支盘桩的抗拔性能研究

浙江工业大学学生课外科技基金项目研究报告二〇〇九年十一月二十五日支盘桩的抗拔性能研究摘要: 在对支盘桩抗拔机理理论分析的基础上，设计了不同盘数和不同盘距支盘桩的两组室内模型试验来研究其抗拔承载性能。

对设置了单盘、双盘和三盘的模型桩分别进行上拔试验，通过对所采集的有关数据研究分析，发现并不是盘数越多支盘桩的抗拔承载力越大，本次试验双盘桩的承载力最大，三盘桩次之，单盘桩的承载力最小。

三盘桩的承载力小于双盘桩，这主要与三盘桩上盘的埋置深度不足及特定的破坏模式有关，说明支盘桩在抗拔时和抗压时的承载机理是不同的。

在盘距分别为一倍、两倍和三倍盘径的不同盘距双盘模型桩试验中，发现盘距为三倍盘径时抗拔承载力最大，一倍盘径时次之，两倍盘径时最小，这也是由于盘距不同可能导致不同的抗拔破坏模式所致。

同时还根据桩身轴力变化情况研究了两组试验中不同支盘桩的荷载传递机理；分析了不同盘数支盘桩桩周土体在加载过程中的土压力变化情况，单盘、双盘桩桩周的土压力变化比较复杂，而三盘桩的桩周土压力变化比较简单。

关键词: 支盘桩；不同盘数；不同盘距；抗拔特性；模型试验1 前言随着城市建设的规模不断扩大，地下车库、地下商场、地铁、隧道等地下建筑物日见增多，当地下水位较高时这些建筑物都将承受浮托力。

高层建筑、高压输电塔架、烟囱、桥梁等结构的桩基础在风荷载或水流等横向荷载作用下也会承受向上的拔力，必须进行抗拔设计，因此建筑结构需要解决抗拔的问题越来越多。

工程上的抗浮或抗拔设计目前以抗浮锚杆、抗拔桩居多。

抗浮锚杆利用的是锚杆和砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力，抗浮效果较好，造价较低，但易受地质条件影响，承载力不稳定，甚至造成工程事故[1-2]。

而抗拔桩目前主要大量采用的还是普通等截面桩，其抗拔力是由桩侧摩擦阻力及桩身自重提供的，造价较高，其抗拔力较小，而且往往具有应变软化特性，即抗拔力超过峰值后，随着上拔位移量的增加而逐渐降低，最后趋于残余强度。

因此为提高桩基础的抗拔能力，通常将抗拔桩做成非等截面的形状，如扩底桩，其扩大头可以增加一定的端承面积，抗拔时也可以利用扩大头上一定范围土体的自重。

支盘桩由于其构造上的优势，不仅有良好的抗压能力也具有很好的抗拔性能，而且其抗拔承载力十分稳定，施工方法也比较成熟。

虽然目前已有文献[3]报道利用支盘桩抗拔可以节约投资，也有一些其它研究报道[4-7]，但总体目前对支盘桩抗拔机理及工程性状方面的研究还较少，人们对其认识不足，导致在抗拔工程上的应用寥寥无几。

因此对支盘桩进行上拔荷载作用下的理论和试验研究是非常必要的。

2 支盘桩的抗拔机理和破坏模式支盘桩的抗拔作用机理如图1所示。

由于支、盘的存在，支盘桩的抗拔力由桩身摩擦力和支、盘的端承力组成，而等直径桩的抗拔力只有桩身的摩擦力，因此与等直径桩相比支盘桩的抗拔承载力可以大大提高是显而易见的。

支盘桩的抗拔荷载传递机理与其抗压荷载传递机理有相似之处，但其承载性能又是不同的。

由于抗压和抗拔的荷载作用点都在桩顶，因此荷载的传递一般先由桩身摩擦力后由支、盘传给土层，并且都是先从桩顶往桩底发展，多支、盘的承载力也是从上支、盘依次往下支、盘发展，因此不同位置的支、盘发挥其承载力是有时间效应的，各支、盘达到极限承载力的时间是不同的。

图1 支盘桩与等直径桩的抗拔作用Fig.1 Sketch of uplift mechanism of disk pileand general pileNN图2 不同盘距支盘桩的抗拔破坏模式 Fig.2 Failure pattern for uplift of differentdisk piles同时支盘桩的抗压和抗拔性能又是不同的，在文献[4]中作者指出，受压时，荷载除了靠桩侧摩阻力、支盘桩端承力及桩端阻力传递外，还在于桩身的弹性压缩引起桩身侧向膨胀，使桩－土界面的摩阻力趋于增加，以及支盘下和桩端处土体在压密作用下承载力也趋于增加。

而受拉与受压时荷载传递性能的明显差异构成了两者承载力的差异，即抗拔承载力要小于抗压承载力。

另外，支盘桩抗压时，盘以下较大范围的土体由于盘传来的压力始终处于受压状态，桩周土体不断被挤密，承载力也不断提高，直至达到承载力极限状态时，桩周土体产生整体剪切破坏或局部剪切破坏。

而支盘桩在承受上拔力时，只有盘附近较小范围的土体处于受压状态，离盘较远的土体一般处在受拉状态，当盘的设置位置离土层顶面距离不足够大，将产生图2所示的滑动破坏面，与受压破坏的形态完全不同，此时的抗拔承载力主要取决于盘顶滑动面范围的上腹土的重量和土的凝聚力。

支盘桩在上拔荷载作用下，当为单盘桩时，盘顶土体一般会产生图2中a所示的滑动破坏面；当为多盘时，两盘间土体的破坏面形式取决于盘的间距和土体性质，如果盘距较小可能会产生图中c所示的破坏面，当盘距足够大就会沿图中b 所示滑动面破坏。

显然，产生不同的滑动破坏面时，支盘桩的抗拔承载力是不同的。

3 不同盘数支盘桩抗拔试验研究3.1 试验概况本次试验采用的模型桩采用直径为30mm壁厚约2mm的钢管制作而成，盘直径为80mm。

按设置单盘、双盘和三盘制作三个模型桩，多盘时的盘距为160 mm，即2D。

在桩身相应位置粘试验用土样取自杭州钱江新城开发区工地。

试验箱采用自制的1200mm（长）×600mm（宽）×800mm（高）小型模型试验箱，由于模型桩比例较小，图3 土压力盒和应变片布置示意图一次可同时进行三个模型桩的试验。

土层制作时分层夯实，在试验箱的适当位置埋入模型桩，并在各桩侧一定距离的位置埋设若干微型土压力盒。

模型桩、电阻应变片、土压力盒等的相对位置如图3所示。

试验装置如图4所示。

本次试验对图3所示模型桩在相同土体中依次进行了抗拔加载试验，由于模型桩的比例较小，承载力也较小，所以该模型试验的加载设备采用直接等重砝码加载，在每级加载后可自然维持荷载大小不变。

分级加载每级0.1 kN ，在桩顶固定两个百分表量测模型桩的上拔变形量，每级加载后按规范的规定时间间隔记录百分表读数，等基本稳定再加下一级荷载。

以模型桩的上拔变形量作为终止加载条件。

试验结束后挖开土层取土样进行室内土工试验，土样的基本物理性质见表-1。

表-1 土样的基本物理性质3.2 不同盘数支盘桩的Q-S 曲线根据试验数据得到三种不同盘数支盘桩的Q-S 曲线如图5所示。

由于本次试验模型桩的埋深不足，由图5可知，支盘桩的承载力并不是完全随着盘数的增加而增加的，如果以变形5mm 作为承载力控制条件，则设一、二、含水率ω（%） d/g ·cm -3土粒比重d s 孔隙比e压缩模量E s /MPa 内摩擦角 Φ° 粘聚力c kPa 26.02 1.462.70.7357.4710.112.73图4 试验装置示意图01234567800.20.40.60.81 1.2上拔荷载Q /kN 上拔位移s /m m单盘桩双盘桩三盘桩图5 三种不同盘数模型桩的Q-s 曲线三盘的支盘桩承载力分别为0.7kN 、1.16 kN 、1.1 kN ，双盘桩的承载力最大，比单盘桩提高65.7%，三盘桩比单盘桩提高57.1%，而比双盘桩减小5.2%。

说明一般情况下增加支盘数能有效的提高支盘桩的抗拔承载能力，但设多盘时抗拔承载力并不是和抗压一样基本上是随盘数增加承载力也增加的，支盘桩在抗拔时，盘顶土层厚度、土层性质、盘间距等对承载力的大小将起到决定性作用。

另外从图5曲线中能看出，三盘桩的承载力虽比双盘桩略小，但其前期的变形相对较小，说明在各盘的上覆土被拔起以前，三个盘均能有效的传递上拔荷载，使得通过每个盘传给土体的压力减小，土体的压缩变形减小。

而当三盘桩的上盘以上土体产生滑动破坏面几乎失去承载力以后，此时三盘桩的抗拔承载力主要靠下面两盘提供，相当于双盘桩，但支撑这两盘的土层厚度已不包括上盘以上土层了，所以此后三盘桩的承载力还不如双盘桩，图5中双盘和三盘桩Q-s 曲线的交点可以认为是三盘桩的上盘以上土体破坏的标志。

3.3 不同盘数支盘桩桩身轴力变化比较三种桩的桩身轴力变化曲线如图6所示。

由图6可知，不同设盘支盘桩的桩身轴力变化有以下特点：（1）单盘桩在设盘位置轴力变化明显，盘以上等直径部分轴力基本线性变化。

盘所分担的荷载的比例在0.2 kN 时占总荷载的39%，在0.7kN 时占总荷载的49%，在0.9 kN 时占总荷a 单盘桩桩身轴力变化曲线图6 三种桩桩身各测点轴力变化曲线载的69%，说明随着外荷载的增大盘的作用越来越显著，最后随着摩擦力的稳定，增加的荷载主要由盘承受。

（2）多支盘桩随着盘离土层表面距离的增大其作用越明显， 如图6b 、c 所示，支盘桩的荷载传递主要是底盘，两盘桩的上盘和三盘桩的中盘所传递的荷载只有下盘的三分之一左右，而三盘桩的上盘由于离土层顶面距离较小，其分担荷载的作用只在加载初期表现较明显，随着荷载增大上盘的作用几乎可以忽略。

3.4 不同盘数支盘桩桩周土压力变化比较三种桩桩周土压力变化曲线如图7所示，图中2、3，4、5，6、7，……等所示曲线是取相应两个压力盒数据的平均值绘制的，因为它们所处的位置是对称的。

本次试验的土压力盒除了1、8、19号外，其余压力盒均在离桩侧表面一倍盘径位置，从压力盒压力变化数据看，除了9-10、19号压力盒处土压力变化略大外，其余压力盒的压力变化均较小，基本上在±2kPa 的范围内变化，说明在本次试验的土体中，盘的横向压力扩散影响范围很有限。

从图7可以看出：对于单盘桩，离盘顶较近同一水平面埋有1、2-3号压力盒。

1号压力盒在加载初期处在盘的上拔对其上土体斜向挤压作用范围内，该处土压力略有增大，从第三级荷载（0.3kN ）开始该处土压力就开始下降，并一直持续下去。

这说明随着a 单盘桩桩周土压力变化曲线b 双盘桩桩周土压力变化曲线c 三盘桩桩周土压力变化曲线图7 三种桩桩周土压力变化曲线盘荷载传递量和盘周土压缩变形量的增加，盘作用在土体中的压力扩散范围在减小，土压力逐渐影响不到1号压力盒处，同时随着盘顶土体产生被向上拔起的趋势，使作用在该处的土压力越来越小。

同理，2-3号压力盒由于离盘较近，处在盘传来压力扩散范围的时间较长，因此其压力增加的过程也较长，土压力增加的量也要大。

直到荷载增加到0.7 kN 以后土压力才开始减小。

而8、9-10号压力盒由于始终处在盘顶土压力影响范围以内，总体压力呈上升趋势，离桩较近的9-10号压力盒压力增量较大，离桩较远的8号压力盒压力增量较小。

在荷载较小时压力变化不大主要是此时桩侧摩擦力使土体有一定的卸荷作用，抵消了盘传来的部分压力所致。

双盘桩的底盘附近的4-5号压力盒处的土压力变化类似单盘桩，也是先加荷后卸荷。