（环境工程专业论文）变截面桩竖向承载特性模型试验研究.pdf

变截面桩竖向承载特性模型试验研究 于两要 变截面桩是一种新型桩。该桩利用桩身不同部位的土层设置扩大盘，将摩擦 桩变革为变截面多支点摩擦端承桩，改变了桩的受力机理，使桩的承载力大大提 高，沉降变形显著减小。相对于等直径桩具有较高的承载力和较小的沉降变形， 如能在土木工程各个领域中得以推广将取得良好的经济效益和社会效益。本文在 已有的变截面桩研究成果的基础上，通过室内模型试验，研究了变截面桩在竖向 荷载下的承载力、荷载传递机理、桩身及桩周土的应力分布，重点研究了不同盘 距对变截面桩承载力及变形的影响。 通过室内模型试验测得的数据，绘出q - s 曲线和桩身轴力变化曲线，可以看 出变截面桩具有较好的承载特性。在加载初期荷载较小时，扩大盘处轴力变化不 明显，桩身轴力基本上是线性减小的，说明桩的承载力主要由桩侧摩擦力提供。 随着荷载增大，在扩大盘处，桩身轴力变化增大，说明扩大盘开始发挥作用，其 分担的荷载越来越大，这也是变截面桩承载力远高于普通等直径桩的原因。同时 由于扩大盘的影响，盘上下一定范围内桩侧摩阻力的发挥会受到影响，甚至出现 负摩阻力。 模型桩试验结果表明，具有一个扩大盘的变截面桩或扩大盘问隔较大的变截 面桩，位于扩大盘的下部土体发生压缩现象，扩大盘上部的土体则发生滑落现象； 扩大盘间隔较小时。上下两个扩大盘之间的土体与两个扩大盘练成一体：等截面 桩与变截面桩的荷载沉降曲线相似，但是具有扩大盘的变截面桩的总桩侧阻力 ( 包括侧阻力和扩大盘端阻力) 均远大于桩端阻力，扩大盘的数量及间距对这一 结果影响不明显；对于具有一个扩大盘的变截面桩，扩大盘在下面的变截面桩的 承载力最小，位于上部的居中，位于中间的变截面桩的承载力最大，尤其是当沉 降量较大时扩大盘在中间的变截面桩的承载力发挥明显，可见扩大盘的位置对承 载力有一定的影响，因此，单个扩大盘的位置最好居中设置；对于具有两个等间 隔扩大盘的变截面桩，两个扩大盘位于上部的桩承载力高于位于下部的承载力， 因此两个扩大盘两个扩大盘位置应偏上设置；扩大盘问隔对承载力影响不显著；) 具有三个扩大盘的变截面桩承载力大于两个盘的变截面桩承载力，但是结果相差 不大；变截面桩的承载力得到显著提高，其承载力不小于与扩大盘直径相等的等 截面桩；变截面桩的桩身轴力分布规律与等截面桩不同，随着荷载的增大，扩大 盘以下桩身的轴力因扩大盘承担大部分荷载而聚减，这一结果与扩大盘的个数、 位置无关。 关键词：变截面桩；扩大盘；模型试验；荷载传递 i i m o d e lt e s t so nv e r t i c a lb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f v a r l a d l e s e c t l o np i l e a b s t r a c t v a r i a b l e s e c t i o np i l ei san e wt y p eo fp i l e t h ep i l er i s ed i f f e r e n tp a r t so fs o i l b e s i d e si t s e l ft oi n s t a l l e n l a r g i n gp l a t e s ，a n dm a k ef r i c t i o np i l ev a r i a b l e - s e c t i o n m u l t i - s u p p o r t sf r i c a t i o na n de n d b e a t i n gp i l e t h ee n l a r g i n gp l a t e sc h a n g et h es t r e s s m e c h a n i s mo ft h ep i l e ，a n dm a k eb e a r i n gc a p a c i t yi m p r o v e dw h i l es e t t l e m e n t d e f o r m a t i o nd e c r e a s e d c o m p a r e dw i t hp ile sw i t ht h es a m ed i a m e t e r , i th a sm o r e c a r r y i n gc a p a c i t ya n dl e s sd e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n t i fp r o m o t e di ne v e r yf i e l d o fc i v i le n g i n e e r i n g ，i tw i l lr e c e i v eg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t b a s e do nt h e e x i t i n gr e s e a r c hr e s u l t so ft h ev a r i a b l e - s e c t i o np i l e s ，t h ep a p e rs t u d i e dc a r r y i n g c a p a c i t yo fp i l eu n d e rp u l l o u tl o a d s ，l o a dt r a n s f e r r i n gm e c h a n i s m ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n o fp i l e sa n ds o i la r o u n dp i l e s ，t h r o u g hi n d o o rm o d e lt e s t s a n di tm a i n l ys t u d i e dt h e i n f l u e n c e so nc a r r y i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o no fp i l ew i t he n l a r g i n gp l a t e sf r o m d i f f e r e n td i s t a n c e so fe n l a r g i n gp l a t e s t h r o u g ht h ed a t em e a s u r e df r o mi n d o o rm o d e lt e s t s ，d r e wq sc u r v ea n dm l a t i o nc u r v eo f p i l ea x i a lf o r c e ，f r o mw h i c hw ec a nf i n dt h a tv a r i a b l e - s e c t i o np i l eh a sg o o dl o a d - b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c s w h e nt h el o a di sc o m p a r a t i v e l ys m a l l e ri nt h ei n i t i a ls t a g e s ，a x i a l f o r c ei nt h ep l a c ew h e r et h ee n l a r g i n gp l a t e sa les e td i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y , a x i a l f o r c eo ft h ep i l ei sb a s i c a l l yd e c r e a s e dl i n e a r l y , s h o wt h a tt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h e p i l ei sp r o v i d e dm a i n l yb yt h el a t e r a lf r i c t i o no fp i l e s a st h el o a di n c r e a s e s ，i nt h e p l a c e sw h e r et h ee n l a r g i n gp l a t e sa r es e t ，p i l ea x i a lf o r c ec h a n g e ss i g n i f i c a n t l y , w h i c h m e a n st h a tt h ee n l a r g i n gp l a t e sc o m ei n t op l a y , i n c r e a s i n gi t ss h a r eo ft h el o a d ，w h i c h s u p p o r t st h er e a s o nt h a tv a r i a b l e s e c t i o np i l eh a ss t r o n g e rc a r r y i n gc a p a c i t yt h a nt h e s t a n d a r dd i a m e t e rp i l e a tt h es a m et i m e ，d u et ot h ei m p a c te n l a r g i n gp l a t e s ，t h er o l e p l a y e db yl a t e r a lf r i c t i o nw i t h i na c e r t a i nr a n g eo ft h ee n l a r g i n gp l a t e sw i l lb ea f f e c t e d ， e v e nn e g a t i v ef r i c t i o nc a l le x i s t m o d e l i n gt e s t sw e r ec a r d e do u ti nl a b o r a t o r y , a n dr e s u l t ss h o w e dt h a tf o r a v a r i a b l e s e c t i o np i l ew i t ho n ee n l a r g i n gp l a t eo rt w oe n l a r g i n gp l a t e sw h i c hw e r ew i d e i i i a p a r t ，t h es o i lm a s su n d e rt h ep l a t e sw a sc o m p r e s s e d ，w h i l et h es o i lm a s sb e t w e e nt h e p l a t e st e n d e dt oc o l l a p s ei nap e a rs h a p e w h e nt h ep l a t e sw e r ec l o s et oe a c ho t h e r ，t h e s o i lm a s sb e t w e e nt h e m i n t e g r a t e d w i t ht h e m t h es e t t l e m e n tc u r v eo f u n i f o r m - s e c t i o np i l ew a ss i m i l a r 、析t ht h a to fv a r i a b l e - s e c t i o np i l e ；h o w e v e r , t h es i d e f r i c t i o n ( i n c l u d i n gp i l es i d ef r i c t i o na n dp l a t eb o t t o mr e s i s t a n c e ) o ft h el a t t e rw a s m u c hh i g h e rt h a np i l ee n dr e s i s t a n c e ，r e g a r d l e s so ft h eq u a n t i t yo fp l a t e so ri n t e r v a l b e t w e e nt h e m f o rt h ev a r i a b l e s e c t i o np i l ew i t ho n ee n l a r g i n gp l a t e ，b e a t i n gc a p a c i t y o ft h e p i l e w a sc o n c e n t r a t e da r o u n dt h e p l a t e ，e s p e c i a l l y w h e nt h e p l a t ew a s c o n s t r u c t e di nt h em i d d l eo ft h ep i l ea n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yw a sr e l a t i v e l yl a r g e f o r t h ev a r i a b l e - s e c t i o np i l ew i t ht w oe n l a r g i n gp l a t e s ，t h ep l a t e si nt h eu p p e rs e c t i o nh a d h i g h e rb e a r i n gc a p a c i t yt h a nt h o s ei nt h el o w e rs e c t i o n ，a n ds ot h e ys h o u l d b e c o n s t r u c t e di nt h eu p p e rs e c t i o n ；i n t e r v a lb e t w e e nt h ep l a t e si n f l u e n c e dt h eb e a r i n g c a p a c i t yi na ni n s i g n i f i c a n tw a y f o rt h ev a r i a b l e s e c t i o np i l e 、 ，i t ht h r e ee n l a r g i n g p l a t e s ，i t sb e a r i n gc a p a c i t yw a sab i th i g h e rt h a nt h a t 州t l lt w op l a t e s a l li na l l ，t h e b e a r i n gc a p a c i t yo fv a r i a b l e s e c t i o np i l eh a sb e e ng r e a t l ye n h a n c e dt ot h ed e g r e eo f b e i n ge q u i v a l e n t 、桶t l lt h eu n i f o r m s e c t i o np i l eo ft h es a m ed i a m e t e ra st h ee n l a r g i n g p l a t e d i s t r i b u t i o no fa x i a ls t r e s sa l o n gv a r i a b l e s e c t i o np i l ei sd i f f e r e n tf r o mt h a to f u n i f o r m - s e c t i o np i l e w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a dl e v e l ，t h ea x i a ls t r e s su n d e rt h e p l a t e sd e c r e a s e ss h a r p l yd u et ot h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep l a t e s ，a n dt h er e s u l ti s i r r e l e v a n t 、i t l lt h eq u a n t i t yo rl o c a t i o no ft h ep l a t e s k e yw o r d s ：v a r i a b l e - s e c t i o np i l e ：e n l a r g i n gp l a t e ：m o d e lt e s t s ：l o a dt r a n s f e r r i n g ： i v 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 o 引言 青岛市“环湾保护，拥湾发展”战略的实施为青岛地区岩土工作者提出了崭 新的课题。特别是胶州湾沿岸广泛分布有面积较大的海相淤泥( 根据青岛市区 标准层序划分定位第层) ，该层软土具有三高三低的特点，即天然含水量高、 空隙比高、压缩系数高；抗剪强度低、渗透系数低、承载力低。拥湾发展战略实 施过程中如何处理青岛地区第层软土是一个不可回避的问题。 水泥土桩作为一种经济、快速的地基处理方法在软基处理工程中被广泛应 用，但是，因其工艺特点的局限性，导致水泥土桩的桩体强度不高、桩体强度因 地层的变化而相应变化、竖向承载时存在临界桩长、较高的桩侧阻力得不到充分 发挥等。这大大限制了水泥土桩的应用范围。 变截面桩是一种新型桩，是指横截面尺寸及( 或) 形状沿着桩身轴向而变化 的桩。这种桩在不同部位建立了扩大盘，使摩擦型桩更改为多变量的变截面端 承桩，改变了桩承载机制，大大提高桩的承载力，成本大大减少。国内国外在研 究变截面桩的承载力方便取得了一定的进展。方法有现场足尺试验，室内模型试 验，数值分析。虽然仍处在整体技术开发和试用阶段，国内外对变截面桩的承载 力原理及地基破坏机理的研究还不是很多，缺少对变截面桩承载力方面的深入理 论研究。对其荷载传递特性，沉降的特点，最合理的扩大盘问距尚未合理确定， 所以研究和推广变截面技术是当前面临的主要问题。在这种情况下，希望能通过 模型试验全面系统的分析变截面桩荷载传递的特点、基础破坏特点。在室内模型 试验的基础上，加以理论分析，指出最佳的扩大盘问距，对今后变截面桩的设计 提供参考。 变截面桩骣向承载特性模型试验研究 1 绪论 1 1 研究意义 1 1 1 变截面桩主要特点 变截面桩由于桩身几何形状沿桩身发生不规则变化而使得承载力特性发生 很大的变化，荷载的传递也变得不连续，这给研究变截面桩的桩一土之间的应力 扩散、相互作用和荷载传递函数推导带来很大的困难。但是，变截面桩能够充分 调动地基土和桩本身的承载潜力，使承载能力大大提高，与此同时能减少桩身沉 降量。因此，研究变截面桩的荷载传递特性、受力机理和优化设计方案是非常有 意义的。 与直杆桩相比，变截面桩的承载力机理具有其自己的独特性，可以归纳为以 下几点： ( 1 ) 变截面桩能够调动更多地基土分担承载力，从而获得较大的扩大盘端阻 力和桩端阻力； ( 2 ) 将桩顶荷载通过扩大盘传递到各层地基土中，从而使桩端荷载大幅度减 小，能充分调动桩身及不同地基土层的承载潜力； ( 3 ) 变截面桩由于扩大盘的存在使其与地基土的接触面积增大，能充分调动 桩一土之间的相互作用，增加桩身及地基土的稳定性； ( 4 ) 由于变截面桩具有良好的抗拔、抗压和抗弯力，因而提高了变截面桩的 抗震性能； 变截面桩承载能力成倍提高的原因 变截面桩与直杆桩相比其承载力能大幅度提高，并且具有极大的承载潜力。 其原因可以做以下归纳： ( 1 ) 变截面桩多处设置扩大盘，大大增加了桩身与地基土体的接触面积，从 而提高了单桩承载力； ( 2 ) 由于扩大盘挤压地基土体，使地基土体强度得到了提高，在承受荷载时， 扩大盘显示出很大的阻力，充分发挥了地基土的储备承载潜力； ( 3 ) 根据地基土性质，在不同深度的地基土层设置扩大盘，增大了接触面 且压密了地基土，在受压时，扩大盘将轴向荷载分级分配给不同地基土层，充分 利用不同地基土层较高的承载力，而不将荷载过多地传递到桩底，避免由桩端 2 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 持力层单独承受荷载，导致桩端持力层破坏。 1 1 2 变截面桩的施工工艺 实际工程中变截面桩的施工主要通过两种方法：一种是通过挤扩扩大盘成型 机挤密扩大盘周围地基土体形成的，挤扩变截面桩在成桩过程中由于是利用挤扩 设备把地基土体往外挤压而形成扩大盘的腔体，在这个过程中扩大盘周围地基土 体经历了一个受压同结的过程，地基土的压缩模量有很大提高，因此可以使盘底 地基土的承载能力大大提高，这对变截面桩提高极限承载力是十分有效的，但这 种施工方法的缺点是在挤扩成扩大盘时容易造成扩大盘上下部分土体的坍塌，影 响成盘质量：另一种方式是事先在变截面桩孔不同深度进行扩孔，然后灌注成型， 这种方式成盘质量较好，但是扩大盘底地基土体的承载能力没有提高。 扩大盘成型机是扩大盘成型的专用设备，通过液压，产生三维挤扩力，根据 压力值的大小反映地基土的承载能力。通过对扩大盘机位置的控制，能够掌握地 基土的持力层和扩大盘大小，能够保证达到承载力设计要求。 本试验研究的变截面桩在实际工程中的施工方法是，在桩身设计深度处利用 旋喷方法喷射形成扩大盘，然后将劲性芯材插入未凝固的水泥土中。 1 1 3 变截面桩承载力 一般用原型静载试验确定变截面桩的承载力比较准确，大多是根据桩的荷载 沉降曲线判定，桩的荷载沉降曲线反映桩一土地基的破坏为渐进破坏或者突变破 坏，然而国内外的很多学者都证实了变截面桩的荷载传递曲线是缓变型心1 ，且桩 即使达到极限承载力，桩一土破坏前也无征兆，桩的承载力是由桩周土的压缩提 供反力3 ，所以变截面桩极限承载的确定就出现了问题，现在对于这类缓变型的 荷载沉降曲线形的变截面桩在工程实践中一般都以沉降量来控制，通常取s = ( 4 0 6 0 ) m m 对应的荷载为极限荷载h 1 。但是不同的地基条件，不同的主桩径等 条件，桩达到极限承载力时的位移可能会不同，对于直杆桩承载力达到极限值 q 。所需的桩一土相对位移与地基土的类别有关，而与桩径大小无关，而对于桩端 发挥极限侧阻与桩的直径和桩周地基土有关旧，对于变截面桩有扩大盘的与桩周 地基土层有关3 ，所以根据桩身沉降量来判别极限承载力具有一定的局限性，而 且并不能直接反应桩周地基破坏的塑性区域范围及桩的承载机理，因此有必要寻 找新的方法来确定变截面桩的极限承载力以及观察桩的地基破坏情况。 变截面桩烃向承载特性模型试验研究 对于用桩的原型静载荷试验判定极限承载力虽然精确但是成本高，因此可以 考虑静力计算法，但是静力计算就需要对桩的承载机理有个很深的认识，目前针 对变截面桩的承载特性研究虽然很多，但是对于极限承载力的求解多是桩端极限 阻力和桩侧极限阻力的简单相加，并乘以一定的折减系数h 儿鲫，只是考虑了承载 力的不同步发挥而给予一定的折减，但是没有从破坏机理角度分析，极限承载力 都是有哪几部分构成，而桩的极限承载力是与桩的地基破坏相关的，所以有必要 在考察桩的地基破坏性状的基础上讨论桩的极限承载力公式，本文研究桩的几何 形状对变截面桩的极限承载力的影响，讨论几何形状对极限承载的影响，并根据 一定的破坏面形状推导破坏面的方程。 目前变截面桩的研究多集中在现场研究，工程现场足尺试验虽然能够准确反 映桩的实际承载现状，可信度较高，试验数据资料十分宝贵，但是试验所需成本 较高，控制条件差，最关键的问题是控制试验影响因素过多，难以根据所需各种 要求进行有针对性地研究，试验缺乏重复性。所以本文用室内模型试验来研究变 截面桩的几何尺寸对桩一土地基破坏性状的影响，针对性强，试验重复性好。 1 1 5 变截面桩的应用前景 变截面桩自初次使用以来，其使用率不断升高。迄今为止，已有上百座建筑 物使用了变截面桩作为基础形式。已建工程的监测资料证实变截面桩切实可行， 稳定性良好，沉降量小。变截面桩以其高承载能力和较低造价优势而受到开发商 的高度重视，假如全国能普遍应用变截面桩技术，每年将为国家节约近2 0 亿元 的投资。从施工技术及成桩效果看，变截面桩将在较大程度上取代传统钻孔灌注 桩及夯扩桩，并将在桩基工程中起主导作用。 1 1 6 存在问题 目前结合实际来看变截面桩这项技术工程运用效果显着，但整体上仍处于技 术开发阶段，对变截面桩的受力特性及荷载传递机理的研究还不是很多，在函数 计算方面虽然形成了一些地方性的规范，但是没有深入的对其荷载传递特点、地 基破坏情况最佳的盘扩大盘间距等问题进行理论研究和设计分析。因此研究和推 广运用变截面技术是当前急需解决的问题。 基于以上分析，变截面劲性水泥土桩兼有旋喷和搅拌工艺、变截面桩和劲性 水泥土桩的优势，在承受抗压和抗拔荷载的工程中具有广阔的应用前景。论文针 4 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 对这种变截面桩的抗压承载机理进行研究，选题具有一定的工程意义。 1 2 研究现状 1 2 1 变截面桩的荷载传递性状研究 变截面桩在试验初期，桩项荷载由桩直杆段侧阻力承担，随着加荷的增大， 扩大盘逐渐发挥作用，荷载大部分通过扩大盘转嫁到其下的土层上，传递到桩端 的荷载减小。这是变截面桩承力的特性，提高了变截面桩的极限承载力。 扩大盘底部土体的经过预压和挤密改变了物理性质，使得地基土承载能力大 为提升阳1 。这说明：在试验加载过程中，扩大盘一直发挥承力的作用，并将荷载 有效的转嫁到地基土层中。扩大盘分担的荷载比例越大，桩端承受的荷载越小。 1 2 1 1 国内研究现状 卢成原等n ，根据变截面盘桩的实际工作情况，设计出一套室内模型试验装 置来研究变截面桩的承载和地基变形特性以及影响因素，通过与等传统直杆桩的 对比试验表明变截面桩的承载能力远远高于直杆桩，并且对应极限荷载的沉降量 则要小得多。试验还证实扩大盘底地基土体的侧阻对变截面桩的承载力贡献很 小，在靠近盘底的直杆段甚至可能产生负摩擦阻力，设计时应给予充分重视。 钱德玲n “，对变截面桩进行了单桩静载荷试验和f e m 数值模拟，深入研究了 变截面桩的荷载传递机理和荷载传递规律，指出了扩大盘发挥作用的过程具有特 定的时间效应和互补效应以及与等直径桩型的不同点，指出了变截面桩具有高承 载能力和低沉降量的能力。 邓友生，龚维明，戴国亮n 2 1 ，对处于同场地的变截面桩和等直径直杆桩进行 抗拔性能的试验亚牛，结果在同地基场地条件下，采用变截面桩能提高极限抗拔 承载力，并可减少桩径和缩短桩长，节省材料的同事提高了承载力。 卢成原，孟凡丽，王章杰，周奇辉n 引，进行了非挤扩变截面桩、挤扩变截面 桩与等直径桩的室内模型试验，研究表明挤扩变截面桩的极限承载力远高于等直 径桩，而对应的沉降量要小于后者，由于挤密效应的影响，挤扩变截面桩的承载 能力也要高于非挤扩变截面桩，而对应的沉降量也小于后者，最后推出考虑了挤 扩变截面桩各种影响因素在内的的极限承载力计算公式。 崔余江n 制，通过3 6 根模型变截面桩和2 根现场足尺变截面桩的试验研究，分析 探讨变截面桩的受力机理及承载特性；同时收集调研3 2 1 根工程挤扩变截面桩资 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 料。室内外试验中，通过埋设在扩大盘部位的土压力盒和沿桩身布置钢筋应变计， 分别测试扩大盘分担荷载的传递规律。 吴兴龙5 1 ，通过工程试桩现场试验和有限元分析，对挤扩支盘桩的受力机理 进行研究，提出支盘的承载作用明显、挤扩支盘桩为摩擦多支点端承桩、支盘附 近的桩侧阻力有所下降等结论n 6 | 。 黄生根7 1 ，运用荷载传递法，结合工程实例对多级挤扩钻孔灌注桩的荷载传 递特性进行了分析，认为d x 桩承力扩大盘的荷载传递特性与摩阻力相近，而与桩 端阻力有显著区别；给出了承力扩大盘的荷载传递函数，建议在进行设计时，挤 扩支盘桩的承载力应由桩端阻力控制，并应有适量的沉降以充分发挥桩端阻力。 林小伟，吴杰，卢成原n 引，在不同成桩工艺对支盘桩承载性能影响的模型试 验研究中，通过队直杆桩，挤扩变截面桩，旋扩变截面桩的承载性能的研究，得 出挤扩变截面桩的承载力为等直径桩承载力的3 倍。旋扩变截面桩的承载力为等 直径桩承载力的2 6 倍。 卢成原，孟凡丽，吴坚3 ，戴林海根据挤扩支盘桩的实际工作性状，设计了 一个室内模型试验装置来研究支盘桩在不同土层中的荷载传递规律。试验表明， 双盘桩中的两盘无论是设在同一种土层还是不同的土层中，盘底压力的增长与荷 载的增加并不成线性关系，同时两盘承载力的发挥也不是同步的。当上下两盘处 在不同土层时，两盘的荷载传递规律相差悬殊，处在同一土层时相对比较接近， 但在桩达到极限承载力时，两盘并不能发挥相同的承载力。因此，在计算支盘的 端阻时不能简单地把其最大承载力相加。另外，还比较了3 种不同土层情况下双 盘桩的承载力和变形差异。 章雪峰，杨俊杰，盛宝亭，彭孔曙n 引，以相似理论为基础。采用原型粉粘土 和微混凝土挤扩支盘桩制作相似模型。通过对桩土共同作用模型中支盘桩的承载 能力、变形特征、土层的压力变化和桩土阻力及沉降关系的观测，分析了支盘桩 支盘的作用特性以及与全桩承载力的关系。另外，通过与等直径模型桩的对比。 表明了支盘桩的承载能力远高于等直径桩，并且相应的沉降变形则要小得多。 卢成原，珊珊，孟凡丽髓0 1 ，设计了一个室内模型试验装置来研究支盘桩的承 载和变形性能，对一个双盘模型支盘桩进行了5 次循环加载一卸载的试验。通过 对所采集的有关数据的研究，分析了该桩荷载传递的特点、桩身不同位置压力变 6 变截面桩怪向承载特性模型试验研究 化的特点和原因，特别是上、下两盘之间的土体对桩侧表面产生的摩擦力在不同 条件下会出现正负的变化；分析了离盘不同距离的土体在每次加载过程中的压力 变化情况，证明每次加卸载后桩周土体会建立起新的工作状态，直到多次重复后 达到稳定。最后对如何合理设计支盘桩的桩距、盘间距来保证其工作性能提出了 建议。 巨玉文，梁仁旺，赵明伟，白晓红担，结合实际工程，通过挤扩支盘桩的静 载荷试验和桩身轴力测试试验，深入地分析了竖向荷载作用下挤扩支盘桩的荷载 传递机理和变形特性，同时，给出了挤扩支盘桩的单桩承载力计算公式。结果表 明，挤扩支盘桩在加荷后期支盘承担5 0 以上荷载，且支盘阻力体现端承力的性 质；挤扩支盘桩与普通直桩相比，单桩承载力可提高6 0 一1 0 0 。 陈轮，海燕，沈保汉3 ，通过对挤扩支盘桩桩周土的开挖取样进行室内土工 试验，得出挤扩分支盘挤压应力对桩周土挤密效应所引起的土干密度的变化规 律，提出了挤密效应综合影响系数的概念和设计时应注意的有关问题。 巨玉文，穆希军，赵明伟瞳3 | ，用荷载传递函数进行q s 曲线的拟合；通过挤 扩支盘桩的单桩承载力计算分析，指出了挤扩支盘桩的承力特性具有明显的端承 性质，揭示了挤扩支盘桩高承载力和s 型q s 曲线的内涵汜利。 钱德玲担副，根据单桩静载荷试验的结果，全面系统地分析了挤扩支盘桩的承 载机理、荷载传递性状和f e m 模拟结果。通过计算分析，指出了扩大盘承力特性具 有明显的互补效应和时间效应以及与等直径桩的不同之处，探索了扩大盘桩低沉 降量和高极限承载力的原因。 周玲玲，李巨龙，李斌砼6 1 ，通过6 根挤扩支盘桩的单桩静载试验和桩身应力及 桩端反力测试试验成果，分析挤扩支盘桩在竖向荷载下的变形受力特征，揭示了 桩侧阻力的分布规律和发挥过程，计算了极限状态下端阻对桩顶荷载的分担比， 提出若将支盘阻力当作侧阻考虑，支盘桩属于摩擦桩范畴。还采用灰色系统理论 的灰色关联分析方法，揭示了支盘桩的承载性状。 钱德玲雎7 1 ，通过载荷试验证明，挤扩支盘桩由于桩身不同位置设置了多个支 或盘，使其荷载传递性状发生了根本的改变，因而它的承载力及沉降等方面也发 生了变化。通过室内模型试验得到的数据，研究了变截面桩的荷载传递特性，提 出了用经验公式计算变截面桩极限承载力时采用的安全系数，并应用于本次试 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 验，计算值与实测值较吻合，同时，还分析了挤扩支盘桩承载力的影响因素。 1 9 9 2 年北方交通大学做了变截面扩大盘混凝土灌注桩受力机理及承载力特 性的试验研究，并做了1 8 组不同扩大盘个数、不同扩大盘问距的数据测定，总 结出不同扩大盘问距或个数对承载力的影响和承载力的计算公式旧8 1 。1 9 9 4 年， 中国水利水电科学研究院对变截面桩土质挤密效果进行了试验，得出了不同土层 下挤密效果和成型规律陋9 1 。1 9 9 5 年在天津大学顾晓鲁教授领导下，在天津沿海 软土地区做了挤扩支盘桩的应力传递规律的实验研究。另外浙江工业大学的卢成 原、孟凡丽等啪1 通过模型试验探讨了挤扩支盘桩的挤密效应、成桩方法、抗拔 机理、水平承载性状、以及桩周土层的变化、加载模式的变化对挤扩支盘桩承载 力的影响。合肥工业大学钱德玲等嵋池矧通过模型试验和数值模拟研究了挤扩支 盘桩的抗压和抗拔特性、挤密特性、孔隙水压力消散荷载传递以及有限元模拟结 果，得出了支盘桩具有摩擦端承桩的特性，得到了承力盘具有明显的时间效应和 互补效应，指出了盘间存在应力叠加以及最佳盘问距和桩间距，还对破坏性状进 行了讨论，指出支盘下土体的局部剪切破坏是其破坏原因之一。太原理工大学巨 玉文，白晓红等m 3 剐啪3 主要通过现场试验对挤扩支盘桩的荷载传递机理和变形特 性进行了研究。1 9 9 8 年5 月贺德新高级工程师研制开发出新型的多功能液压挤 扩装置贺德新高工发展了d x 桩工艺，d x 多节挤扩灌注桩也是一种变截面桩。清 华大学的陈轮，北京建筑研究院的沈保汉等1 3 对d x 桩进行了大比例现场模型 试验和静载试验，得出了扩径体的存在使得扩径体下面出现应力集中，上部“临 空面，并探讨了扩径体数量、间距、形状对桩的受力性状及桩周土体应力情况 的影响，并分析了桩侧阻力和端阻力分担桩顶荷载比例的变化规律，得出扩径体 依次发挥作用，下端盘比上端盘在总极限承载力中占比例较大。 赵明华，李微哲，单远铭探讨了支盘桩的抗拔破坏模式，分析了支盘桩的抗 拔荷载传递机理及其主桩桩侧与支盘抗拔阻力沿深度的发挥特征。在充分考虑主 桩桩侧阻力和支盘分支周围土体摩阻力的影响，建立力极限状态下支盘桩抗拔平 衡方程，并给出设计计算方法与步骤。最后对影响支盘桩抗拔承载力的桩侧土体 强度、支盘受荷面与水平面的夹角、支盘数量与间距以及成桩工艺等主要因素进 行了定性的分析。 胡骏，陈海生，张航，汪晓丰对变截面桩的机选公式研究，从扩大盘的预压 8 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 作用、荷载传递、桩侧摩阻力的发挥和桩端阻力发挥等4 个角度研究了变截面桩 极限承载力得到提高的原因，并在分析提高变截面桩极限承载力原因的情况下， 改进了挤扩变截面桩的极限承载力经验公式，使其具有更强的实用性旧圳。 陈轮，常冬冬，李广信借助有限元法对竖向桩顶荷载作用下变截面桩桩身轴 力传递规律及桩周土的应力场变化规律进行了数值模拟。研究得出了桩一土应力 相对位移等值线，研究了扩大盘个数、扩大盘问距及扩大盘形状对变截面桩极限 承载力的影响，进一步揭示了变截面桩的竖向承载机理h 引。 蒋力，陈轮通推导出了桩身带有局部扩大盘的抗拔变截面桩的荷载一沉降关 系的解析解。该解析解可有效的反映桩体的变形以及桩周土在发生剪切破坏以前 的变形等因素的影响，利用这种发发计算变得更加简便，且可较好地反映变截面 抗拔桩在实际工作状态下的荷载一沉降关系，可为变截面抗拔桩的优化设计提供 参考4 。 钱德玲h 羽借助三维有限元数值模拟仿真技术，研究了新型变截面桩的受力荷 载传递特性、受力情况和竖向荷载作用下位移场及应力场的变化情况。并在分析 研究的基础上根据应力场变化的情况，指出了变截面桩的最合理扩大盘问距、群 桩设置的桩间距，为变截面桩的合理设计提供了有力的参考。 1 2 1 2 国外研究现状 国外研究变截面桩的较少，国外关于变截面桩的报道以日本居多。土屋勉h 蚰 等介绍了多翼钢管桩的承载性能，这种桩就是在钢管桩桩身的不同部位分别焊上 一圈螺旋形翼环，象钻机一样直接钻入土层中，直径从底到顶逐渐变大，这样可 方便施工提高承载力，这种桩施工时具有低振动、低噪音的优点5 】。o g u r ah h 6 3 介绍了类似竹节桩的一种桩型( n o d u l a rc y l i n d e rp i l e ) 在砂土中的模型试验、足尺 试验情况，证实了其承载力远远高于同直径的等直径桩，并且对荷载一沉降曲线 进行了理论分析h 7 1 。 印度的d m o h a n h 踟早在1 9 6 9 年就在小范围内对变截面桩进行过小规模的试 验和应用，并探讨了最佳扩大盘的间距h 引 on e i l l 伽1 等人指出，桩周极限摩阻力通常在基桩沉降量达到5 一1 0 唧时完全发 挥，而桩极限端承力通常在沉降量达到桩径的1 0 以上时才完全发挥。因而力先 于端阻力发挥出来，且靠近桩身上部土层的力先于下部土层发挥。 9 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 总结文献看出前人对变截面桩何在传递研究的成果，主要从三个方面入手： 理论研究、试验研究和数值模拟研究。就理论分析来说，参数假定、模型假设或 多或少都与现实情况有一定偏差，因此结果容易产生较大的误差；随着计算机技 术的发展数值模拟方法现在被广泛应用，其中有限元方法是在实际工程中应用最 为广泛的方法，有限元思想是建立在连续介质的假定前提下的畸，然而土体是一 种松散介质，因此应用起来就显得粗糙了些；对于试验研究来说主要集中于室内 模型试验和现场足尺试验两种方法，考虑到现场工作量繁杂，试验历时长，耗资 是重要的问题，而且所得数据不具有广泛的代表性，较难得出普遍的规律；相比 较而言室内试验不失为一种经济有效的手段。根据相似理论，将桩与地基土相互 作用关系建立在一个模型内，可更全面的研究变截面桩的工作特性，更可以控制 影响因素，重点研究主要变量之间的关系。 1 2 2 极限承载力计算方法研究 ( 1 ) 试验法 对于直接法中的静载荷试验，对于变截面桩的缓变型q s 曲线一般按规范池1 ， 可根据沉降量确定，宜取s = 4 0 m m 对应的荷载值；当桩长大于4 0 m 时，宜考虑桩身 弹性压缩量：对直径大于或等于8 m m 的桩，可取s = 0 0 5 ( d 为桩端直径) 对应的荷 载值，由于静载试验设备、条件等限制在工程实践中，很多静载试验难以达到真 正破坏状态这时桩的竖向抗压极限承载力应取最大试验荷，何根据已获得的实测 数据，合理地判定单桩极限承载力则是设计面临的重要问题。常用的有方法有沉 降速率法( s 培法) 、双曲线线拟合法、指数方程法、全对数法( 1 9 s l g q ) 、 斜率倒数法等。而用不同的方法确定的极限承载力常常有很大出入，所以对于针 对不同的桩型选择其适合的方法很重要。 我国建筑基桩检测技术规范方法是对于缓变型的荷载沉降曲线用位移 控制法；m e r e a l o x 建议以下述比例尺画p - s 曲线横坐标为荷载，l c m 为5 t ；纵 坐标为桩顶下沉量，l c m 为l m m 下沉量，这样曲线上相应于曲线急剧下降的荷 载为极限荷载。南京水利科学研究所魏汝龙建议绘制采用p 轴与s 轴成2 ：3 比例， 认为这种情况下选定的转折点为极限荷载。 s c h e n c k 提出，p - s 曲线往往由弧线过渡为斜降的直线，此时以直线段的起点 为极限荷载。m a n s u r 、k a u f m a n 提出了切线交会法，取p s 曲线起始较平缓部 l o 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 分和末端较陡部分的交点为极限荷载。日本港湾工程设计标准采用屈服荷 载确定单桩极限承载力，认为屈服荷载是p - s 曲线上最小曲率半径的荷载。此 外，波兰m a z u r 、k i e w i c z 提出用外插法求极限荷载，被称为波兰法隋3 | 。 由于挤扩支盘桩荷载沉降曲线为缓变型，不出现显著转折，因此很多学者 研究转换坐标的方法来确定极限荷载，常见的有百分率法，l g p - l g s 法( 双对数 法) 、逆斜率法、s - i g p 法，p a s a p 法 此外还有很多规范都根据经验采用根据p - s 曲线下沉增量与荷载增量的比 值来确定极限荷载，还有根据经验由桩顶下沉量来确定极限荷载 由于实际中很多情况不可能加压到极限荷载下，所以在没有达到破坏之前 预测极限荷载就显得十分重要，一般都是采用曲线拟合，由于变截面桩的承力 盘顺序效应瞳1 ，所以q - s 曲线会出现台阶，很多拟合效果不好，所以提高拟合 度和精度成为预测变截面桩的重要问题 周国林 5 钔根据灰色系统理论中的预测模型g m ( 1 ，1 ) 和残差g m ( 1 ，1 ) 模型，提 出了一种新的预测单桩极限承载力的方法。并利用工程实例分析证明了该方法的 准确性 赵明华，胡志清嵋鄙对大量的单桩垂直静载荷试验资料按目前常用的几种p - s 曲线拟合方法进行了对比分析，双曲线法拟合精度较高，但仍然存在较大误差， 提出了调整双曲线模型，它能自动调整线弹性变形塑性变形阶段的特性，使拟合 精度变高，稳定性增强。 张怡权，夏柏如嘲1 以函数q = q ( 1 一a e 一嬲) 对多分支承力盘桩单桩静载荷试 验数据进行曲线拟合，推定单桩极限承载力，结果表明这种方法在工程预测上是 可行的。 高笑娟等7 1 用双曲线方法对1 1 0 根挤扩支盘桩的极限承载力进行预测，结果 表明由于支盘桩受力性状复杂，加载前期和中期预测精度较高，后期较低，误差 超过1 5 ；扩盘的沉降曲线出现台阶时预测值与实测值误差较大 杨群等呻3 用二次曲线对o - s 曲线进行拟合，利用遗传算法对模型参数进行求 解，推算单桩极限承载力。结果表明拟合效果较好，用遗传算法求解二次趋势线 模型具有求解速度快、计算精度高、算法控制参数简便、通用性强等优点。 ( 2 ) 极限承载力计算 变截面桩竖向承载特性模型试验研究 吴兴龙瞄们等提出变截面桩的极限承载力由扩盘阻力、桩端阻力、桩侧阻力 组成的极限承载力经验公式，经验公式考虑了桩侧阻力尺寸效应系数、施工工艺 系数等影响因素，考虑到不是每个支盘都能达到极限值，乘以总折减系数r l 火力发电厂支盘桩技术规程叩中给出了根