推挤式支桩承载特性模型试验研究

陈 新,李光范,丁庆磊,张仰福,符羽佳,钟梓良

1.海南大学土木建筑工程学院,海南 海口 570228

2.山东大学岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061

3.海南鲁郓基础工程有限公司,海南 海口 570228

4.海口经济学院,海南 海口 571127

传统桩通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递上部荷载，具有承载力高、稳定性好的特点[1]，使建筑物达到沉降量小而均匀、后期沉降速率收敛较快的目的[2]。通过改变桩身纵向截面形状得到的变截面异形桩，可以经济有效的提高桩的承载能力[3]，增加桩-土接触面的不平直度和粗糙度[4]。在此基础上，挤扩支盘桩、扩底桩等桩型不断实践进步，卢成原[5-7]针对多支盘桩实际工程情况，设计了多个模型试验验证了挤扩支盘桩相较于等截面桩对承载力提高的有益影响；钱德玲[8,9]针对挤扩支盘桩的荷载传递规律及抗压抗拔特性做了研究；吴江斌[10]等对比了等截面桩与扩底桩的抗拔承载特性；曹兆虎[11]等利用透明土，对比了等截面桩与楔形桩的沉桩效应。

推挤式多支桩是一种利用桩内油压推挤式装置在普通灌注桩基础上改良的新型桩[12]，在桩施工挖孔过程中，将推挤装置下放井内并利用油压装置向桩侧推挤形成空穴，灌注混凝土后形成支部结构，增加了通过推挤桩侧孔壁而形成的“支”，其施工技术已获得国家专利授权。本文采用缩尺模型试验，设计了单层、双层、三层、四层支桩的模型试验，对其承载和沉降特性进行了分析研究。

1 试验内容

1.1 支桩模型

模型试验采用直径32 mm、壁厚2 mm 的铝合金管作为模拟桩体，模型桩桩径32 mm，桩长1000 mm，埋置深度960 mm，支部结构（支块）与桩身通过密封胶粘合，粘合24 h 以上确认牢固后投入试验，支桩结构及桩体尺寸示意图见图1。在每个支部结构下部分别嵌入直径约10 mm、厚7 mm 的微型土压力盒，桩底嵌入并粘合直径约28 mm、厚11 mm 的土压力盒，以此获得桩端及支部结构下的土压力信息，观测桩底及支底压力的变化。由计算，管材抗压刚度EA=1.97×104kN/m（弹性模量E=7.2×107kN/m3，截面面积A=2.73×10-4m2），对应于实桩刚度5×107kN/m，与直径为1.6 m 的混凝土桩抗压刚度典型值相近，根据相似理论，模型几何相似比CL=50，重度相似比C=1，力学相似比CF=C×CL3=1.25×105。

图1 桩体示意图Fig.1 Pile diagram

1.2 试验环境

试验以砂性土地基作为试验环境，其具有天然散粒特性，其密实度、含水量等指标较易控制，从而可以提供较稳定的试验条件、反映模型桩的受力特点。试验用砂的物理力学性质见表1。

试验砂箱基础尺寸为2000×2000×1500 mm（长×宽×高），砂箱顶部设置可移动杠杆加载装置，设置反力架用于放置位移计。

埋置模型桩时，首先开挖砂土，之后下放模型桩，在保证模型桩竖直的状态下填埋砂土至砂箱顶面，在砂土填埋至支块位置时，利用细铁丝在支部附近穿插捣实，模拟多支桩支块推挤形成时对支块周围的挤密，埋置后的试验装置静置12 h 以上，使模拟地基中的砂土较好挤密。

表1 试验用砂物理参数Table 1 Sand physical parameters for test

试验加载设备采用桩顶杠杆装置逐级加载，载荷采用等重砝码。在桩顶设置固定的两个位移百分表量测模型桩桩顶的沉降变形量，每一级加载后待沉降稳定，按照规范的规定时间间隔记录位移百分表的读数。试验装置布置情况如图2 所示。试验过程中，为缓解边界效应的影响，模型桩设置于试验砂箱中部，距砂箱侧壁900 mm 以上。

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.3 试验内容

主要试验内容有：设置单层、两层、三层、四层支部结构的模型桩沉降特性试验。依照支部结构距桩底距离（Lb）,在桩身选取具有代表意义的四个位置作为支部结构设置处，分别为Lb1=200 mm，Lb2=400 mm，Lb3=600 mm 及Lb4=800 mm 处。根据支部结构位置、数量、层数将试验分为22 组进行，分组情况见表2，大体分为七类，等截面桩（无支桩）试验（#00*）、单层双支试验（#12*）、单层三支试验（#13*）、单层四支试验（#14*）、双层试验（#2**）、三层试验（#3**）、四层试验（#4**）。试验编号中，前两位数字分别表示模型桩设置的支部层数、每层支部数量。

表2 试验分组Table 2 Test group

均为12.485N，多层支桩试验（#2**、#3**、#4**）每级加载均为24.970 N。满足试验终止条件后停止进行加载，之后逐级卸载直至试验结束，挖取模型桩并检查确认模型桩完整性。根据《建筑桩基检测技术规范（JGJ 106-2014）》结合模型比例情况，确定出现下列情况之一时，视为满足试验终止条件：（1）当载荷沉降曲线上有可判定极限承载力的陡降段，沉降量达到上一级荷载最终沉降的两倍；（2）当载荷沉降曲线呈缓变型时，桩顶总沉降大于4 mm；（3）桩身发生断裂。

2 结果及分析

2.1 每层支部数量的影响

试验结果以桩顶沉降量（4 mm）作为控制因素。由图3 单层支桩与等截面桩Q-s曲线的对比，设置支部结构的模型桩相较于等截面桩，均获得了更高的竖向承载力，其沉降特性也更优异。由图4 等截面桩与双层支桩加载试验的Q-s曲线比较，图中靠上侧的蓝、红、黑曲线分别代表双层四支桩、双层三支桩、双层两支桩的沉降曲线，与最左侧的等截面桩Q-s曲线相比，双层支桩的抗沉降性能更有优势，同样展现在三层支桩与四层支桩的情况中；图5 等截面桩与三层支桩加载试验的Q-s曲线比较，图中靠上侧的蓝、红、黑曲线分别代表三层四支桩、三层三支桩、三层两支桩的沉降曲线；图6 等截面桩与四层支桩加载试验的Q-s曲线比较，图中靠上侧的蓝、红、黑曲线分别代表四层四支桩、四层三支桩、四层两支桩的沉降曲线。显然：设置支部结构的支桩在抗沉降及承载特性上具有更高性能的表现，当上部荷载一定时，多层支桩的沉降量更少，且随着支部结构每层数量的增加，这种优异的沉降性能愈发突出，同时其Q-s曲线逐渐区别于等截面桩的陡降型曲线而趋向于缓降型曲线，其力学性能也更表征出抗沉降优良及承压优良的特点。

图3 单层支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.3 Comparison of Q-s curves between single-layer pile and equal-section pile

图4 双层支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.4 Comparison of Q-s curves between double-layer pile and equal-section pile

图5 三层支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.5 Comparison of Q-s curves between three-layer pile and equal-section pile

图6 四层支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.6 Comparison of Q-s curves between four-layer pile and equal-section pile

试验结果以桩顶沉降量（4 mm）作为控制因素，由图7 等截面桩与双支桩加载试验的Q-s曲线比较，由右侧向左侧的曲线分别代表双四层两支桩、三层两支桩、双层两支桩、单层两支桩及等截面桩的沉降曲线；图8 等截面桩与三支桩加载试验的Q-s曲线比较，由右侧向左侧的曲线分别代表双四层三支桩、三层三支桩、双层三支桩、单层三支桩及等截面桩的沉降曲线；图9 等截面桩与四支桩加载试验的Q-s曲线比较，由右侧向左侧的曲线分别代表双四层四支桩、三层四支桩、双层四支桩、单层四支桩及等截面桩的沉降曲线。可以佐证：设置支部结构的支桩在抗沉降及承载特性上具有更高性能的表现。同时可以得出：当上部荷载一定时，随着支部结构层数的增加，模型桩的沉降性能愈发优异；与此同时，支部结构层数与支部结构每层数量两个变量中，支部结构层数对模型桩力学性能的影响更突出，具体表现在四层两支桩（#420-8642）的沉降特性优于三层四支桩（#340-0864），而三层两支桩（#320-0864）的沉降特性优于双层两支桩（#220-0064），相同层数（图5、图6、图7、图8）的情况下，模型桩在改变每层支部结构数量时，其Q-s曲线形态相似，相同层数（图10、图11、图12）情况下，模型桩在改变每层支部结构数量时，其Q-s曲线形态也相似，佐证了这一点。

图7 双支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.7 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

图8 三支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.8 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

图9 四支桩和等截面桩Q-s 曲线比较Fig.9 Comparison of Q-s curves between multi-layer pile and equal-section pile

2.2 支部设置层数的影响

以桩顶4 mm 的沉降量作为控制指标，将本次试验所有模型桩试验在此时的承载力进行统计比较，见表3。表中可以清晰看到模型桩的竖向承载力和承载力提高百分比的变化。

表3 桩顶沉降为4 mm 时各模型桩承载力对比Table 3 Bearing capacity comparison of each model pile when the pile top settlement was 4 mm

以此为基础，为更好的表征支部结构设置层数与模型桩承载力的关系，以支部结构设置层数为横坐标，以模型桩承载力为纵坐标，作折线图如图10。图中由上至下四条线分别代表每层四支、每层三支、每层双支及无支情况下，支部结构设置的层数对模型桩承载力的影响。在支部结构设置层数不变的情况下，每层四支的模型承载力由单层四支的283.49 N 提高到四层四支的547.10 N，每层三支的模型承载力由单层三支的218.43 N 提高到四层三支的502.31 N，每层双支的模型承载力由单层双支的191.69 N 提高到四层双支的467.27 N，显然，支部结构层数，对桩承载力的提高越明显。

图10 支部结构设置层数与承载力的关系Fig.10 Relation between the layers and bearing capacity of branch structure

图11 多层条件下支部数量与承载力的关系Fig.11 Relation between branches and bearing capacity under multi-layer

图12 所有试验模型桩承载力对比Fig.12 Comparison of bearing capacity of all test model piles

图13 试验结果拟合Fig.13 Fitting of test results

为更好的表征每层支部数量与模型桩承载力的关系，以每层支部数量为横坐标，以模型桩承载力为纵坐标，作折线图如图11。图中由上至下黑、红、蓝、绿线，分别代表四层、三层、两层及无支情况下，每层支部数量对模型桩承载力的影响。在每层支部数量不变的情况下，四层的模型桩承载力由四层双支的467.27 N 提高到四层四支的547.10 N，三层的模型承载力由三层双支的344.08 N提高到三层四支的362.61 N，两层的模型承载力由两层双支的277.77 N 提高到两层四支的306.83 N，单层的模型承载力由单层双支的191.69 N 提高到单层四支的283.49 N，显然，支部结构设置层数越多，则对桩承载力的提高越明显。

将模型桩承载力数据按照支部结构设置的位置作统计图如图12，图中以支部结构设置位置为横坐标，竖向承载力为纵坐标。单层试验以单个点的形式，标注在图中，例试验“#120-0002”，其支部结构设置位置Lb1=200 mm，则以200 为横坐标、以其试验承载力为纵坐标标注单个点；多层试验以点线形式标注在图中，例试验“#440-8642”，其支部结构设置位置Lb1=200 mm、Lb2=400 mm、Lb3=600 mm、Lb4=800 mm，则以200、400、600、800 为横坐标、以其试验承载力为纵坐标标注四个点，并连线。图中较清晰地展现了各个试验的承载力比较。

2.3 多支桩承载特性的综合影响因素

以支部结构设置层数为x轴，以每层支部数量为y轴，以模型桩承载力为z轴，作图13。图中可以看出支部结构层数与支部结构每层数量共同促进多支桩承载力的提高，且均呈现线性正相关：z=100.08+82.41x+14.03y。其中z表示承载力，x表示支部层数，y表示每层支部数。方差为0.9079，相关性较高。可知，推挤式多支桩承载力的提高随着支部层数及每层支部数的变化而变化，其中支部层数对于多支桩承载力的影响较大，主要原因在于每增加一层即增加更多的支部结构，且说明多层设置的推挤式多支桩更有利于支部结构作用的有效发挥。

2.4 支底压力变化

推挤式多支桩与等截面桩相比最大的特点是在支底反力、桩侧摩阻承担上部荷载的基础上增加了一个支底反力。等截面桩（#000-0000）受力情况见图14，桩侧摩阻对模型桩的竖向承载力产生了较大的贡献，其分担的竖向荷载约占整体75%，桩底反力承担的荷载相对较小；单层四支桩（#140-0004）受力情况见图15，随着桩顶荷载的不断增加，其桩底反力、支底反力也逐渐增加，支底反力为分担上部荷载做出了贡献，尤其在桩侧摩阻力软化后，支底反力的上升速度发生更快的变化，与此同时桩底反力也逐渐增大超过桩侧摩阻力；四层四支桩（#440-8642）受力情况见图16，桩侧摩阻力在该次试验中，对整个竖向承载力的贡献约占35%，支底反力较早的超过了桩底反力，桩侧摩阻力在软化后下降明显，低于支底反力与桩底反力。

从增加的竖向接触面积来看，支底反力的增加与支部数量（支部设置层数与每层支部数的乘积）有着极大联系，尽管由单层试验可以得知支部结构设置的位置对支底所能承担的承载力有所影响，但其变化幅度不大，基本可以认定支底总面积与支部结构所能提供的总的承载力呈正相关，也就是支部数量与支底反力呈一定程度上的正相关。同时，设置多层的支桩的支阻具有“阻碍效应”，即不同高度的支阻产生阻力时的上部荷载较为接近，但达到的最终支阻与支部位置相关，其中对比模型桩的试验结果：单层条件下，在每层支部数量相同时，支部设置于距桩端400 mm～600 mm 处时对桩的承载力提高较大，对于该现象可通过模型桩桩体及支部结构受力来分析，在每层支部数量相同时，影响模型桩承载力的主要因素在于支部受力情况，支底反力的不同来源于支部周围土体压力及支部结构的向下位移，支部结构出现最优位置的原因，主要在于两者对支部发挥作用的最佳配合，桩身所受到的桩侧土压力随着桩身自上而下逐渐增大，而桩身的形变随着桩身自上而下缓慢达到一个峰值都下降，这使得当支部结构设置于偏上部时，支部结构虽然可以在加载过程中发生较大的形变，但由于桩侧围土压力较小，因而不能产生较大的承载力，而当支部结构设置于偏下部位置时，支部结构桩侧围土压力较大，但由于支部产生的形变较小，无法将围土的优良特性转化为更多的承载力，因此产生支部结构的最优位置，即该位置设置支部结构时，支部周围的围土压力足够大，支部又能够随着桩身在应对上部荷载的同时产生较大形变，所以设置多层支桩其每层达到的最大支阻不同。

图14 等截面桩端底压力与桩侧摩阻对比Fig.14 Comparison between pile bottom pressure and pile side friction

图15 四根桩单桩底压力的比较Fig.15 Comparison of the bottom pressure of four piles in a single layer

图16 四层四支桩桩底支底压力对比Fig.16 Comparison of the bottom pressure of four branch pile in four layers

3 结论

（1）相较于等截面桩的Q-s曲线呈现的陡降形态，含有支部结构模型桩的Q-s曲线多呈缓和形态。其具有更优异的承载性能及抗沉降表现；

（2）设置支部结构的支桩在抗沉降及承载特性上具有更高性能的表现，当上部荷载一定时，多层支桩的沉降量更少，且随着支部结构每层数量的增加，这种优异的沉降性能愈发突出。支部结构每层数量与模型桩承载力呈线性正相关；

（3）支部结构设置层数与模型桩承载力呈线性正相关；

（4）支部层数与每层数量两个变量中，支部结构层数对模型桩力学性能的影响更为突出；

（5）上部荷载的施加过程中，支阻一定程度上抵消了侧阻软化的负面效果，且设置多层支的支桩其每层达到的最大支阻不同。