錢永梅 梁松廷 李曉周 翟 蓮

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長春 130118)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

豎向拉力下擠擴多盤樁盤間距對破壞機理影響試驗研究★

錢永梅1，2梁松廷1李曉周1翟 蓮1

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長春 130118)

在擠擴多盤樁現(xiàn)有的研究成果的基礎(chǔ)上，通過半面樁小模型原狀土試驗，研究了豎向拉力作用下，擠擴多盤樁的盤間距對樁周土體破壞機理的影響，明確了合理的盤間距取值，為豎向拉力作用下擠擴多盤樁的承載力計算及工程設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。

豎向拉力，擠擴多盤樁，盤間距，破壞機理，原狀土試驗

1 概述

擠擴多盤樁適應(yīng)性強，可在多種土層中成樁，不受地下水位限制，且單樁承載力高、樁身穩(wěn)定性好，并具有良好的抗拔性。所以，目前這種新型的變截面樁技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，理論研究也有了較大的進展，已經(jīng)基本形成了的單樁承載力計算公式[1,2]，但是計算公式中仍然有部分影響因素沒有定量地確定，而未知的影響因素主要集中在盤參數(shù)[3]對擠擴多盤樁單樁承載力的影響上，對于這些未知的因素研究的欠缺限制了擠擴多盤樁的發(fā)展，是該型樁推廣中急需解決的問題[4]。因此，本文將在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探究在豎向拉力下，盤間距對擠擴多盤樁樁周土體破壞機理的影響。目前關(guān)于盤間距對擠擴多盤樁抗拔承載力的影響，已經(jīng)完成了有限元模擬部分，還有試驗部分尚有欠缺，本文將采用更能反映實際樁土相互作用情況的小模型原狀土試驗，并將試驗結(jié)果和有限元分析的結(jié)果相對比，得到擠擴多盤樁抗拔樁設(shè)計時，合理的盤間距范圍，通過本文的研究，將為擠擴多盤樁的設(shè)計和應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 試驗樁模型

試驗的試件共分6組，每組試件主要由一個樁模型和相應(yīng)的土樣模型構(gòu)成，試件規(guī)格見表1。

表1 小比例半截面模型樁尺寸參數(shù)值

由于是模擬樁土相互作用，樁體一般不會發(fā)生破壞，所以用鋼樁來代替混凝土樁。由于是研究盤間距對擴盤樁抗拔承載力的影響，所以設(shè)置2個承力盤，其余具體參數(shù)在前人研究的基礎(chǔ)上進行確定[5]。由于主樁徑、盤徑、盤高、盤間距等參數(shù)相互之間有影響，為了準確說明相對關(guān)系，使研究參數(shù)有普遍指導(dǎo)意義，故盤間距取兩個承載擴大盤之間的凈距離，用S0表示，承力盤的懸挑長度用R表示，S0與R的比值用N表示，并將N=2～7的樁分別編號為1～6。6組模型樁的模型尺寸數(shù)值如表1所示(其長度單位為mm，坡腳單位是(°))，模型樁的實體圖如圖1所示。

2.2 加載臺和取土器

加載臺是我們自主設(shè)計并制作的進行試件加載的平臺[6]，其設(shè)計圖和實體圖如圖2所示。

取土器是提取原狀土的設(shè)備，長寬高為(300×300×300)mm，厚度為3 mm，材料為鋼板。取土器的實體圖和相關(guān)附件如圖3所示。

另外，本試驗所采用的加載千斤頂最大量程是2 t，測量儀器是精度為1 mm，量程400 mm位移計。

2.3 試驗步驟

根據(jù)地質(zhì)勘探報告，原狀土的選取地點是長春市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)某回遷住宅項目施工現(xiàn)場。將取好原狀土的取土器運輸?shù)綄嶒炇遥M行埋樁[6]。取土和埋樁主要步驟包括：1)挖基坑；2)擺放取土器；3)壓入取土器；4)挖出取土器；5)表面清理；6)封存；7)拆卸埋樁面鋼板；8)埋樁；9)復(fù)原鋼板。

試驗之前，要對千斤頂和位移計的靈敏度進行檢測，并對試驗裝置本身進行驗證，當一切準備就緒后，即可進行正式的試驗。試驗的主要過程是：將取土器放置到加載臺→樁編號→安裝玻璃→調(diào)整位置→安裝固定橫梁→安裝拉桿→安放千斤頂→固定位移器[6]，然后便可進行加載試驗。

3 試驗結(jié)果整理分析

3.1 試驗結(jié)果整理

按上述步驟完成試驗，并收集試驗中的圖像信息。由于收集到的圖像信息較多，為便于試驗結(jié)果分析，現(xiàn)列出1號～6號模型樁加載到破壞時的情況，如圖4所示。

從圖4中的信息分析，可以得到以下結(jié)論：

1)當模型破壞時，盤上一定范圍內(nèi)土體發(fā)生的是滑移破壞，有明顯的弧線形水印。模型1、模型2的上盤很明顯，模型5、模型6的下盤比較明顯，而模型3、模型4的上、下盤都比較明顯。這是因為模型1、模型2的上、下盤間距較小，下盤的破壞狀態(tài)受到上盤的影響，因此破壞曲線不明顯，模型5、模型6這兩個模型最上面的承力盤距離土體表面的距離比較近，上盤發(fā)生了沖切破壞，因此沒有滑移破壞出現(xiàn)。而模型3和模型4，盤間距比較合適，上盤距土體表面的距離也比較合理，因此上、下盤的盤上土體破壞的形態(tài)都比較明顯且完整。

2)從模型1和模型2破壞的圖形中可以看出，由于上、下盤間距較小，這兩個模型兩個承力盤之間的壓縮水印聯(lián)通了雙盤之間的區(qū)域，在這個聯(lián)通區(qū)域內(nèi)的土體會隨著盤的移動而發(fā)生共同的剪切破壞。這時并不能很好的發(fā)揮每個承力盤的抗拔作用，而從模型3之后，雙盤之間的土體區(qū)域在拉力作用下沒有被聯(lián)通，這時雙盤之間就能獨立發(fā)揮抗拔的作用。這說明合理的盤間距是N≥3。

3)從模型5和模型6破壞時的圖形中可以看出，上面承力盤上的土體被沖切開了，這是因為承力盤與上面的土體的距離太近，導(dǎo)致土體發(fā)生沖切破壞，這樣會影響擠擴多盤樁的抗拔承載力，所以，在設(shè)計擠擴多盤樁的承力盤時，盤上土體的厚度是一個非常重要的影響因素[1]。因為要保證上盤與土體表面的距離，又要保證盤間距，所以承力盤的間距也不宜過大，否則會增加樁長，因此，一般N≤5，故合理的盤間距取值范圍N=3～5。

3.2 試驗結(jié)果對比分析

將模型試驗過程中收集到的荷載位移數(shù)據(jù)形成圖5，相應(yīng)的有限元分析中得到相應(yīng)的荷載位移曲線[7]如圖6所示(N=2～7的模型(樁1～樁6)在有限元分析中編號為CE2～CE7分別對應(yīng)原狀土試驗中的1號～6號模型)。

1)從圖5中可以得到以下結(jié)論：

a.通過對位移荷載曲線圖的分析，由于試驗加載和有限元分析加載的控制變量不同，因此形成的曲線橫、縱坐標不同。但從整體上看，隨著位移的增大，荷載都是逐漸增大的。其中2號樁和3號樁的荷載—位移曲線明顯異于其余樁的，主要原因是這兩個樁的試驗過程出現(xiàn)了意外的情況，這在后面的論述中，會詳細分析這種情況產(chǎn)生的原因。

b.從1號樁，4號樁，5號樁，6號樁的荷載位移曲線的對比可以看出，在拉力作用下，向上提升相同的距離，需要的拉力從小到大分別是6號樁，1號樁，4號樁，5號樁，說明其抗拔承載力從小到大的順序也是6號樁，1號樁，4號樁，5號樁。

c.6號樁的抗拔承載力最小，是因為由于盤間距取值過大，最上面的承力盤距離土體表面的距離太小，致使其上土體在很早的時候發(fā)生了整體的沖切破壞，承力盤失去了抗拔作用，所以6號樁的抗拔承載力比較小，這個結(jié)果也和有限元模型中的結(jié)果一致[6]。1號樁，4號樁，5號樁其抗拔承載力逐漸增大，這是因為1號樁的盤間距比較小，而4號樁，5號樁的盤間距比較合理。這個試驗結(jié)果和有限元模型中的結(jié)果[6]和圖形破壞時的圖形結(jié)果一致。

2)從圖6中可以得到以下結(jié)論：

a.樁的位移都隨著荷載的遞增而增加，開始時位移的變化速率小，隨著荷載的增大位移的變化率逐漸增大。

b.CE2模型位移的變化速率略微高于CE3模型、CE4模型，并和CE5模型基本保持一致。說明了盤間距過小，位移隨著荷載的增加，其增長速率會略大于盤間距大的模型。并且，從圖中還可以看出，各個模型在900 kN時候，位移大小基本保持一致，但是到了1 000 kN，CE7模型其增長速率明顯大于其他模型，這是因為CE7模型上面的承力擴大盤距離土體表面太近，致使盤上土體發(fā)生沖切破壞，致使位移突然增加。

c.除了CE2模型和CE7模型之外，我們可以看到CE3～CE6各個模型的豎向位移隨荷載變化規(guī)律基本一致，而且每一級荷載加載后，模型的豎向上拔值大小也相差不多，這說明了，當盤間距大于一定的合理數(shù)值(N=3～5)時，其對擠擴多盤樁抗拔承載力的影響作用逐漸減小。

3)闡述原狀土試驗中2號模型和3號模型數(shù)據(jù)異常的主要原因，2號模型和3號模型破壞時的圖形如圖7所示。

從圖7中可以看出2號模型和3號模型的破壞出現(xiàn)了下面的特點：

a.2號模型和3號模型的土體，都在承力擴大盤下面出現(xiàn)了水平斷裂裂縫，并且在拉力作用下，裂縫的間隙持續(xù)增大。

b.這時候雖然模型樁的位移也隨著拉力的增加而增大，但是樁和土體是一起上升的，正因為如此，所以模型樁周圍土體并不能充分發(fā)揮抗拔作用，試驗中，在裂縫出現(xiàn)及擴大的某個階段，千斤頂中顯示的拉力明顯低于其他模型樁的拉力值。

c.2號模型樁的荷載位移數(shù)值明顯異常的主要原因是由于土體內(nèi)部出現(xiàn)了斷裂，這可能是在原狀土模型運輸?shù)倪^程中，受到碰撞導(dǎo)致了土體內(nèi)部出現(xiàn)了裂縫，并在拉力作用下，裂縫得到擴展，所以2號樁的數(shù)據(jù)異常(偏小)。

d.3號盤模型樁的荷載位移曲線明顯高于其他各個模型，而且在加載了一段時間后，便很快出現(xiàn)了破壞，拉力不再增長的情況。這是由于試驗過程中，同樣已經(jīng)出現(xiàn)了與2號模型樁的相同的土體斷裂情況，為了防止斷裂對試驗的影響，在3號樁加載之前，用鋼條對3號樁的土體表面進行了固定，這是考慮到如果3號樁模型也像2號樁模型那樣出現(xiàn)了土體之間的裂縫，可以固定住土體，使樁和土體不會一起發(fā)生位移?？墒窃诩虞d中發(fā)現(xiàn)，由于模型表面的土體進行了固定處理，所以3號樁在加載的過程中，遇到的阻力更大，所以提高一定的位移，需要的拉力也會更大，這就是3號樁的荷載位移曲線明顯高于其他模型的原因。3號樁在加載的過程中，土體之間也出現(xiàn)了一定的裂縫，而且3號樁最上面的承力盤過早地將其上的土體破壞，致使其抗拔承載力不再增加，這就是3號模型的荷載位移曲線明顯短于其他模型的原因。這個模型的異常主要是人為因素造成的，所以后面的4號模型、5號模型、6號模型吸取了這兩個異常模型的經(jīng)驗，沒有再進行人為干預(yù)，因此，后面的模型取得了良好的試驗結(jié)果。

4 結(jié)語

總結(jié)原狀土模型試驗和有限元分析的結(jié)果，我們可以得到如下結(jié)論：

1)有限元分析和原狀土試驗研究得到了相同的結(jié)論，即要使擠擴多盤樁具有足夠的抗拔承載力，首先要保證最上面的承力擴大盤距離土體表面有一定的距離，一般不低于4倍R，以避免出現(xiàn)上盤上面的土層出現(xiàn)沖切破壞。

2)當N≤2.5時，即承力擴大盤凈間距小于盤懸臂長度的2.5倍，承力盤之間土體容易出現(xiàn)整體破壞，使承力盤下土體不能形成完整的滑移破壞曲線，會降低樁的抗拔承載力；當間距過大時，即N>5時，樁長增加較多，而隨著盤間距的增加，其抗拔承載力增長又非常緩慢，造成經(jīng)濟上的浪費。因此，擠擴多盤樁盤凈間距(S0)的合理取值范圍是盤懸挑長度R的3倍～5倍，即N=3～5，這樣既能充分發(fā)揮承力盤的作用，又節(jié)約了工程成本。

總之，擠擴多盤樁的設(shè)計首先要滿足盤上土體厚度的要求，一般不低于承力盤懸挑長度的4倍。擠擴多盤樁的盤凈間距參數(shù)N=3～5為宜，不宜過小，過小承力盤間的土體會發(fā)生整體剪切破壞；也不宜過大，過大對增加擴盤樁抗拔承載力的效果不明顯，且樁長增加較多。但由于擠擴多盤樁的抗拔承載力還受到土體性樁的直接影響，本文目前只分析了粘性土中盤間距對其抗拔承載力的影響。對于不同地區(qū)、不同土層中的擠擴多盤樁的設(shè)計參數(shù)，其對抗拔承載力的影響規(guī)律基本相同，但具體參數(shù)還需要進一步的研究。

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[3] 錢德玲.土力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[4] 徐至鈞.擠擴支盤樁技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014.

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Test research on undisturbed soil about plate space of the MEEP pile affecting the failure mechanism of soil under vertical tension★

Qian Yongmei1,2Liang Songting1Li Xiaozhou1Zhai Lian1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China;2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

On the base of the existing achievements of the MEEP pile, the article through the small model pile with self-section test of undisturbed soil, indicates the effect of plate space of the MEEP pile on the uplift failure mechanism of the soil surroundings pile, which will provide a reliable theoretical basis for engineering design and calculation of the uplift bearing capacity of the MEEP pile.

the vertical tension, the MEEP pile, plate space, failure mechanism, test of undisturbed soil

1009-6825(2017)10-0067-03

2017-01-22★:國家自然科學(xué)基金項目(51278224)

錢永梅(1970- )，女，博士，碩士生導(dǎo)師，教授; 梁松廷(1989- ),男，在讀碩士； 李曉周(1990- )，男，在讀碩士； 翟 蓮(1977- )，女，副教授

TU473

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