【摘 要】设计了室内模型试验,在非饱和粉土对1号等直径桩,2号带有一个支盘的支盘桩,3号双支盘桩先进行一次静载试验,再对3号支盘桩进行了五次加载和卸载试验。其中包括四次重复快速加载,卸载试验。通过对实验数据的分析来研究支盘桩在荷载作用下的承载能力和变形性能及荷载的传递规律,探讨支盘桩承载力的计算公式。
　　【关键词】支盘桩;模型试验;粉土;变形性能;承载力
　　The loading of the dish stake dint formula study
　　Li Tian-bao
　　(Zhejiang the occupation technical college of the huge mansion construction Dongyang Zhejiang 322100)
　　【Abstract】Designed indoor model experiment, a static loading test was conducted with non-saturated silt on No.1 equal diameter piles, NO.2 branch pile (with one branch) and No.3 dual-branch pile first. And then five loading and unloading test were conducted on No.3 branch pile, Including four repeat fast loading and unloading test. Through the analysis on the experimental data,to study the load carrying capacity of branch pile under the effect of load and the transfer orderliness, as well as the deformation performance of load, to explore the bearing capacity formula of branch pile.
　　【Key words】branch pile, model test, silt, deformation performance, bearing capacity
　　支盘桩是一种新型结构的钢筋混凝土灌注桩。支盘桩由桩身、分支和承力盘三部分组成。可根据需要在多个位置上设计若干分支,同样,在同一桩身上,承力盘也可以设计为一盘、两盘或多盘。
　　1. 试验概况
　　本次试验的目的是研究支盘桩在荷载作用下的承载能力和变形性能及荷载的传递规律,探讨支盘桩承载力的计算公式。目前有关资料中关于支盘桩单桩承载力的计算公式一般是将桩的侧阻力、支盘的端阻力、桩端阻力三个部分简单的相加,没有将其视为一个整体,没有考虑其承载力不能同步发挥的“折减系数”等因素。通过本次试验及分析要对现有的支盘桩的承载力公式进行修正。
　　1.1 试验装置。
　　本次试验采用了0.8mm厚钢板制作了三根模型桩,1号为等直径桩,桩身直径50mm,桩长580mm;2号为单盘支盘桩,离桩端50mm处设有一盘,盘径120mm,桩身直径50mm,桩长580mm;3号为双盘支盘桩,桩身直径50mm,盘径120mm,设盘位置离桩端分别为50mm和290mm,即盘距为两倍盘径,桩长580mm。
　　在桩身内部贴应变片用以测定在荷载作用下桩身的压力变化。试验用土为非饱和的粉土。在直径600mm,高600mm的铁桶中分层夯实制作土层,在距离铁桶底170mm处中间位置埋入模型桩,并在相应的土层位置埋入16个微型压力盒用以测定模型桩受荷载作用时桩周土体的压力变化。在桩顶安置两个百分表测量模型桩在荷载作用下的沉降变形量。有关图示如图1。
　　图1 试验装置,应变片及压力盒位置和编号图(3号桩)
　　1.2 试验方法。
　　本次试验先对3根模型桩在非饱和粉土中各进行一次静载试验, 1号等直径桩和2号支盘桩分级加载到2.0KN,每级0.4KN; 3号支盘桩分级加载到4.0KN,每级0.4KN;每级加载到沉降变形稳定后再加下一级。
　　随后对3号支盘桩进行了四次重复快速的加载和卸载试验。3号桩快速加载的荷载值为4.0KN;主要定性分析3号桩在重复荷载作用下的变形等情况。
　　3号桩第六次试验分级加载到5.2KN, 4.0KN前每级0.8KN, 4.0KN后每级0.4KN ,之后以每级0.8KN卸载至0。
　　2. 实验结果与讨论
　　支盘桩的荷载传递机理复杂,影响因素较多,加之各地地质状况的差异,到目前为止还没有较系统的设计计算理论,有关资料中关于支盘桩单桩承载力的计算公式一般是套用普通灌注桩的计算公式,其基本的形式如下:
　　Qu=Qs+Qp=u∑qsi Li +∑ΨpjqpjApj+qpAp (1)
　　式中,qsi——桩侧第i 层土的单位极限侧阻力标准值(KPa);
　　Li ——桩穿越第i 层土的厚度,计算时减去盘根高度(Km);
　　ψpi ——桩极限端阻力标准值修正系数,它与支盘支承处土的性状有关;
　　qpj——桩身上第j个支或盘处土的极限端阻力标准值(KPa);
　　Apj ——扣除主桩桩身截面积的支和盘的水平投影面积(m2);
　　Ap——桩端面积(m2)。
　　Ψpj、qpj、Apj分别表示第J盘极限端阻修正系数(主要考虑施工因素对成盘质量的影响)、第盘J盘底土的极限端阻力、扣除主桩身截面积后第J盘的水平投影面积,其他参数的意义同《建筑桩基技术规范》JGJ94-94的规定。
　　以上计算公式存在的问题在于只是把支盘桩承载力组成的三个部分(桩的侧阻力、支盘的端阻力、桩端阻力)简单的相加,没有将其视为一个整体。根据试验对支盘的受力机理的分析,支盘桩承载力组成的三个部分应该视为一个整体,而不能简单的相加,故公式(1)至少存在以下三个问题:
　　第一,桩的侧阻没有考虑到盘顶临空面的影响,由于盘顶临空面的存在和盘底土随着盘所分担的压力的增加而产生向下变形引起的两盘间土体对桩身侧阻力大幅减小,甚至在下盘上部一定范围内桩周土对桩身产生了负摩擦。
　　图2-图4是根据试验前在3根桩桩身的相应位置粘贴的应变片测得的桩身压力变化曲线(应变片位置可参看图1)。
　　对照图2-图4不同桩型桩身压力的变化可以明显的看出支盘桩和等直径桩在受力机理上的不同。由图2可见1号等直径桩桩身的压力变化曲线从桩顶到桩端没有明显的突变,基本上呈线性变化,说明桩的荷载传递和承载力基本上由桩侧摩擦力和桩端阻力提供。
　　图2 1号桩第一次加载桩身压力变化曲线
　　图3 2号桩第一次加载桩身压力变化曲线
　　2号底部带有一个盘的支盘桩由于盘的端阻作用,所以桩身压力在盘处发生了突变,这种突变随着荷载增加到一定值后才而趋于明显,可见支盘的作用是随着荷载的增加而发挥出来的。在荷载较小时(如Q=1.6KN以下)设盘处轴力没有突变,支盘桩的荷载传递和承载力主要靠桩侧摩擦力提供,其桩身的压力变化曲线与1号桩相似。说明盘的端阻力只有桩的沉降变形达到足够大才能逐步发挥出来。另外从图中还可以看到在盘上部一定范围内出现了负摩擦,这主要是由于随着桩的沉降变形加大,在盘顶会出现空腔,原盘顶土体失去盘的支撑后会产生坍塌的趋势,从而造成土体的变形大于桩身变形而形成负摩擦力。
　　3号支盘桩在桩端和桩顶附近各设置了一个盘,参看其桩身的压力变化曲线,可见在两个盘处桩身压力出现了突变,并且在荷载加到2.0kN前,上支盘上部的桩身在一开始加载时就产生了负摩擦,而下支盘上部一定范围内的桩身则是正摩擦,但是当荷载超过2.0kN时上支盘上部的桩身出现了正摩擦,而下支盘上部一定范围内的桩身则出现了负摩擦。由此说明支盘的存在确实是改变了支盘桩的受力机理,支盘承担了桩身的部分荷载,而且由于支盘的存在,桩周土对桩身的摩擦力变得比较复杂。
　　第二,没有考虑到由于土的密实度不同而使桩端与盘,盘与盘的作用不是同步发挥的。
　　从图4可以看出,荷载较小时(如Q=1.6kN以下)上盘处的桩轴力就有突变的现象,而下盘处这种变化不明显;随着荷载增大到一定值后,下盘处的轴力突变越来越明显。这种趋势说明,当多支盘桩的盘设在同一种土体中时,盘的承载力发挥是有先后顺序的,一般设在桩身上部的盘承载力先发挥,各盘的承载力从上往下逐渐发挥,因此多支盘桩的承载力并不是各盘承载力的简单叠加,计算时应考虑到承载力发挥的“时间效应”。
　　第三,没有考虑支盘下土体的挤密作用。工程实际中支盘的轮廓是由成形设备挤压原状土体而形成的,实际支盘桩支盘下的土体在没有加载时的密实度已经高于原状土了,显然其端支撑力要高于原状土。由于受试验条件的限制,本次试验是先将模型桩就位,然后在其周围制作的土层,盘底土体的密实性不是很理想,但是通过试验我们可以看到,经过五次加载后,盘底土的密实性提高了,而且支盘桩的承载力也有所提高,所以在承载力计算时应该考虑挤密效应。
　　图4 3号桩第一次加载桩身压力变化曲线
　　桩的承载力是由其周围的土体提供的,经过四次重复快速的加载后,3号支盘桩承载力组成上的变化与桩周土体性质的变化有着必然的联系。支盘桩的工程性状之所以要优于等直径桩是由于其在桩身设置的支盘承担了部分的荷载。由于支盘承担了较大的荷载,所以其盘下的土体有较大的压缩,再经过四次快速加载后土体被进一步的压缩,粉土被压缩后,其端支撑力有大幅的增加,所以在第六次加载时上,下盘和桩端的支撑力有了显著提高。这也可以从图5、图6.所示的桩身压力变化曲线看出,由图可知当四次加载试验后过一段时间再对桩进行加载,此时被压实的土体提供了较高的端支撑力。因此支盘桩在受到重复快速加载后,其承载力必定会有所提高。
　　因此,建议支盘桩的单桩承载力计算公式表示为如下形式:
　　图5 3号桩第五次加载桩身压力变化曲线
　　图6 3号桩第六次加载桩身压力变化曲线
　　Qu=Qs+Qp=u∑qsi Li - u∑qsinDj +γ∑ΨpjβpjqpjApj+ΨpqpAp(2)
　　式中u∑qsinDj表示在盘J上,n倍盘径Dj的范围内的桩侧阻不应计入承载力,n应根据不同的土质和盘间距确定;γ为多盘时的各盘端阻力同步发挥系数,γ≤1.0;β支盘下土体的挤密效应系数,β>1.0;Ψp为桩端承载力发挥系数,Ψp<1.0。
　　以上系数应通过大量的试验并结合经验来确定。
　　3. 结论
　　通过模型试验可以得出如下结论
　　(1)支盘桩的承载力公式应考虑盘顶临空面的影响。盘顶临空面会引起两盘间土体对桩身侧阻的大幅减小。
　　(2)支盘桩支与盘的承载力发挥是有“时间效应”的,一般在同一土层中上盘先发挥承载力,然后依次向下发展,在多支盘桩的承载力计算时,不能简单的把各盘的端承载力叠加,而应该考虑其承载力不能同步发挥的“折减系数”。
　　(3)支盘桩在受到重复快速加载后,其承载力必定会有所提高。支盘桩的承载力公式应考虑支盘下土体的挤密作用。
　　
　　参考文献
　　[1] 卢成原,孟凡丽,吴坚等.不同土层对支盘桩荷载传递影响的模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004,23(20):3547-3551
　　[2] 段鸿海.DX挤扩支盘灌注桩承载力的确定研究[J].岩土工程学报2005, 07-0001-03
　　[3] 巨玉文,梁仁旺,白晓红等.挤扩支盘桩承载变形特性的试验研究及承载力计算[J].工程力学, 2003,06-0034-05
　　[4] 孟凡丽, 卢成原,寿铁军.挤扩支盘桩的工程实践及承载性能探讨[J].浙江工业大学学报, 2003, 0620673206
　　[5] 卢成原,孟凡丽,战永亮等.挤扩支盘桩的承载性能及工程应用研究[J].建筑结构,2003,33 (11)
　　[6] 钱德玲.挤扩支盘桩的荷载传递规律及FEM模拟研究[J] 岩土工程学报,2002, 24(3):371-375
　　
　　[文章编号]1006-7619(2009)12-23-10
　　[作者简介]李天宝(1972-),男,浙江广厦建设职业技术学院经外分院副院长,高级工程师,工程硕士,研究方向为地基与基础施工。