堆载引起桩身下拽力

地面堆载等级与桩端阻力的关系曲线如图7所示；当堆载等级＜10 kPa时，扩底桩与等直径桩的桩端阻力基本相差不大；两种模型桩的桩端阻力均随着堆载等级的增加而逐渐增大，由于桩端扩大头的存在，导致桩端受力面积明显增大，从而增大了桩身下拽力值；本文试验条件下，扩底桩的桩端阻力约较等直径桩提高0.55倍。

不同地面堆载等级下的桩身轴力分布曲线如图8所示；由图8可见，桩身轴力随着堆载等级的增加而不断增大，同等级荷载条件下，桩身轴力随深度先增大后减小。由图8(a)可见，在桩身上部（0～1.0 m），扩底桩的桩身轴力分布曲线斜率随堆载荷载等级的增大而增大，这反映了上部的桩侧摩阻力逐渐增大；在桩身下部（1.0m～2.0m），桩身轴力和桩侧摩阻力均逐渐减小，说明在靠近桩底附近，桩端阻力开始起到主导作用，分担桩身下拽力的大部分；由图8(b)可见，等直径桩的桩身轴力变化幅度不大，说明桩身轴力比较小，主要的荷载是由桩端阻力来承担的。

图7 地面堆载等级与桩端阻力关系曲线

图8 不同地面堆载等级下桩身轴力分布曲线

3 结论

针对2根等混凝土用量的扩底桩和等直径桩，本文开展了地面堆载条件下桩基承载特性的对比模型试验，可以得出如下几点结论。

①地面堆载初期，由于等直径桩的周长大于扩底桩而导致其桩顶下拽位移比扩底桩大；随着地面堆载等级的提高，扩大头发挥影响，导致扩底桩的桩顶下拽位移大于等直径桩。

②本文试验条件下，50kPa地面堆载作用下扩底桩的桩顶下拽位移和桩身下拽力分别约较等直径桩提高0.3倍和0.5倍。