竖向拉力下挤扩多盘桩盘间距对破坏机理影响试验研究★

钱永梅 梁松廷 李晓周 翟 莲

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118； 2.吉林省结构抗震技术创新中心，吉林 长春 130118)



·岩土工程·地基基础·

竖向拉力下挤扩多盘桩盘间距对破坏机理影响试验研究★

钱永梅1，2梁松廷1李晓周1翟 莲1

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118； 2.吉林省结构抗震技术创新中心，吉林 长春 130118)

在挤扩多盘桩现有的研究成果的基础上，通过半面桩小模型原状土试验，研究了竖向拉力作用下，挤扩多盘桩的盘间距对桩周土体破坏机理的影响，明确了合理的盘间距取值，为竖向拉力作用下挤扩多盘桩的承载力计算及工程设计提供了可靠的理论依据。

竖向拉力，挤扩多盘桩，盘间距，破坏机理，原状土试验

1 概述

挤扩多盘桩适应性强，可在多种土层中成桩，不受地下水位限制，且单桩承载力高、桩身稳定性好，并具有良好的抗拔性。所以，目前这种新型的变截面桩技术在国内发展迅速，理论研究也有了较大的进展，已经基本形成了的单桩承载力计算公式[1,2]，但是计算公式中仍然有部分影响因素没有定量地确定，而未知的影响因素主要集中在盘参数[3]对挤扩多盘桩单桩承载力的影响上，对于这些未知的因素研究的欠缺限制了挤扩多盘桩的发展，是该型桩推广中急需解决的问题[4]。因此，本文将在现有研究的基础上，继续探究在竖向拉力下，盘间距对挤扩多盘桩桩周土体破坏机理的影响。目前关于盘间距对挤扩多盘桩抗拔承载力的影响，已经完成了有限元模拟部分，还有试验部分尚有欠缺，本文将采用更能反映实际桩土相互作用情况的小模型原状土试验，并将试验结果和有限元分析的结果相对比，得到挤扩多盘桩抗拔桩设计时，合理的盘间距范围，通过本文的研究，将为挤扩多盘桩的设计和应用提供可靠的依据。

2 试验方案

2.1 试验桩模型

试验的试件共分6组，每组试件主要由一个桩模型和相应的土样模型构成，试件规格见表1。

表1 小比例半截面模型桩尺寸参数值

由于是模拟桩土相互作用，桩体一般不会发生破坏，所以用钢桩来代替混凝土桩。由于是研究盘间距对扩盘桩抗拔承载力的影响，所以设置2个承力盘，其余具体参数在前人研究的基础上进行确定[5]。由于主桩径、盘径、盘高、盘间距等参数相互之间有影响，为了准确说明相对关系，使研究参数有普遍指导意义，故盘间距取两个承载扩大盘之间的净距离，用S0表示，承力盘的悬挑长度用R表示，S0与R的比值用N表示，并将N=2～7的桩分别编号为1～6。6组模型桩的模型尺寸数值如表1所示(其长度单位为mm，坡脚单位是(°))，模型桩的实体图如图1所示。

2.2 加载台和取土器

加载台是我们自主设计并制作的进行试件加载的平台[6]，其设计图和实体图如图2所示。

取土器是提取原状土的设备，长宽高为(300×300×300)mm，厚度为3 mm，材料为钢板。取土器的实体图和相关附件如图3所示。

另外，本试验所采用的加载千斤顶最大量程是2 t，测量仪器是精度为1 mm，量程400 mm位移计。

2.3 试验步骤

根据地质勘探报告，原状土的选取地点是长春市经济技术开发区某回迁住宅项目施工现场。将取好原状土的取土器运输到实验室，进行埋桩[6]。取土和埋桩主要步骤包括：1)挖基坑；2)摆放取土器；3)压入取土器；4)挖出取土器；5)表面清理；6)封存；7)拆卸埋桩面钢板；8)埋桩；9)复原钢板。

试验之前，要对千斤顶和位移计的灵敏度进行检测，并对试验装置本身进行验证，当一切准备就绪后，即可进行正式的试验。试验的主要过程是：将取土器放置到加载台→桩编号→安装玻璃→调整位置→安装固定横梁→安装拉杆→安放千斤顶→固定位移器[6]，然后便可进行加载试验。

3 试验结果整理分析

3.1 试验结果整理

按上述步骤完成试验，并收集试验中的图像信息。由于收集到的图像信息较多，为便于试验结果分析，现列出1号～6号模型桩加载到破坏时的情况，如图4所示。

从图4中的信息分析，可以得到以下结论：

1)当模型破坏时，盘上一定范围内土体发生的是滑移破坏，有明显的弧线形水印。模型1、模型2的上盘很明显，模型5、模型6的下盘比较明显，而模型3、模型4的上、下盘都比较明显。这是因为模型1、模型2的上、下盘间距较小，下盘的破坏状态受到上盘的影响，因此破坏曲线不明显，模型5、模型6这两个模型最上面的承力盘距离土体表面的距离比较近，上盘发生了冲切破坏，因此没有滑移破坏出现。而模型3和模型4，盘间距比较合适，上盘距土体表面的距离也比较合理，因此上、下盘的盘上土体破坏的形态都比较明显且完整。

2)从模型1和模型2破坏的图形中可以看出，由于上、下盘间距较小，这两个模型两个承力盘之间的压缩水印联通了双盘之间的区域，在这个联通区域内的土体会随着盘的移动而发生共同的剪切破坏。这时并不能很好的发挥每个承力盘的抗拔作用，而从模型3之后，双盘之间的土体区域在拉力作用下没有被联通，这时双盘之间就能独立发挥抗拔的作用。这说明合理的盘间距是N≥3。

3)从模型5和模型6破坏时的图形中可以看出，上面承力盘上的土体被冲切开了，这是因为承力盘与上面的土体的距离太近，导致土体发生冲切破坏，这样会影响挤扩多盘桩的抗拔承载力，所以，在设计挤扩多盘桩的承力盘时，盘上土体的厚度是一个非常重要的影响因素[1]。因为要保证上盘与土体表面的距离，又要保证盘间距，所以承力盘的间距也不宜过大，否则会增加桩长，因此，一般N≤5，故合理的盘间距取值范围N=3～5。

3.2 试验结果对比分析

将模型试验过程中收集到的荷载位移数据形成图5，相应的有限元分析中得到相应的荷载位移曲线[7]如图6所示(N=2～7的模型(桩1～桩6)在有限元分析中编号为CE2～CE7分别对应原状土试验中的1号～6号模型)。

1)从图5中可以得到以下结论：

a.通过对位移荷载曲线图的分析，由于试验加载和有限元分析加载的控制变量不同，因此形成的曲线横、纵坐标不同。但从整体上看，随着位移的增大，荷载都是逐渐增大的。其中2号桩和3号桩的荷载—位移曲线明显异于其余桩的，主要原因是这两个桩的试验过程出现了意外的情况，这在后面的论述中，会详细分析这种情况产生的原因。

b.从1号桩，4号桩，5号桩，6号桩的荷载位移曲线的对比可以看出，在拉力作用下，向上提升相同的距离，需要的拉力从小到大分别是6号桩，1号桩，4号桩，5号桩，说明其抗拔承载力从小到大的顺序也是6号桩，1号桩，4号桩，5号桩。

c.6号桩的抗拔承载力最小，是因为由于盘间距取值过大，最上面的承力盘距离土体表面的距离太小，致使其上土体在很早的时候发生了整体的冲切破坏，承力盘失去了抗拔作用，所以6号桩的抗拔承载力比较小，这个结果也和有限元模型中的结果一致[6]。1号桩，4号桩，5号桩其抗拔承载力逐渐增大，这是因为1号桩的盘间距比较小，而4号桩，5号桩的盘间距比较合理。这个试验结果和有限元模型中的结果[6]和图形破坏时的图形结果一致。

2)从图6中可以得到以下结论：

a.桩的位移都随着荷载的递增而增加，开始时位移的变化速率小，随着荷载的增大位移的变化率逐渐增大。

b.CE2模型位移的变化速率略微高于CE3模型、CE4模型，并和CE5模型基本保持一致。说明了盘间距过小，位移随着荷载的增加，其增长速率会略大于盘间距大的模型。并且，从图中还可以看出，各个模型在900 kN时候，位移大小基本保持一致，但是到了1 000 kN，CE7模型其增长速率明显大于其他模型，这是因为CE7模型上面的承力扩大盘距离土体表面太近，致使盘上土体发生冲切破坏，致使位移突然增加。

c.除了CE2模型和CE7模型之外，我们可以看到CE3～CE6各个模型的竖向位移随荷载变化规律基本一致，而且每一级荷载加载后，模型的竖向上拔值大小也相差不多，这说明了，当盘间距大于一定的合理数值(N=3～5)时，其对挤扩多盘桩抗拔承载力的影响作用逐渐减小。

3)阐述原状土试验中2号模型和3号模型数据异常的主要原因，2号模型和3号模型破坏时的图形如图7所示。

从图7中可以看出2号模型和3号模型的破坏出现了下面的特点：

a.2号模型和3号模型的土体，都在承力扩大盘下面出现了水平断裂裂缝，并且在拉力作用下，裂缝的间隙持续增大。

b.这时候虽然模型桩的位移也随着拉力的增加而增大，但是桩和土体是一起上升的，正因为如此，所以模型桩周围土体并不能充分发挥抗拔作用，试验中，在裂缝出现及扩大的某个阶段，千斤顶中显示的拉力明显低于其他模型桩的拉力值。

c.2号模型桩的荷载位移数值明显异常的主要原因是由于土体内部出现了断裂，这可能是在原状土模型运输的过程中，受到碰撞导致了土体内部出现了裂缝，并在拉力作用下，裂缝得到扩展，所以2号桩的数据异常(偏小)。

d.3号盘模型桩的荷载位移曲线明显高于其他各个模型，而且在加载了一段时间后，便很快出现了破坏，拉力不再增长的情况。这是由于试验过程中，同样已经出现了与2号模型桩的相同的土体断裂情况，为了防止断裂对试验的影响，在3号桩加载之前，用钢条对3号桩的土体表面进行了固定，这是考虑到如果3号桩模型也像2号桩模型那样出现了土体之间的裂缝，可以固定住土体，使桩和土体不会一起发生位移。可是在加载中发现，由于模型表面的土体进行了固定处理，所以3号桩在加载的过程中，遇到的阻力更大，所以提高一定的位移，需要的拉力也会更大，这就是3号桩的荷载位移曲线明显高于其他模型的原因。3号桩在加载的过程中，土体之间也出现了一定的裂缝，而且3号桩最上面的承力盘过早地将其上的土体破坏，致使其抗拔承载力不再增加，这就是3号模型的荷载位移曲线明显短于其他模型的原因。这个模型的异常主要是人为因素造成的，所以后面的4号模型、5号模型、6号模型吸取了这两个异常模型的经验，没有再进行人为干预，因此，后面的模型取得了良好的试验结果。

4 结语

总结原状土模型试验和有限元分析的结果，我们可以得到如下结论：

1)有限元分析和原状土试验研究得到了相同的结论，即要使挤扩多盘桩具有足够的抗拔承载力，首先要保证最上面的承力扩大盘距离土体表面有一定的距离，一般不低于4倍R，以避免出现上盘上面的土层出现冲切破坏。

2)当N≤2.5时，即承力扩大盘净间距小于盘悬臂长度的2.5倍，承力盘之间土体容易出现整体破坏，使承力盘下土体不能形成完整的滑移破坏曲线，会降低桩的抗拔承载力；当间距过大时，即N>5时，桩长增加较多，而随着盘间距的增加，其抗拔承载力增长又非常缓慢，造成经济上的浪费。因此，挤扩多盘桩盘净间距(S0)的合理取值范围是盘悬挑长度R的3倍～5倍，即N=3～5，这样既能充分发挥承力盘的作用，又节约了工程成本。

总之，挤扩多盘桩的设计首先要满足盘上土体厚度的要求，一般不低于承力盘悬挑长度的4倍。挤扩多盘桩的盘净间距参数N=3～5为宜，不宜过小，过小承力盘间的土体会发生整体剪切破坏；也不宜过大，过大对增加扩盘桩抗拔承载力的效果不明显，且桩长增加较多。但由于挤扩多盘桩的抗拔承载力还受到土体性桩的直接影响，本文目前只分析了粘性土中盘间距对其抗拔承载力的影响。对于不同地区、不同土层中的挤扩多盘桩的设计参数，其对抗拔承载力的影响规律基本相同，但具体参数还需要进一步的研究。

[1] Qian Yongmei，Wang Jie，Wang Ruozhu.The Analysis of the Vertical uplift bearing capacity of Single the CEP Pile[J].The Open Civil Engineering Journal,2015(9):598-601.

[2] Qian Yongmei，Zhai Rongzheng，Wang Ruozhu.Analysis of Soil Characteristics Affecting Failure Behavior and Bearing Capacity of the Concrete Expanded-Plates Pile[J].The Open Construction and Building Technology Journal,2015(9):188-191.

[3] 钱德玲.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[4] 徐至钧.挤扩支盘桩技术开发与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2014.

[5] 钱永梅，翟镕政.盘间距对挤扩多盘桩抗拔承载力的影响分析[J].吉林建筑大学学报，2015,32(4):5-8.

[6] 田 伟，钱永梅.“挤扩多盘桩受拉状态下桩周土体破坏状态的试验研究”[J].工业建筑(中文核心)，2016,46(sup):574-576.

[7] Qian Yongmei，Cheng Qingyu，Wang Ruozhu.Research on the Test Method of the Concrete Expanded-Plates Pile[J].Advanced in Engineering Research，2015(39):1065-1070.

Test research on undisturbed soil about plate space of the MEEP pile affecting the failure mechanism of soil under vertical tension★

Qian Yongmei1,2Liang Songting1Li Xiaozhou1Zhai Lian1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China;2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

On the base of the existing achievements of the MEEP pile, the article through the small model pile with self-section test of undisturbed soil, indicates the effect of plate space of the MEEP pile on the uplift failure mechanism of the soil surroundings pile, which will provide a reliable theoretical basis for engineering design and calculation of the uplift bearing capacity of the MEEP pile.

the vertical tension, the MEEP pile, plate space, failure mechanism, test of undisturbed soil

1009-6825(2017)10-0067-03

2017-01-22★:国家自然科学基金项目(51278224)

钱永梅(1970- )，女，博士，硕士生导师，教授; 梁松廷(1989- ),男，在读硕士； 李晓周(1990- )，男，在读硕士； 翟 莲(1977- )，女，副教授

TU473

A