陳 新,李光范,丁慶磊,張仰福,符羽佳,鐘梓良

1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,海南 ?？?570228

2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東 濟(jì)南 250061

3.海南魯鄆基礎(chǔ)工程有限公司,海南 ?？?570228

4.海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院,海南 ?？?571127

傳統(tǒng)樁通過(guò)樁側(cè)摩阻力和樁端端承力傳遞上部荷載，具有承載力高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[1]，使建筑物達(dá)到沉降量小而均勻、后期沉降速率收斂較快的目的[2]。通過(guò)改變樁身縱向截面形狀得到的變截面異形樁，可以經(jīng)濟(jì)有效的提高樁的承載能力[3]，增加樁-土接觸面的不平直度和粗糙度[4]。在此基礎(chǔ)上，擠擴(kuò)支盤(pán)樁、擴(kuò)底樁等樁型不斷實(shí)踐進(jìn)步，盧成原[5-7]針對(duì)多支盤(pán)樁實(shí)際工程情況，設(shè)計(jì)了多個(gè)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了擠擴(kuò)支盤(pán)樁相較于等截面樁對(duì)承載力提高的有益影響；錢(qián)德玲[8,9]針對(duì)擠擴(kuò)支盤(pán)樁的荷載傳遞規(guī)律及抗壓抗拔特性做了研究；吳江斌[10]等對(duì)比了等截面樁與擴(kuò)底樁的抗拔承載特性；曹兆虎[11]等利用透明土，對(duì)比了等截面樁與楔形樁的沉樁效應(yīng)。

推擠式多支樁是一種利用樁內(nèi)油壓推擠式裝置在普通灌注樁基礎(chǔ)上改良的新型樁[12]，在樁施工挖孔過(guò)程中，將推擠裝置下放井內(nèi)并利用油壓裝置向樁側(cè)推擠形成空穴，灌注混凝土后形成支部結(jié)構(gòu)，增加了通過(guò)推擠樁側(cè)孔壁而形成的“支”，其施工技術(shù)已獲得國(guó)家專利授權(quán)。本文采用縮尺模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了單層、雙層、三層、四層支樁的模型試驗(yàn)，對(duì)其承載和沉降特性進(jìn)行了分析研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 支樁模型

模型試驗(yàn)采用直徑32 mm、壁厚2 mm 的鋁合金管作為模擬樁體，模型樁樁徑32 mm，樁長(zhǎng)1000 mm，埋置深度960 mm，支部結(jié)構(gòu)（支塊）與樁身通過(guò)密封膠粘合，粘合24 h 以上確認(rèn)牢固后投入試驗(yàn)，支樁結(jié)構(gòu)及樁體尺寸示意圖見(jiàn)圖1。在每個(gè)支部結(jié)構(gòu)下部分別嵌入直徑約10 mm、厚7 mm 的微型土壓力盒，樁底嵌入并粘合直徑約28 mm、厚11 mm 的土壓力盒，以此獲得樁端及支部結(jié)構(gòu)下的土壓力信息，觀測(cè)樁底及支底壓力的變化。由計(jì)算，管材抗壓剛度EA=1.97×104kN/m（彈性模量E=7.2×107kN/m3，截面面積A=2.73×10-4m2），對(duì)應(yīng)于實(shí)樁剛度5×107kN/m，與直徑為1.6 m 的混凝土樁抗壓剛度典型值相近，根據(jù)相似理論，模型幾何相似比CL=50，重度相似比C=1，力學(xué)相似比CF=C×CL3=1.25×105。

圖1 樁體示意圖Fig.1 Pile diagram

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)以砂性土地基作為試驗(yàn)環(huán)境，其具有天然散粒特性，其密實(shí)度、含水量等指標(biāo)較易控制，從而可以提供較穩(wěn)定的試驗(yàn)條件、反映模型樁的受力特點(diǎn)。試驗(yàn)用砂的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)砂箱基礎(chǔ)尺寸為2000×2000×1500 mm（長(zhǎng)×寬×高），砂箱頂部設(shè)置可移動(dòng)杠桿加載裝置，設(shè)置反力架用于放置位移計(jì)。

埋置模型樁時(shí)，首先開(kāi)挖砂土，之后下放模型樁，在保證模型樁豎直的狀態(tài)下填埋砂土至砂箱頂面，在砂土填埋至支塊位置時(shí)，利用細(xì)鐵絲在支部附近穿插搗實(shí)，模擬多支樁支塊推擠形成時(shí)對(duì)支塊周?chē)臄D密，埋置后的試驗(yàn)裝置靜置12 h 以上，使模擬地基中的砂土較好擠密。

表1 試驗(yàn)用砂物理參數(shù)Table 1 Sand physical parameters for test

試驗(yàn)加載設(shè)備采用樁頂杠桿裝置逐級(jí)加載，載荷采用等重砝碼。在樁頂設(shè)置固定的兩個(gè)位移百分表量測(cè)模型樁樁頂?shù)某两底冃瘟浚恳患?jí)加載后待沉降穩(wěn)定，按照規(guī)范的規(guī)定時(shí)間間隔記錄位移百分表的讀數(shù)。試驗(yàn)裝置布置情況如圖2 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，為緩解邊界效應(yīng)的影響，模型樁設(shè)置于試驗(yàn)砂箱中部，距砂箱側(cè)壁900 mm 以上。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

主要試驗(yàn)內(nèi)容有：設(shè)置單層、兩層、三層、四層支部結(jié)構(gòu)的模型樁沉降特性試驗(yàn)。依照支部結(jié)構(gòu)距樁底距離（Lb）,在樁身選取具有代表意義的四個(gè)位置作為支部結(jié)構(gòu)設(shè)置處，分別為L(zhǎng)b1=200 mm，Lb2=400 mm，Lb3=600 mm 及Lb4=800 mm 處。根據(jù)支部結(jié)構(gòu)位置、數(shù)量、層數(shù)將試驗(yàn)分為22 組進(jìn)行，分組情況見(jiàn)表2，大體分為七類，等截面樁（無(wú)支樁）試驗(yàn)（#00*）、單層雙支試驗(yàn)（#12*）、單層三支試驗(yàn)（#13*）、單層四支試驗(yàn)（#14*）、雙層試驗(yàn)（#2**）、三層試驗(yàn)（#3**）、四層試驗(yàn)（#4**）。試驗(yàn)編號(hào)中，前兩位數(shù)字分別表示模型樁設(shè)置的支部層數(shù)、每層支部數(shù)量。

表2 試驗(yàn)分組Table 2 Test group

均為12.485N，多層支樁試驗(yàn)（#2**、#3**、#4**）每級(jí)加載均為24.970 N。滿足試驗(yàn)終止條件后停止進(jìn)行加載，之后逐級(jí)卸載直至試驗(yàn)結(jié)束，挖取模型樁并檢查確認(rèn)模型樁完整性。根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范（JGJ 106-2014）》結(jié)合模型比例情況，確定出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，視為滿足試驗(yàn)終止條件：（1）當(dāng)載荷沉降曲線上有可判定極限承載力的陡降段，沉降量達(dá)到上一級(jí)荷載最終沉降的兩倍；（2）當(dāng)載荷沉降曲線呈緩變型時(shí)，樁頂總沉降大于4 mm；（3）樁身發(fā)生斷裂。

2 結(jié)果及分析

2.1 每層支部數(shù)量的影響

試驗(yàn)結(jié)果以樁頂沉降量（4 mm）作為控制因素。由圖3 單層支樁與等截面樁Q-s曲線的對(duì)比，設(shè)置支部結(jié)構(gòu)的模型樁相較于等截面樁，均獲得了更高的豎向承載力，其沉降特性也更優(yōu)異。由圖4 等截面樁與雙層支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，圖中靠上側(cè)的藍(lán)、紅、黑曲線分別代表雙層四支樁、雙層三支樁、雙層兩支樁的沉降曲線，與最左側(cè)的等截面樁Q-s曲線相比，雙層支樁的抗沉降性能更有優(yōu)勢(shì)，同樣展現(xiàn)在三層支樁與四層支樁的情況中；圖5 等截面樁與三層支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，圖中靠上側(cè)的藍(lán)、紅、黑曲線分別代表三層四支樁、三層三支樁、三層兩支樁的沉降曲線；圖6 等截面樁與四層支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，圖中靠上側(cè)的藍(lán)、紅、黑曲線分別代表四層四支樁、四層三支樁、四層兩支樁的沉降曲線。顯然：設(shè)置支部結(jié)構(gòu)的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現(xiàn)，當(dāng)上部荷載一定時(shí)，多層支樁的沉降量更少，且隨著支部結(jié)構(gòu)每層數(shù)量的增加，這種優(yōu)異的沉降性能愈發(fā)突出，同時(shí)其Q-s曲線逐漸區(qū)別于等截面樁的陡降型曲線而趨向于緩降型曲線，其力學(xué)性能也更表征出抗沉降優(yōu)良及承壓優(yōu)良的特點(diǎn)。

圖3 單層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.3 Comparison of Q-s curves between single-layer pile and equal-section pile

圖4 雙層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.4 Comparison of Q-s curves between double-layer pile and equal-section pile

圖5 三層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.5 Comparison of Q-s curves between three-layer pile and equal-section pile

圖6 四層支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.6 Comparison of Q-s curves between four-layer pile and equal-section pile

試驗(yàn)結(jié)果以樁頂沉降量（4 mm）作為控制因素，由圖7 等截面樁與雙支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，由右側(cè)向左側(cè)的曲線分別代表雙四層兩支樁、三層兩支樁、雙層兩支樁、單層兩支樁及等截面樁的沉降曲線；圖8 等截面樁與三支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，由右側(cè)向左側(cè)的曲線分別代表雙四層三支樁、三層三支樁、雙層三支樁、單層三支樁及等截面樁的沉降曲線；圖9 等截面樁與四支樁加載試驗(yàn)的Q-s曲線比較，由右側(cè)向左側(cè)的曲線分別代表雙四層四支樁、三層四支樁、雙層四支樁、單層四支樁及等截面樁的沉降曲線?？梢宰糇C：設(shè)置支部結(jié)構(gòu)的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現(xiàn)。同時(shí)可以得出：當(dāng)上部荷載一定時(shí)，隨著支部結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，模型樁的沉降性能愈發(fā)優(yōu)異；與此同時(shí)，支部結(jié)構(gòu)層數(shù)與支部結(jié)構(gòu)每層數(shù)量?jī)蓚€(gè)變量中，支部結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)模型樁力學(xué)性能的影響更突出，具體表現(xiàn)在四層兩支樁（#420-8642）的沉降特性優(yōu)于三層四支樁（#340-0864），而三層兩支樁（#320-0864）的沉降特性優(yōu)于雙層兩支樁（#220-0064），相同層數(shù)（圖5、圖6、圖7、圖8）的情況下，模型樁在改變每層支部結(jié)構(gòu)數(shù)量時(shí)，其Q-s曲線形態(tài)相似，相同層數(shù)（圖10、圖11、圖12）情況下，模型樁在改變每層支部結(jié)構(gòu)數(shù)量時(shí)，其Q-s曲線形態(tài)也相似，佐證了這一點(diǎn)。

圖7 雙支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.7 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

圖8 三支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.8 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

圖9 四支樁和等截面樁Q-s 曲線比較Fig.9 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

2.2 支部設(shè)置層數(shù)的影響

以樁頂4 mm 的沉降量作為控制指標(biāo)，將本次試驗(yàn)所有模型樁試驗(yàn)在此時(shí)的承載力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，見(jiàn)表3。表中可以清晰看到模型樁的豎向承載力和承載力提高百分比的變化。

表3 樁頂沉降為4 mm 時(shí)各模型樁承載力對(duì)比Table 3 Bearing capacity comparison of each model pile when the pile top settlement was 4 mm

以此為基礎(chǔ)，為更好的表征支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)與模型樁承載力的關(guān)系，以支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)為橫坐標(biāo)，以模型樁承載力為縱坐標(biāo)，作折線圖如圖10。圖中由上至下四條線分別代表每層四支、每層三支、每層雙支及無(wú)支情況下，支部結(jié)構(gòu)設(shè)置的層數(shù)對(duì)模型樁承載力的影響。在支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)不變的情況下，每層四支的模型承載力由單層四支的283.49 N 提高到四層四支的547.10 N，每層三支的模型承載力由單層三支的218.43 N 提高到四層三支的502.31 N，每層雙支的模型承載力由單層雙支的191.69 N 提高到四層雙支的467.27 N，顯然，支部結(jié)構(gòu)層數(shù)，對(duì)樁承載力的提高越明顯。

圖10 支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)與承載力的關(guān)系Fig.10 Relation between the layers and bearing capacity of branch structure

圖11 多層條件下支部數(shù)量與承載力的關(guān)系Fig.11 Relation between branches and bearing capacity under multi-layer

圖12 所有試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆冻休d力對(duì)比Fig.12 Comparison of bearing capacity of all test model piles

圖13 試驗(yàn)結(jié)果擬合Fig.13 Fitting of test results

為更好的表征每層支部數(shù)量與模型樁承載力的關(guān)系，以每層支部數(shù)量為橫坐標(biāo)，以模型樁承載力為縱坐標(biāo)，作折線圖如圖11。圖中由上至下黑、紅、藍(lán)、綠線，分別代表四層、三層、兩層及無(wú)支情況下，每層支部數(shù)量對(duì)模型樁承載力的影響。在每層支部數(shù)量不變的情況下，四層的模型樁承載力由四層雙支的467.27 N 提高到四層四支的547.10 N，三層的模型承載力由三層雙支的344.08 N提高到三層四支的362.61 N，兩層的模型承載力由兩層雙支的277.77 N 提高到兩層四支的306.83 N，單層的模型承載力由單層雙支的191.69 N 提高到單層四支的283.49 N，顯然，支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)越多，則對(duì)樁承載力的提高越明顯。

將模型樁承載力數(shù)據(jù)按照支部結(jié)構(gòu)設(shè)置的位置作統(tǒng)計(jì)圖如圖12，圖中以支部結(jié)構(gòu)設(shè)置位置為橫坐標(biāo)，豎向承載力為縱坐標(biāo)。單層試驗(yàn)以單個(gè)點(diǎn)的形式，標(biāo)注在圖中，例試驗(yàn)“#120-0002”，其支部結(jié)構(gòu)設(shè)置位置Lb1=200 mm，則以200 為橫坐標(biāo)、以其試驗(yàn)承載力為縱坐標(biāo)標(biāo)注單個(gè)點(diǎn)；多層試驗(yàn)以點(diǎn)線形式標(biāo)注在圖中，例試驗(yàn)“#440-8642”，其支部結(jié)構(gòu)設(shè)置位置Lb1=200 mm、Lb2=400 mm、Lb3=600 mm、Lb4=800 mm，則以200、400、600、800 為橫坐標(biāo)、以其試驗(yàn)承載力為縱坐標(biāo)標(biāo)注四個(gè)點(diǎn)，并連線。圖中較清晰地展現(xiàn)了各個(gè)試驗(yàn)的承載力比較。

2.3 多支樁承載特性的綜合影響因素

以支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)為x軸，以每層支部數(shù)量為y軸，以模型樁承載力為z軸，作圖13。圖中可以看出支部結(jié)構(gòu)層數(shù)與支部結(jié)構(gòu)每層數(shù)量共同促進(jìn)多支樁承載力的提高，且均呈現(xiàn)線性正相關(guān)：z=100.08+82.41x+14.03y。其中z表示承載力，x表示支部層數(shù)，y表示每層支部數(shù)。方差為0.9079，相關(guān)性較高?？芍?，推擠式多支樁承載力的提高隨著支部層數(shù)及每層支部數(shù)的變化而變化，其中支部層數(shù)對(duì)于多支樁承載力的影響較大，主要原因在于每增加一層即增加更多的支部結(jié)構(gòu)，且說(shuō)明多層設(shè)置的推擠式多支樁更有利于支部結(jié)構(gòu)作用的有效發(fā)揮。

2.4 支底壓力變化

推擠式多支樁與等截面樁相比最大的特點(diǎn)是在支底反力、樁側(cè)摩阻承擔(dān)上部荷載的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)支底反力。等截面樁（#000-0000）受力情況見(jiàn)圖14，樁側(cè)摩阻對(duì)模型樁的豎向承載力產(chǎn)生了較大的貢獻(xiàn)，其分擔(dān)的豎向荷載約占整體75%，樁底反力承擔(dān)的荷載相對(duì)較小；單層四支樁（#140-0004）受力情況見(jiàn)圖15，隨著樁頂荷載的不斷增加，其樁底反力、支底反力也逐漸增加，支底反力為分擔(dān)上部荷載做出了貢獻(xiàn)，尤其在樁側(cè)摩阻力軟化后，支底反力的上升速度發(fā)生更快的變化，與此同時(shí)樁底反力也逐漸增大超過(guò)樁側(cè)摩阻力；四層四支樁（#440-8642）受力情況見(jiàn)圖16，樁側(cè)摩阻力在該次試驗(yàn)中，對(duì)整個(gè)豎向承載力的貢獻(xiàn)約占35%，支底反力較早的超過(guò)了樁底反力，樁側(cè)摩阻力在軟化后下降明顯，低于支底反力與樁底反力。

從增加的豎向接觸面積來(lái)看，支底反力的增加與支部數(shù)量（支部設(shè)置層數(shù)與每層支部數(shù)的乘積）有著極大聯(lián)系，盡管由單層試驗(yàn)可以得知支部結(jié)構(gòu)設(shè)置的位置對(duì)支底所能承擔(dān)的承載力有所影響，但其變化幅度不大，基本可以認(rèn)定支底總面積與支部結(jié)構(gòu)所能提供的總的承載力呈正相關(guān)，也就是支部數(shù)量與支底反力呈一定程度上的正相關(guān)。同時(shí)，設(shè)置多層的支樁的支阻具有“阻礙效應(yīng)”，即不同高度的支阻產(chǎn)生阻力時(shí)的上部荷載較為接近，但達(dá)到的最終支阻與支部位置相關(guān)，其中對(duì)比模型樁的試驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)螌訔l件下，在每層支部數(shù)量相同時(shí)，支部設(shè)置于距樁端400 mm～600 mm 處時(shí)對(duì)樁的承載力提高較大，對(duì)于該現(xiàn)象可通過(guò)模型樁樁體及支部結(jié)構(gòu)受力來(lái)分析，在每層支部數(shù)量相同時(shí)，影響模型樁承載力的主要因素在于支部受力情況，支底反力的不同來(lái)源于支部周?chē)馏w壓力及支部結(jié)構(gòu)的向下位移，支部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最優(yōu)位置的原因，主要在于兩者對(duì)支部發(fā)揮作用的最佳配合，樁身所受到的樁側(cè)土壓力隨著樁身自上而下逐漸增大，而樁身的形變隨著樁身自上而下緩慢達(dá)到一個(gè)峰值都下降，這使得當(dāng)支部結(jié)構(gòu)設(shè)置于偏上部時(shí)，支部結(jié)構(gòu)雖然可以在加載過(guò)程中發(fā)生較大的形變，但由于樁側(cè)圍土壓力較小，因而不能產(chǎn)生較大的承載力，而當(dāng)支部結(jié)構(gòu)設(shè)置于偏下部位置時(shí)，支部結(jié)構(gòu)樁側(cè)圍土壓力較大，但由于支部產(chǎn)生的形變較小，無(wú)法將圍土的優(yōu)良特性轉(zhuǎn)化為更多的承載力，因此產(chǎn)生支部結(jié)構(gòu)的最優(yōu)位置，即該位置設(shè)置支部結(jié)構(gòu)時(shí)，支部周?chē)膰翂毫ψ銐虼螅Р坑帜軌螂S著樁身在應(yīng)對(duì)上部荷載的同時(shí)產(chǎn)生較大形變，所以設(shè)置多層支樁其每層達(dá)到的最大支阻不同。

圖14 等截面樁端底壓力與樁側(cè)摩阻對(duì)比Fig.14 Comparison between pile bottom pressure and pile side friction

圖15 四根樁單樁底壓力的比較Fig.15 Comparison of the bottom pressure of four piles in a single layer

圖16 四層四支樁樁底支底壓力對(duì)比Fig.16 Comparison of the bottom pressure of four branch pile in four layers

3 結(jié)論

（1）相較于等截面樁的Q-s曲線呈現(xiàn)的陡降形態(tài)，含有支部結(jié)構(gòu)模型樁的Q-s曲線多呈緩和形態(tài)。其具有更優(yōu)異的承載性能及抗沉降表現(xiàn)；

（2）設(shè)置支部結(jié)構(gòu)的支樁在抗沉降及承載特性上具有更高性能的表現(xiàn)，當(dāng)上部荷載一定時(shí)，多層支樁的沉降量更少，且隨著支部結(jié)構(gòu)每層數(shù)量的增加，這種優(yōu)異的沉降性能愈發(fā)突出。支部結(jié)構(gòu)每層數(shù)量與模型樁承載力呈線性正相關(guān)；

（3）支部結(jié)構(gòu)設(shè)置層數(shù)與模型樁承載力呈線性正相關(guān)；

（4）支部層數(shù)與每層數(shù)量?jī)蓚€(gè)變量中，支部結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)模型樁力學(xué)性能的影響更為突出；

（5）上部荷載的施加過(guò)程中，支阻一定程度上抵消了側(cè)阻軟化的負(fù)面效果，且設(shè)置多層支的支樁其每層達(dá)到的最大支阻不同。