王清正

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，中國(guó)·河北 邯鄲 056038

1 引言

支盤樁是一種變截面樁型，是在普通灌注樁基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)大局部樁身直徑形成擴(kuò)徑體，通過(guò)擴(kuò)徑體的端阻力使得其承載性能提高，沉降量減小，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。支盤樁應(yīng)用發(fā)展幾十年來(lái)，已經(jīng)取得豐碩的研究成果，張延慶[1]等對(duì)某現(xiàn)場(chǎng)支盤樁進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，總結(jié)在受壓和受拉荷載下的承載機(jī)理的不同點(diǎn)；盧成原[2]等采取模型試驗(yàn)，在非飽和土體中對(duì)支盤處土體的擠密效應(yīng)進(jìn)行研究，提出擠密效應(yīng)綜合影響系數(shù)概念；李連祥[3]等利用圓孔擴(kuò)張理論，采用分段位移協(xié)調(diào)迭代算法對(duì)支盤樁的荷載傳遞進(jìn)行研究，推導(dǎo)出擴(kuò)徑端阻力與豎向位移的關(guān)系。

支盤樁在擠擴(kuò)成型過(guò)程中，擠擴(kuò)機(jī)通過(guò)對(duì)周圍土體進(jìn)行擠壓，逐漸形成支盤體，支盤體周圍的土體受到擾動(dòng)，土體參數(shù)已經(jīng)發(fā)生改變，土體被壓密，密實(shí)度提升，支盤處土體存在明顯的擠密效應(yīng)，論文采用圓孔擴(kuò)張理論對(duì)擠擴(kuò)支盤處擠密土體進(jìn)行分析。

2 圓孔擴(kuò)張理論假設(shè)及模型分析

2.1 圓孔擴(kuò)張理論基本假設(shè)

Gibson[4]最開(kāi)始以圓孔擴(kuò)張理論解釋巖土問(wèn)題，之后該理論被廣泛應(yīng)用到巖土領(lǐng)域中來(lái)解釋相關(guān)問(wèn)題。

在擠擴(kuò)支盤樁中應(yīng)用該理論，假設(shè)土體均為理想彈性體，現(xiàn)做出假設(shè)：

①支盤處土體為彈性體，不會(huì)發(fā)生剪切破壞；

②支盤成型后，周圍土體處于受力平衡狀態(tài)；

③土體服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

2.2 模型分析

圓孔擴(kuò)張過(guò)程示意如圖1所示，在擠擴(kuò)作用下，圓孔受到均勻的擠擴(kuò)壓力P，土體由初始孔徑R0逐漸擴(kuò)大到R。在擴(kuò)張過(guò)程中，土體受擠擴(kuò)作用，土體出現(xiàn)塑性變形，遠(yuǎn)處土體仍然保持彈性體。

圖1 圓孔擴(kuò)張理論模型示意圖

假設(shè)一單元體r，在圓孔擴(kuò)張過(guò)程中其法向應(yīng)力為σr，切向應(yīng)力為σθ，參考周航等人的相關(guān)文獻(xiàn)[5]。在荷載情況下，水平內(nèi)壓力與擴(kuò)張半徑的關(guān)系為：

式中，G為土體剪切模量。

擠擴(kuò)前土體密度假設(shè)為e0，擠擴(kuò)完成后土體密度為e，在擠擴(kuò)過(guò)程中的單位體的土體密度為er，則土的壓縮模量：

3 擠擴(kuò)支盤樁抗拔承載機(jī)理

擠擴(kuò)支盤樁在受到豎向上拔荷載時(shí)，發(fā)揮抗拔作用的是樁側(cè)摩阻力。隨著荷載的增加，在達(dá)到一定值時(shí)，樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值，這時(shí)支盤端阻力開(kāi)始發(fā)揮作用，支盤的受力面積增大，荷載被傳遞到周圍土層中較多，因此抗拔能力提升，在多支盤體中，首個(gè)支盤在承受較多荷載之后，相繼第二個(gè)支盤開(kāi)始發(fā)揮作用，隨著荷載增加，之后支盤隨著開(kāi)始發(fā)揮作用。

支盤在設(shè)置的時(shí)候，往往會(huì)選擇持力層較好的土層，實(shí)際工程中樁徑為600~800mm。支盤樁的支盤樁直徑一般在1400mm以上，根據(jù)某樁基礎(chǔ)公司提供的支盤機(jī)參數(shù)，其提供最大推力在4000N以上?？上攵?，在這樣大的擠擴(kuò)力下，對(duì)土體的擠密效果是非?？捎^的，土體密度增大，壓縮模量和土體強(qiáng)度都會(huì)隨著提高，承載力就會(huì)隨之提高。

錢德玲[6]提出，支盤樁的抗拔承載力由四部分組成，即樁側(cè)摩阻力Ps、支盤的抗拔阻力Pz、倒圓臺(tái)土體的有效自重Pcz和樁體的有效自重Wc。

根據(jù)錢德玲博士的研究可知，圓孔擴(kuò)張理論主要與支盤的抗拔阻力有聯(lián)系。通過(guò)圓孔擴(kuò)張理論對(duì)支盤處的土體分析，其壓縮模量減少，土體的壓縮性提高，土體的承載能力提高。

4 非飽和土體擠密試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)盧成原學(xué)者對(duì)非飽和土體中土體擠密試驗(yàn)的研究，其土質(zhì)情況均勻，在成盤位置處屬于中等壓縮土，所有土樣均為不飽和狀態(tài)。試驗(yàn)擠擴(kuò)支盤樁的樁徑為600mm，支盤處直徑最大為1400mm，通過(guò)鉆孔，擠壓成型。擠擴(kuò)支盤樁的擠壓應(yīng)力對(duì)樁周土的影響范圍進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)包括對(duì)樁周土水平方向和豎直方向上的影響范圍的變化規(guī)律。

在樁體成型后，對(duì)樁體支盤周圍的土的干密度進(jìn)行分層取樣，試驗(yàn)結(jié)果表明樁周土的擠密效應(yīng)十分明顯，擠壓區(qū)內(nèi)的干密度增幅最大可達(dá)20%以上，這也證明了擠壓土體的壓縮性增大，從而土體的承載力提高。

利用式（1）計(jì)算初始和擠擴(kuò)結(jié)束兩個(gè)狀態(tài)的土體干密度對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)R0和P。利用式（2）對(duì)土體壓縮模量Es進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比初始狀態(tài)時(shí)的壓縮模量?？梢缘弥?，土體壓縮模量變小，土體壓縮性提高。

5 結(jié)語(yǔ)

第一，支盤樁支盤處土體在擠擴(kuò)壓力的作用下會(huì)被擠密，土體的干密度提高，壓縮性提高，擠擴(kuò)支盤樁的抗拔承載力得到提高。

第二，應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論對(duì)支盤成型過(guò)程中進(jìn)行理論分析，說(shuō)明支盤成型過(guò)程土體受壓縮，土體壓縮模量減小，土的壓縮性提高。

第三，擠擴(kuò)支盤樁的抗拔承載可以分為四個(gè)部分，抗拔過(guò)程中樁側(cè)摩阻力首先發(fā)揮作用，隨著荷載的增大，支盤端阻力逐漸發(fā)揮作用。