不同樁端形狀對(duì)短樁垂直承載性狀影響的模型試驗(yàn)研究

陳瑞紅

（浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

前言

在一般房屋基礎(chǔ)工程中，樁主要承受垂直的軸向荷載。樁基通過(guò)作用于樁端（或稱(chēng)樁尖、樁底）的端阻力和樁周土層的側(cè)摩阻力來(lái)支撐軸向荷載。對(duì)短樁而言，側(cè)摩阻力屬于滑動(dòng)摩阻力，占樁垂直承載力標(biāo)準(zhǔn)值的比值較小，而端阻力占短樁垂直承載力標(biāo)準(zhǔn)值的比值較大。國(guó)內(nèi)外關(guān)于樁端幾何形狀對(duì)短樁垂直承載性狀的影響方面的研究較少[1]。而事實(shí)上，樁端幾何形狀對(duì)于短樁垂直承載性狀的影響是很顯著的。

1 試驗(yàn)方案

結(jié)合工程應(yīng)用情況，以約1:10的比例制作混凝土圓樁模型。樁身直徑45 mm，樁身（不含樁端）長(zhǎng)為550 mm，埋入土中部分為450 mm。樁端形狀分別為平底樁端、90 °錐角錐形樁端和半球形樁端。

參考以往室內(nèi)模型試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)[2]，基于將邊界的影響降至可忽略的原則，模型箱內(nèi)凈空尺寸為：1200 mm（長(zhǎng)）×600 mm（寬）×800 mm（高）。模型箱框架由L30 ×30 角鋼焊接而成，四周用厚度為12mm的實(shí)木板與角鋼用螺栓連接高。模型箱及模型樁尺寸示意圖如圖1。

試驗(yàn)用土為杭州某施工現(xiàn)場(chǎng)取得的粉質(zhì)粘土，土層制作時(shí)分層夯實(shí)。土層制作完畢后，養(yǎng)護(hù)2 天，然后用小鏟挖孔，將模型樁置入土中450mm 深，樁身外露100mm，以便于加載。樁土共同養(yǎng)護(hù)15 天后，采用快速維持荷載法分別對(duì)三種樁端形狀的短樁進(jìn)行逐級(jí)加載。第一級(jí)加載為0.1 kN，第二級(jí)開(kāi)始以0.1 kN的增量逐級(jí)加載，直至滿(mǎn)足終止加載條件。杠桿加載裝置示意圖見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)實(shí)物照片見(jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 模型樁極限承載力

三種樁端形狀的短樁加載后得到的Q-s 曲線如圖4 所示。

三種樁端形狀的短樁荷載-沉降(Q-S)曲線皆可歸類(lèi)為“陡降型”，參照樁基的豎向極限承載力判別標(biāo)準(zhǔn)[3]可判斷樁端形狀為平底的短樁其極限承載力1.2 kN，樁端形狀為90 °錐角的短樁其極限承載力為1.1 kN，樁端形狀為半球形的短樁其極限承載力為 1.3 kN。

2.2 土樣物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

靜載試驗(yàn)完成后，在樁端底部位置取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，得到土的物理性質(zhì)和各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

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3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，樁端形狀為90 °錐角的短樁其極限承載力為1.1 kN，樁端形狀為平底的短樁其極限承載力1.2 kN，樁端形狀為半球形的短樁其極限承載力為 1.3 kN。

Lobo-Guerrero[4]研究了不同樁端形狀（平底樁端、三角形樁端）的單樁沉樁過(guò)程中土顆粒的破碎情況，研究結(jié)果顯示平底樁端壓碎的土顆?？倲?shù)多于三角形樁端壓碎的土顆?？倲?shù)。

Daichao Sheng[5]用ABAQUS 有限元軟件數(shù)值模擬了錐角為 30 °、40 °、45 °、50 °、60 °、70 °、80 °、90 °、180 °（平底樁端）的錐形樁端對(duì)樁承載力的影響，研究結(jié)果顯示錐角介于25 °和90 °之間時(shí)，樁的總承載力隨錐角的增大而線型增加；當(dāng)錐角介于90 °和180 °之間時(shí)，因ABAQUS 單元網(wǎng)格嚴(yán)重變形，不能揭示樁的總承載力與錐角的變化之間的關(guān)系。

綜上所述，筆者認(rèn)為樁端幾何形狀對(duì)短樁垂直承載性狀的影響是很顯著的。半球形樁端外形圓潤(rùn)，加載過(guò)程中溫和漸進(jìn)的先向下擠壓土層，使樁端下面的土層愈趨致密，進(jìn)而提高了樁端承載力；而錐形樁端尖銳入土，將土層向樁端四周擠壓，樁端阻力較小，樁的承載力亦較小；平底樁端外形介于半球形樁端與錐形樁端之間，既不太圓潤(rùn)，又不過(guò)于尖銳，因而樁端形狀為平底的短樁其垂直承載力介于二者之間。

樁土相互作用關(guān)系十分復(fù)雜，本文僅研究了粉土中三種閉口樁端形狀(平底樁端、90 °錐形樁端、半球形樁端)對(duì)預(yù)制短樁垂直承載性狀的影響，僅以此為樁基工程的設(shè)計(jì)與施工提供必要的試驗(yàn)依據(jù)。

[1]曹燕,謝衛(wèi)平,鐘建龍.淺談?lì)A(yù)制方樁樁尖設(shè)計(jì)[J].廣東土木與建筑,2000,(4)10,15-16

[2]龔峰,丁翠紅,應(yīng)義淼.靜壓擴(kuò)底管樁模型試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,(10)

[3]樁基工程手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).樁基工程手冊(cè)[M].北京:建筑工業(yè)出版社,1995

[4]Lobo-Guerrero,S.,Vallejo,L.E.:Influence of pile shape and pile interaction on the crushable behaviorofgranularmaterialsaround driven piles_DEM analyses.Granular Matter 9(2007),241-250

[5]D.Sheng et al.Finite element analysis of pile installation using large-slip frictional contact[J].Computers and Geotechnics 32(2005)17-26