盧成原，朱晨澤，汪金勇

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

支盤樁盤體形狀對(duì)承載性狀影響的研究

盧成原，朱晨澤，汪金勇

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：支盤樁作為一種比較常用的變截面新型樁，具有很大的承壓、抗拔和抗水平荷載的能力，而且穩(wěn)定性好，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但在理論和試驗(yàn)研究方面還不成熟，特別是盤本身的形態(tài)對(duì)其承載力的影響方面的研究少之又少.筆者設(shè)計(jì)了一組支盤樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，來研究不同盤體形狀對(duì)支盤樁承載性能的影響，分別對(duì)盤底傾角為20°，30°，45°，60°的模型支盤樁進(jìn)行加載試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：支盤樁由于盤底傾角不同其承載力是不同的，隨著該傾角由小變大，樁的承載力既不是越來越大，也不是越來越小，而是存在某一個(gè)最佳傾角使支盤樁的承載力達(dá)到最佳狀態(tài).

關(guān)鍵詞：支盤樁；模型試驗(yàn)；盤底傾角；承載力

Experimental study on bearing capacity behavior of disk pile

with different shape of disk

LU Chengyuan, ZHU Chenze, WANG Jinyong

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

Abstract:Disk pile is a new type of frequently-used pile .The Mechanism of action of this pile is like the root structure that has high bearing capacity under vertical load, uplift load and horizontal load. On the other hand, it has good stability and economic benefits. However, the theory and experiment of the pile with expanded plates is not very mature, especially the effect of shape of disks on the bearing capacity of the pile. Designing one set of indoor model test to find the mechanism of bearing capacity of disk piles with different shape of disk. Load text of the disk pile is carried out in sand. The bottom angles of disk are respectively 20°,30°,45° and 60°. The recorded data show that the disk pile with different bottom angles have different bearing capacity. As the angle changes from small to big, the bearing capacity of pile is neither bigger and bigger, not more and more small, but there is an optimal angle.

Keywords:disk pile; model test; the angle of disk; bearing capacity

支盤樁作為一種比較常用的變截面新型樁，相對(duì)于等直徑樁其承載力更高，變形沉降更小，節(jié)約材料的同時(shí)，還具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并在眾多實(shí)際工程中得到了應(yīng)用[1].但是，支盤樁在理論和試驗(yàn)研究上還不夠成熟完善，目前國(guó)內(nèi)所研究的主要是支盤樁的各種承載性能，有關(guān)支盤樁本身的盤徑和盤體形狀(盤底傾角、高寬比)對(duì)樁本身承載力的影響方面的研究相對(duì)較少，而實(shí)際上在土體中不同形狀支盤的盤底土壓力的傳遞途徑是不同的，因此通過試驗(yàn)研究支盤樁盤體形狀對(duì)其承載力的影響是具有現(xiàn)實(shí)意義的.

1試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)的裝置包括一個(gè)模型試驗(yàn)箱，模型樁，加載設(shè)備以及百分表、微型土壓力盒等測(cè)試儀器[2-4].

模型樁采用鋁合金管制成，直徑為32 mm，管壁厚為2 mm，長(zhǎng)650 mm.模型支盤樁的支盤體直徑為96 mm，采用四種不同盤形的支盤樁，其盤底與水平面夾角分別為20°，30°，45°和60°，盤體通過螺絲與樁身緊密固定，模型樁示意圖如圖1所示(以盤底傾角30°為例).

圖1　支盤狀模型Fig.1　Model of disk′piles

因本次試驗(yàn)試件較小，所加荷載也比較小，所以選擇比較簡(jiǎn)單的杠桿加載，加載由加載托盤和砝碼實(shí)現(xiàn)，加載鋼管壓桿自重5 N,在數(shù)據(jù)處理中已經(jīng)計(jì)算入內(nèi).試驗(yàn)所用模型箱的尺寸為1 200 mm×600 mm×850 mm.應(yīng)變片等距離設(shè)置在樁身兩側(cè)，每個(gè)樁身共五對(duì)測(cè)點(diǎn)，讀數(shù)取一對(duì)的平均值，應(yīng)變片和土壓力盒的布置如圖2所示.土壓力盒與分析系統(tǒng)用半全橋接線方式.應(yīng)變片從樁頂向下依次編號(hào)為①，②，③，④，⑤.

圖2　應(yīng)變片布置示意圖Fig.2　Strain gauge layout diagram

試驗(yàn)在砂土中進(jìn)行，砂土的物理性質(zhì)參數(shù)見表1.

表1　砂土土工試驗(yàn)參數(shù)

本試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載，對(duì)等直徑樁每級(jí)荷載為50 N，對(duì)支盤樁每級(jí)荷載為200 N.每級(jí)加載完成當(dāng)沉降量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后，記錄百分表讀數(shù)和應(yīng)變儀上的土壓力盒與應(yīng)變片應(yīng)變值讀數(shù)，然后進(jìn)行下一級(jí)荷載加載，直到總沉降量超過6 mm為止(假定沉降達(dá)6 mm為樁承載力標(biāo)準(zhǔn)).

2豎向荷載和位移對(duì)比分析

根據(jù)百分表讀數(shù)繪制支盤樁與等直徑樁的Q—S曲線，如圖3，4所示.

由圖3，4各模型樁的Q—S曲線，以豎向沉降6mm為豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)，則等直徑樁承載力約為371 N，不同盤底傾角支盤樁的承載力見表2.

顯而易見，支盤的存在大大提高了樁的承載力，而傾角30°時(shí)混凝土的理論用量只比等直徑樁增加了7.40%，大大提高了樁體的經(jīng)濟(jì)效益.

圖3　等直徑樁Q—S曲線Fig.3　Equal diameter pile Q-S curve

圖4　不同盤底傾角下支盤樁Q—S曲線Fig.4　Disk′piles under different bottom angle Q-S curve

從表2可以看出：當(dāng)盤底傾角為30°時(shí)，承載力最高，說明支盤樁盤底的傾角不同對(duì)樁的承載力有影響，該角度偏大和偏小時(shí)樁的承載力均會(huì)降低，在某個(gè)理想角度時(shí)承載力最大，即就本試驗(yàn)而言，該理想角度為30°.這是由于支盤樁的盤體底部與水平方向存在一定的傾角有利于盤傳給土體的壓力斜向擴(kuò)散，可以使更大范圍土體對(duì)樁提供承載力(圖5).盤底傾角較小時(shí)，雖然土體作用在盤體上反力的垂直分量大，但由于土體受壓縮范圍小，產(chǎn)生的壓縮變形大，甚至?xí)^早沿盤周邊產(chǎn)生剪切破壞；而盤底傾角較大時(shí)，盤底與土體的摩擦作用增大，其端承作用減小，當(dāng)盤土之間的摩擦力達(dá)到極限后，盤體易產(chǎn)生刺入破壞，從而產(chǎn)生很大的豎向變形.這就是本次試驗(yàn)盤底傾角為30°時(shí)支盤樁達(dá)到最大承載力的原因[5-7].

3樁身軸力對(duì)比分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄的樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得到樁身軸力變化曲線如圖6，7所示.

圖6　1 kN荷載下等直徑樁與支盤樁樁身軸力Fig.6　Axial force of equal pile and disk′piles under 1 kN

圖7　1 kN荷載下不同支盤樁樁身軸力Fig.7　Axial force of different disk′piles under 1 kN

通過對(duì)圖6即等直徑樁與30°下傾角支盤樁樁身軸力變化圖分析，可以得到：等直徑樁和支盤樁支盤以上部分樁身的應(yīng)變沿著樁身的深度在很小范圍內(nèi)逐漸減小，樁身軸力也同時(shí)減小，這是由于隨著樁身深度的增加，樁身軸力通過樁土之間的摩擦力逐漸傳遞給了樁周土，但是這一荷載傳遞量相對(duì)于荷載的大小來說很小.

通過對(duì)圖7在1 kN荷載下不同盤底傾角下支盤樁樁身軸力可以看出：樁身軸力在支盤處完成了突變，表3為1 kN荷載下不同盤底傾角下支盤處軸力的突變值.

表31 kN時(shí)不同盤底傾角下軸力突變值

Table 3Axial force mutation values of different bottom angle under 1 kN

盤底傾角/(°)20304560軸力突變值/N739.5779.5732.9713.9

從表3中可以看出：在四種不同的盤底傾角下，軸力突變值在30°時(shí)最大，也就說明在30°時(shí)支盤承受的荷載最大，與表二得出的結(jié)論一致，此時(shí)支盤樁具有最大的豎向承載力.

4樁周土體壓力對(duì)比及分析

將試驗(yàn)得到的各土壓力盒讀數(shù)繪制成土壓力變化曲線如圖8，9所示.

圖8　各傾角下盤底土壓力變化曲線Fig.8　The curves of soil pressure under different bottom angle

圖9　各傾角下樁端土壓力變化曲線Fig.9　The curves of pile endpoint soil pressure under different bottom angle

從圖8,9中可以看出:在本次試驗(yàn)中樁端土壓力都比盤底土壓力大，表4為1 kN荷載作用下各盤底傾角支盤樁的盤底和樁端土壓力變化值.

表41 kN的荷載作用下各模型樁盤底和樁底的土壓力變化值

Table 4Soil pressure variation of disk bottom and pile bottom of model pile under 1 kN

盤底傾角/(°)20304560盤底土壓力/kPa28.5528.4632.6734.76樁端土壓力/kPa47.7541.6450.3865.19

從表4可知：在荷載作用下盤底土壓力增量隨著盤底傾角的變大略有變化，但是承載性能最佳的盤底傾角30°時(shí)土壓力增加最小，樁端的土壓力增量也是如此，因此支盤樁的承載力并不是盤底或樁端土壓力越大就越大，而是相反，此時(shí)盤底壓力可以傳遞給更大范圍的土體，即與盤荷載傳給土體的作用方向有關(guān).在本次試驗(yàn)中可以認(rèn)為，當(dāng)盤底傾角為30°時(shí)可以充分利用土體的承載力，支盤的荷載傳遞效果實(shí)現(xiàn)了最大化.

另外，樁側(cè)布置的土壓力盒讀數(shù)都非常小，可見樁側(cè)摩阻力傳遞荷載的范圍是非常有限的，靠等直徑樁的側(cè)摩阻來承擔(dān)荷載對(duì)于周圍土體的利用是非常不充分的，這樣導(dǎo)致的結(jié)果就會(huì)大大提高混凝土的用量，使得樁徑變大從而提高樁的底面積與樁的側(cè)表面積以增加其端承力和測(cè)摩阻力.

目前，支盤樁設(shè)計(jì)的承載力公式中[8]，承力盤的端承力多以土層極限端阻力乘以承力盤投影面積的形式計(jì)算，而沒有考慮盤體底部的傾角對(duì)承載力的影響，這與本次試驗(yàn)結(jié)果不符，因此關(guān)于支盤樁的承載力計(jì)算還有許多值得研究和商榷的問題.

5結(jié)論

通過試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果表明：支盤樁由于盤體形狀(盤底傾角)的不同，其承載力是不同的；支盤樁盤底傾角與承載力的關(guān)系并不是同步增加或同步減小的，而是存在一個(gè)最佳傾角.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)盤底傾角分別為20°，30°，45°，60°時(shí)，盤底傾角30°時(shí)支盤樁的承載力最大；支盤樁的盤體底部與水平方向存在一定的傾角有利于盤傳給土體的壓力斜向擴(kuò)散，可以使更大范圍土體提供承載力.盤底傾角較小時(shí)，雖然土體作用在盤體上反力的垂直分量大，但由于土體受壓縮范圍小，產(chǎn)生的壓縮變形大，甚至?xí)^早沿盤周邊生剪切破壞；而盤底傾角較大時(shí)，盤底與土體的摩擦作用增大，但盤土之間的摩擦力達(dá)到極限后，盤體易產(chǎn)生刺入破壞，從而產(chǎn)生很大的豎向變形.這就是本次試驗(yàn)盤底傾角為30°時(shí)支盤樁達(dá)到最大承載力的原因.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2015)03-0279-04

作者簡(jiǎn)介：盧成原(1964—)，男，浙江東陽(yáng)人，教授，主要從事土木工程的研究和教學(xué)工作，E-mail:zgdlucy@sina.com.

收稿日期：2014-12-15