盘悬挑径对混凝土扩盘桩双桩抗拔承载性能的影响研究_于航.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS220264国家自然科学基金项目(52078239)。第第一一作作者者:于航,硕士研究生,主要从事新型桩基础研究,Email:1756658282 。通通信信作作者者:钱永梅,博士,教授,主要从事土木工程专业的科研和教学工作,Email:654675316 。盘悬挑径对混凝土扩盘桩双桩抗拔承载性能的影响研究于 航,钱永梅,牛 雷,李祖杰(吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118)摘要:由于混凝土扩盘桩特殊的桩身构造,在上拔荷载作用下承力盘悬挑径成为影响双桩承载性能的重要因素。采用可视化小比例半截面桩试验方法对盘悬挑径与桩径比值分别为 1.25、1.5、1.75、2 的四组试验桩进行原状土试验,采用 ANSYS 软件对试验桩按扩大比 130 进行有限元模拟分析。分析加载过程中桩周土体破坏情况,确定双桩在上拔荷载作用下的承载机理。对比分析上拔荷载作用下盘悬挑径对桩周土体破坏状态的影响,确定盘悬挑径对双桩抗拔承载性能的影响规律:在控制双桩桩间距相同的条件下,盘悬挑径越大双桩的抗拔承载性能越强,但双桩间的影响程度随之增大,抗拔承载力发生一定的折减。根据试验和模拟结果,确定双桩设计时盘悬挑径的合理取值。结果表明:在桩间距为 7 倍桩径时,盘悬挑径为桩径的 1.5 倍1.75 倍,混凝土扩盘桩双桩承载性能较好。关键词:盘悬挑径;混凝土扩盘桩;双桩;抗拔承载性能 中图分类号:TU473.1 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0147-05引用本文 于航,钱永梅,牛雷,等.盘悬挑径对混凝土扩盘桩双桩抗拔承载性能的影响研究J.建筑结构,2023,53(13):147-151.YU Hang,QIAN Yongmei,NIU Lei,et al.Research on influence of disc cantilever diameter on pull-out bearing capacity of concrete expanded-plate double pilesJ.Building Structure,2023,53(13):147-151.Research on influence of disc cantilever diameter on pull-out bearing capacity of concrete expanded-plate double piles YU Hang,QIAN Yongmei,NIU Lei,LI Zujie(College of Civil Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)Abstract:Due to the special structure of concrete expanded-plate pile(CEP),the disc cantilever diameter becomes an important factor affecting the bearing capacity of double piles under uplift load.Four groups of test piles with the ratio of disc cantilever diameter to pile diameters of 1.25,1.5,1.75 and 2 were tested in unbroken soil by using the visualization small proportion half-section pile test method.The finite element analysis of test piles was carried out according to the enlargement ratio of 130 by using ANSYS software.The failure of the soil around the piles during loading was analyzed to determine the bearing mechanism of the double piles under the uplift load.The influence of disc cantilever diameter under uplift load on the soil failure state around the pile was compared and analyzed,and the influence law of the disc cantilever diameter on the pull-out bearing capacity of double piles as determined.Under the condition of controlling the same distance between two piles,the larger the disc cantilever diameter,the stronger the pull-out bearing capacity of two piles,but the influence degree between two piles increases,and the pull-out bearing capacity decreases to a certain extent.According to the test and simulation results,the reasonable value of disc cantilever diameter in the design of double pile was determined.The results show that when the pile spacing is 7 times of pile diameter,the disc cantilever diameter is 1.5 to 1.75 times of pile diameter,and concrete expanded-plate double piles has better bearing capacity.Keywords:disc cantilever diameter;concrete expanded-plate pile;double piles;pull-out bearing capacity 0引言 混凝土扩盘桩(CEP 桩)作为一种新型变截面灌注桩,相比传统直孔灌注桩,具有承载能力强、沉降量小且均匀、施工工艺成熟、泥浆排放量小等优点1-4,可大大节约成本、保护环境,已成功应用于越来越多的实际工程,社会效益显著2。目前对CEP 单桩的研究较多,基础理论相对成熟3,但实际工程中其通常以群桩形式出现,且由于承力盘的引入,当桩间净距不是足够大时,相邻桩会产生明显的相互影响,导致群桩的承载能力并非是单桩的建 筑 结 构2023 年整数倍4。前期研究发现承力盘各种参数对 CEP群桩抗拔承载力具有一定影响,在桩间距相同的条件下,承力盘悬挑径(简称盘悬挑径)成为影响承载力的主要因素5-6,对抗拔桩工作性状起到至关重要的作用,因此亟待进行深入研究。本文以 CEP 双桩为研究对象,通过可视化小比例半截面桩试验方法,设计不同盘悬挑径的多组试验模型,实时观测上拔荷载作用下桩周土体破坏状态的变化情况。对试验现象和数据进行整理分析,并与模拟数据绘制成的荷载-位移曲线进行对比分析,得出在桩间距合理时盘悬挑径的适宜取值范围。1原状土试验及加载1.1 桩试件和取土装置参数设计 本文采用小比例半截面原状土试验7,结合双桩试验特点,设计试验桩和取土装置。试验桩模型设计图如图 1 所示,图中 L 为桩长,D 为盘径,d 为桩径,S 为桩间距,R0为盘悬挑径,为盘上坡角,为盘下坡角,s 为桩盘净间距。图 1 半截面试验桩模型设计图试验桩以盘悬挑径为变量,桩间距取桩径的 7倍8,其他变量根据国内某工程 CEP 桩实际设计方案按缩尺比 1 30 设计。双桩桩长为 230mm,桩径为 12.5mm,盘上坡角为 35,盘下坡角为 20,为防止在上拔荷载作用下承力盘将盘上土体整体抬起,承力盘位置设在距桩底 1/4 处。4 组试验桩盘悬挑径分别取 1.25 倍、1.5 倍、1.75 倍及 2 倍桩径,按顺序分别编号为 D1、D2、D3、D4,以 D1 组试验桩为例,左桩编号为 D1,右桩编号为 D1,试验桩尺寸参数如表 1 所示。由于主要分析桩周土体的破坏状态变化,因此桩试件尺寸缩小对试验结果影响较小;桩身材料选用与钢筋混凝土材料属性较为接近的铝合金制作,以保证在试验过程中只有土体发生破坏;在桩顶位置预留出直径 3mm 的孔洞,以方便连接抗拔套件,施加上拔荷载。表 1 试验桩尺寸参数试验桩组编号桩长/mm 桩径/mm桩间距/mm盘径/mm盘悬挑径/mm内摩擦角D123012.587.543.7515.625D223012.587.550.0018.750D323012.587.556.2521.875D423012.587.562.5025.000=20=35根据以往小比例半截面模型试验研究的结论,承力盘对周围土体的影响范围为 4 5 倍盘悬挑径9,为使 2 倍桩径试验桩组的试验顺利完成,将取土器的尺寸设定为 360mm280mm210mm。侧板与主体之间采用直径为 10mm 的螺栓固定,侧板选用 5mm 厚钢板可以有效防止其在施压的过程中产生变形,避免对内部土体造成扰动。取土设备尺寸如图 2 所示。图 2 取土设备尺寸图1.2 制备原状土 试验用土采用实际工程现场的第二层未扰动原状土,该层土体为黏土,经过土工试验测得土的物理力学性质指标为:含水率 26.18%,干密度1.488g/cm3,液限 45.6%,塑限 25.1%,弹性模量25MPa,黏聚力 0.043 55MPa,内摩擦角 10.7。由于在不同土层下桩周土体破坏状态基本相同,因此仅考虑该土层性状对试验的影响,当原状土含水率超过 25%时,CEP 单桩抗拔极限承载力约为 CEP 单盘桩抗拔承载力10的 80%。原状土制备过程具体操作步骤如下。(1)采用挖掘机进行场地平整,挖掘至试验土层后进行人工清理整平。(2)将每个取土器间隔适当距离整齐摆放在挖好的基坑中,在取土器上方放置一块钢板后用专用设备缓慢匀速将取土器压入土中。(3)待取土器完全压入后用专业设备挖出,为保证土体完整性,挖出过程中施工器械与取土器不发生碰撞。挖出后对取土器外表面进行铲平处理841第 53 卷 第 13 期于 航,等.盘悬挑径对混凝土扩盘桩双桩抗拔承载性能的影响研究并用塑料薄膜进行密封,运回实验室并铺置两层塑料薄膜进行避光保存。1.3 桩试件制作及加载制度 本试验模型设计为双桩,与竖向拉力下 CEP 单桩抗拔承载原状土试验研究11的桩土试件制作步骤基本相同,不同之处是埋置双桩步骤。在埋置前为保证试验桩身与取土装置边缘平行、桩间距相同,利用定位工具在取土装置试验面上对桩底、盘端、桩顶三处位置进行定位。上拔荷载由液压千斤顶提供,液压千斤顶放置于加载横梁中点处。与单桩抗拔加载试验相比,为保证双桩加载的同时性、同向性和均匀性,设计一种由连接板和竖向加载连接杆构成的抗拔套件放置在液压千斤顶上。在加载横梁处布置数显位移计,由于连接杆件采用具有一定刚度的钢杆制成,试验中假定杆件不会发生拉伸,因此千斤顶顶端位移数据即为试验桩桩顶位移。加载制度用逐级增加法,荷载小于 0.8kN 时,每级