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湿陷性黄土中挤扩支盘桩受力性状研究

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科技通报 第23卷第2期 Vo1.23 NO.2 20o7年3月 BULI TIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Mar.20o7 湿陷性黄土中挤扩支盘桩受力性状研究 高笑娟1,2,3朱向荣 (1.浙江大学岩土所,杭州310027;2.河南科技大学建筑工程学院.河南洛阳471003; 3.浙江大学宁波理工学院.浙江宁波315104) 摘要:湿陷性黄土具有遇水发生湿陷、承载力大幅度降低的性质,这种性质直接影响到基础的承载 力。本文对湿陷性黄土中的三根支盘桩进行预浸水静载荷试验。结果表明,支盘桩荷载一沉降曲线为缓 变型,具有良好的承载性能,荷载传递规律与在非湿陷性黄土地基中具有相似的性质,桩身各段承载力 的发挥具有明显的顺序性,本文结果为湿陷性黄土地基中支盘桩的应用提供了比较可靠的依据。 关键词:湿陷性黄土地基;挤扩支盘桩;顸浸水;静载荷试验 中图分类号:TU473.11 文献标识码:A 文章编号:100l一7119(2007)02—0237—06 Mechanical Behavior Study of the Squeezed Branch Pile in Collapsible Loess Foundation GA 0 Xiao-juan ' ̄,ZHU Xiang-ronga (1.Institute of Geotechnical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 3 10027,China; 2.Institute of Architecture Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 47 1003,China; 3.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang Univesrity,Ningbo 315140,China) Abstract:As a special geological phenomenon,the character of collapsible loess foundation is collapse when penetrated by water,this character leads the foundation lose load capacity largely.Three squeezed branch piles are tested in col— lapsible loess foundation after prewatering processing.The results indicates that the load transfer law of squeezed branch pile is similra to that in the ordinary soil.The velocity of load—settlement curve changes slowly and the pile has high load capacity.The principle of load transfer has apparendy sequence.This results may be used for reference to the same kind of construction project. Key words:collapsible loess foundation;squeezed branch pile;prewatering;static load test 约占中国黄土分布面积的60%左右,厚度最大 0 引 言 达30 m左右IlI21。湿陷性黄土的一个显著特点是 遇水发生湿陷。承载力降低.这种性质直接影响 黄土作为一种常见的工程地基。在世界各地 到基础的承载力。湿陷性黄土中的一种有效的基 分布很广,面积达1.3xlO km 。约占地球陆地总 础形式就是桩基础。用量达20%~30%131。挤扩支 面积的9.3%。我国黄土分布面积约为6.35x105 盘桩是近几年在我国发展起来的新桩型.通过在 km2,占世界黄土分布的4.9%左右。湿陷性黄土 桩穿越的各硬土层设置承力盘和分支的方法将 收稿日期:2005—10—14 基金项目:河南省科技攻关项目(991150103) 作者简介:高笑娟(1973一),女,河南偃师人,浙江大学博士生。 维普资讯 http://www.cqvip.com

238 科技通报 第23卷 传统的等截面灌注桩改变成多个端承面的摩擦 端承桩.充分提高了桩的端承能力。通过多项工 状.对三根挤扩支盘桩进行了现场静载荷试验, 在试验前对桩预浸水,使黄土发生湿陷。分析了 支盘桩的承载力和沉降的发展规律,为该桩型在 湿陷性黄土中的应用提供了依据。 程实践证明,与同样直径的普通灌注桩相比,每 立方米砼完成的承载力可以提高50%以上,同时 其沉降变形大大减小 。支盘桩的承载力要远远 高于等直径桩.在合适的地质条件下,钻孔挤扩 支盘桩可以大幅度提高单桩承载力,具有很好的 经济效益和社会效益[51。支盘桩单桩承载力及其 试验桩位于洛阳地区湿陷性黄土地基某工 1 工程地质概况 比普通直线桩的增幅量,与桩周土的性状有密切 的关系。当前支盘桩在非湿陷性黄土中的应用已 程场地中,由地质勘查资料可知,该区场地土的 湿陷等级为Ⅲ~Ⅳ级,属于严重的湿陷性黄土地 基.湿陷土层的厚度不一,在300 kPa压力下,湿 陷性土下限深度约为11.6~12。6 m。场地工程地 质条件如表1: 经相当广泛,取得了很多成功的经验。但是,还没 有关于支盘桩在湿陷性黄土地基中应用的报道。 为了研究支盘桩在湿陷性黄土地基中的承载性 表1场地土的工程地质概况 Table 1 The soil properties oftest site 底铺10 om的石子。试验前和试验中,向浸水坑 2 钢筋计的安装及浸水试验 由于支盘桩在湿陷性黄土地基中的应用较 内注水。水头保持30 cm。浸水时间不少于7 d, 每根桩浸水约252 ms.浸水孔布置见图2。静载 试验时.为测得桩端阻力及桩侧摩阻力的分布情 况.每根试桩根据验槽记录在桩身主筋上埋设五 层10个钢筋应力计,钢筋应力计的安装方法如 少,缺乏相关资料,因此,为了确切了解湿陷性黄 土地基中支盘桩的承载性能,为工程设计提供切 实的依据,对场地内三根试验桩进行静载荷试 下:钢筋应力计分5层设置,每层对称设置于2根 纵向钢筋上。在钢筋计安装位置将纵向钢筋切断, 钢筋计两端焊接于纵向钢筋上,保持钢筋计中心 与纵向钢筋中心一致。引出线沿与安装钢筋计相 验。支盘灌注桩设计桩径0.6 m,桩长约23.0 m0 实际成桩直径0.62 m。桩长24.0 m。试验装置为 锚桩反力梁结构.锚桩为试验桩周围的工程桩, 加载采用慢速维持荷载法。试验桩位置见图1。 静载荷试验前先对三桩预浸水,在试桩桩周均布 4个直径200 mm浸水孔,孔深穿越湿陷性黄土 层,与试桩底端相同,孔深约23.0 m,孔内以粗砂 充填。后挖一直径2.6.m、深1。7 m的浸水坑,坑 邻的主筋固定(每隔20 cm用扎丝固定),从桩顶 下0.5 nl沿桩两侧引出桩身,桩身分段及钢筋计 安装位置见图3。静载试验前取土样对桩周土的 浸水效果进行检测。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 I#试桩 湿陷性黄土中挤扩支盘桩浸水试验研究 2#试桩 3#试桩 锚桩 239 =、、Ml / 、、、 、 、M2 / =_、M3 』 , , , . . 77 -4.10 地层类型 厚度(m) 深度(m】 匕/善 ●—— I l- ~ , \、 、— i / 二 , _ 星 . lI 、M5 ■、M6 t、 \ 一, 、M7  /, i、 _, , { /———一一 8 1. 2段 (1)黄土状 \ Il 粉质牯土 8.50 8.50 3段 图1试桩及锚桩位置图 Fig.1 Location of test and anchor piles r. 世 l ll一 8 3. 4段 (2)黄土状 Il 4. -5段 ——一粉质牯土 9.20 l7.70 (3一I) l 50 l9.20 r∈ = Ilh 8 ∈ 三 l段 r(3-2) 2.5o 21.70 (33) -1.50 23.20 (3)黄土状 粉质牯土 (3-41 3.00 26.20 图2浸水孔布置图 Fig.2 Location of penetration holes 图3试桩详图 Fig、3 Sketch of test piles 阻力曲线几乎重合,支、盘承载作用表现比较明 3 单桩低、高应变试验 静载试验前对试桩进行了低应变完整性检 显,说明两桩支、盘位置在相同高度,分支和承力 盘的阻力发挥比较充分。1 桩上部分支分担的阻 测,检测结果表明试桩桩身完整,均属于I类桩, 满足静载荷试验要求。试验桩的基本情况见表2。 浸水前对3根试桩进行了高应变对比检测. 测出桩侧阻力分布见图4。 从高应变检测的桩在极限荷载下的侧阻力 分布曲线可以看出,在有支、盘的部位.桩侧阻力 显著增加,说明支、盘的承载作用发挥比较充分 其中分支处的阻力明显的小于承力盘的阻力.这 是由其本身的几何形状和所处的土层位置决定 的。极限荷载作用下,下部两个承力盘和桩端承 担的荷载占5l%、51.8%、54.9%。2 桩、3 桩的侧 表2试验桩基本情况表 Table 2 Property of test piles 图4桩侧阻力分布 Fig、4 Distribution of resistance along the piles side 维普资讯 http://www.cqvip.com

科技通报 第23卷 力大于其它两桩.但是上部承力盘阻力的发挥远 浸水后支盘桩的静载荷试验曲线为缓变型, 远小于其它两桩.承力盘下部直桩段侧摩阻力及 桩端阻力又大于其它两桩。说明上部承力盘的位 置明显上移.且承载力发挥不充分.这可能是施 Q—s曲线没有出现陡降段.支、盘的存在使桩的受 力表现出端承桩的性质.说明支盘桩有足够的承 载潜力.不会出现突发性的破坏,证明了支盘桩 属于摩擦多支点端承型桩的结论嘲。 5.2各级荷载下桩身轴力分布 工时的误差或其它原因造成承力盘的位置上移 的缘故。也说明了承力盘端阻力的发挥与桩周土 的性质密切相关.由工程地质勘查资料可知.2 、 3 桩下部承力盘所处土层的承载力明显高于1 桩承力盘实际所处位置土层的承载力。因此.在 设计支盘桩时。应尽量使承力盘位于承载力高的 土层中,以提高支盘的承力效果。 桩顶每级荷载作用下.桩身各断面轴力的分 布见图6~8。 由三桩的桩身轴力传递曲线可以看出,预先 浸水发生湿陷的黄土地基中,支盘桩的荷载传递 过程与文献【7,81中非湿陷性黄土地基中具有相似 性。由于桩身分段的关系,支、盘的端阻力无法单 独表示出来.只是与其相邻的摩阻力划分在一个 4 支盘桩的静载荷试验 试验桩按照规定浸水完成后对其进行静载 荷试验.测得各桩的极限承载力和对应的桩顶沉 降见表3。各桩的承载力均达到设计要求。 桩段。因此,桩身轴力传递曲线没有出现明显的 “台阶”.即支、盘的卸荷作用表现不够直接,但是 从曲线的发展趋势上看.轴力从桩顶向桩端传递 过程中.曲线斜率较大.荷载衰减较快,这是支、 盘端阻力发挥的结果。荷载逐级向下传递时,下 部承力盘和桩端阻力逐渐发挥出来。最初加载 时.第五段阻力分别占桩顶荷载的5.1%、3.8%、 5.1 Q—S关系曲线 5静载荷试验结果分析 3.0%:当达到极限荷载时,第五段承担的荷载分 别占桩顶荷载的比例为20.9%、24.3%、24.9%。当 各桩桩顶荷载Q与桩顶沉降s关系见图5。 表3单桩浸水静载荷试验结果表 Table 3 The results of prewatering static test single pile 桩顶荷载/kN 0 O 500 l1300 l500 2O00 2500 3O00 3500 4OOO 5 g g \ 10 遨 蜉 聪15 2O 25 图5试桩Q-s曲线 Fig.5 Q-s curve of test piles 图6 l-桩轴力一深度曲线 Fig.6 Axis load-depth curve of pile l 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 湿陷性黄土中挤扩支盘桩浸水试验研究 241 图7 2 桩轴力一深度曲线 Fig.7 Axis load-depth curve of pile 2 Z ‘ \ 握 图9 1 桩各段分担荷载与桩顶沉降关系 Fig.9 Part load-top settlement curve of pile 1 达到极限荷载以后再加荷,桩侧承担的荷载基本 保持不变,增加的荷载大部分传递到桩端,此时, 第五段承担荷载分别占总荷载的32.9%、36.2%、 33.1%。说明侧面摩阻力以及支、盘的承载力都发 挥到了极限,这时对应的桩顶沉降不断增加,支 盘桩达到破坏 5.3桩身各段分担荷载与桩顶沉降的关系 把三桩桩侧各段承担荷载随桩顶沉降的变 化情况表示如图9~ll。 从图9~ll可以看出桩身各段的阻力随桩顶 沉降的发展过程。三桩存在的共同特点是加载开 始时,各段承担的荷载都在迅速增长,说明支盘 桩的各部分一开始就承担了一部分的桩顶荷载。 其中3~4段阻力增长速度较快,最先达到极限 值。究其原因,可能是由于3~4段只有侧摩阻力, 而且长度相对较短的缘故。l 桩3~4段在桩顶沉 降为3.09 mm时承载能力基本上已经发挥殆尽。 沉降为4.03 mm以后承载量又有所增加。不过增 桩身轴力/kN O 50o lO00 l50o 2O00 2500 3000 3500 4OO0 O 5 1o 15 20 25 图8 3 桩轴力一深度曲线 Fig.8 Axis load-depth curve of pile 3 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 册 加 0 8 6 4 2 Z ‘ \ 妲 地 l 1 互l 柱 地 桩顶沉降/mm 图l1 3 桩各段分担荷载与桩顶沉降关系 Fig.1 1 Part load-top settlement curve of pile 3 加的幅度不大:2 桩为4 mm;3 桩为4.66 mm, 都小于5 mm。因此对于本工地的三根试桩来说, 3~4段承载力发挥到极限所需的桩顶沉降都在5 mm以内。随后1~2段、2~3段的承载力相继达到 最大值。l 桩由于2~3段分支上移。该段分担荷 载减少.1~2段的承载力得到补充.从图9上看。 维普资讯 http://www.cqvip.com

242 科技通报 第23卷 2~3段的极限承载力只高出l~2段10.1%;2 桩、 本次试验为支盘桩在严重湿陷性黄土中的 3*桩2~3段由于分支的存在,该段承载力比l~2 应用提供了依据,但是没有考虑桩侧负摩阻力的 段有较大提高,分别高出32.3%和27.6%。4~5段 影响,在实际工程中采用支盘桩时,应根据自重 在达到桩极限承载力以前承担荷载一直处于增 湿陷土层的分布及自重湿陷量等因素考虑桩侧 长状态,但是在桩顶沉降达到5 mm以后增长速 负摩阻力的影响。 度变慢。6段分担的荷载一直增长迅猛,当支盘 桩达到极限承载力时,桩身上部各部分的承载能 参考文献: 力都发挥到了极限,此后增加的荷载几乎全部由 [1] 杨晋营.湿陷性黄土地区渠道基础处理及防渗措施[J]. 该段承担。 水利规划与设计,2004(3):61—64. [2] 王军平.对深厚湿陷性黄土地基处理的探讨【J】.西北 6 结 语 水电,2004,4(2):41-43. 『3] 时伟,刘继明,王磊.湿陷性黄土中单桩竖向承载 力的发挥性状分析『J1.青岛建筑T程学院学报,2003, 湿陷性黄土地基中支盘桩浸水后的荷载传 24(1):l 1-12. 递过程与其在非湿陷性黄土地基中的荷载传递 [4]卢成原,孟凡丽,王章杰,等.非饱和粉质粘土模型支 过程具有相似性。 盘桩试验研究『J1.岩土工程学报,2004(4):252—255. Q—S曲线为缓变型,证明支盘桩为摩擦多支 『5]巨玉文,梁仁旺,白跷红,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(6):34— 点的端承桩; 38. 高应变试验和静载荷试验结果都表明支盘 『61 吴永红.多支盘钻孔灌注桩基础沉降计算理论与方法 桩的荷载传递具有明显的顺序性,最初加载时, 『J1.岩土工程学报,2000(5):528—531. 各部分都承担一部分的荷载,但主要由上部承 [7] 钱德玲.挤扩支盘桩受力性状的研究[J】.岩石力学与 担,随着荷载增加,荷载逐渐向下部至桩端传递。 工程学报.2003(3):494—499. 对于本工地来说,桩顶沉降为5 mm时各部分承 『8] 巨玉文,梁仁旺,赵明伟.挤扩支盘桩承载变形特性的 担的荷载有较大的变化。 试验研究[J1.建筑技术,2003(3):178—180. .‘止.‘止.‘止.‘止.‘‘.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止.‘止—址.‘止.‘止.‘止.‘止—址—址.‘止.‘止.‘止.‘止—址—址.‘止 (上接第236页) 4)相邻建筑物的桩基施工引起的土体净位移 [J].工程力学,2001,17(4):7-12. 不可忽视。群桩的遮幕作用显著。 [2]Jin-Hung Huang,Neng Liang ̄Cheng-Hsing Chen.Ground 5)土塞作用显著,较长管桩的挤土效应与实 response during pile driving[J].Journal of Geoteehnieal 心桩相差不大1 and Geoenironmental engineeirng,2001,127(11):939— 949. 6)要准确地描述静压桩挤土过程需要考虑静 [3] 邵 勇,夏明耀,预估打桩引起邻近结构物桩基位移 压桩机的作用。 的新方法[J].同济大学学报,1996,2l(2):136—141. 本文仅是一例观测结果,尚不足以反映普遍 [4] 王 恒.预应力管桩及挤土效应的研究【D】.杭州:浙江 规律,建议多做现场测试,进一步分析总结以利 大学硕士论文.2002:68. 深入研究 [5] 罗战友,静压桩挤土效应及施工措施研究【D】.杭州:浙 江大学博士学位论文.2004:38. 参考文献: [6] 汪鹏程.软化剪胀土中孔扩张理论及沉桩挤土性状研 究【D1.杭州:浙江大学博士学位论文,2005:101. [1] 龚晓南,李向红.静力压桩挤土效应的若干力学问题 

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