混凝土扩盘桩是由普通混凝土灌注桩衍生而来的,在普通混凝土灌注桩桩身适当的位置增加一个或多个承力扩大盘,增加承力扩大盘后其抗拔承载力较普通混凝土灌注桩会有大幅度提高 ^[1]。实践表明,该型桩具有承载力高、设计灵活、沉降小、施工简便快捷等优势,工程实践中不仅可以应用到高层建筑,在道路、桥梁等工程中也有一定的应用。在现代建筑业中,高层建筑不断兴起,在遇到一些承载力较低的土质时,若采用普通混凝土灌注桩,即使通过加长桩身、加大桩径也不能满足承载力的要求 ^[2,3],此时,混凝土扩盘桩作为一种相对较新型的桩形式便得到了应用。通过专用的机械设备,经过多年的发展,现在扩大盘钻扩技术已经完全可以实现在黏土、砂土中很好地完成成孔、成盘 ^[4]。

　　 由于实际工程中的地质条件千变万化,十分复杂,当采用混凝土扩盘桩时,各盘可能设置在承载力比较高的土层中,目前对混凝土扩盘桩的理论研究大多是将承力盘置于黏性土中,已有的研究表明细粉砂土土层可以设置承力盘 ^[5],且目前对混凝土扩盘桩处于黏土土层的极限承载力的研究较为成熟,但是对于不同土层以及不同含水率对混凝土扩盘桩承载力的影响研究较少,关于砂土土层性状对混凝土扩盘桩承载力影响的研究几乎空白。实际上,砂土土层的含水率、密实度对混凝土扩盘桩的承载力会产生很大的影响。

　　 本文主要是通过原创的小模型半面桩试验方法 ^[6],探讨在竖向压力作用下细粉砂土的含水率对混凝土扩盘桩的影响。根据细粉砂土实际情况以及半截面小比例模型试验经验和数据,制作半截面模型桩;根据试验要求确定并制作试验加载装置、试验承土装置;观察从加载到破坏整个过程中土体的变化情况,通过观察描绘土体破坏形式,拍摄土体破坏情况,进行试验数据收集、整理、分析,并与现有的理论分析结果及承载力计算结果进行对比,修正和完善现有的研究成果,使其更具有指导性和可行性,为混凝土扩盘桩处于不同含水率细粉砂土中的工程实践提供理论基础。

　　 为分析细粉砂土含水率的变化对桩周土抗压破坏的影响,假定桩强度远远高于土体,设计a～d桩共4根同样规格的桩,桩参数如表1所示,试验中只改变细粉砂土含水率。模型桩采用钢制桩,如图1所示。

　　 承土器的设计秉承以下原则:既要满足混凝土扩盘桩抗压破坏的影响范围又要满足试验过程中方便拆装、移动,制作成本经济合理、刚度适宜,而且还要考虑到边界效应等因素。根据经验 ^[7],在原有原状土试验所用的取土器基础上加以改进,使侧板四周向内凹,在增加刚度的同时,又便于拆卸、固定钢板,如图2所示。

　　 通过控制细粉砂土和水的质量来制作不同含水率的土样,如表2所示。主要通过细粉砂土和水的称重、逐层埋砂压实、整平等过程,制作细粉砂土土样。通过桩定位、砂面抠槽、埋桩、网格划分等过程,形成试验用试件,如图3所示。

　　 试验采用的是自主研发设计的应力加载装置,如图4所示。 由于试验是室内小模型试验,试件较小,承载力相对较小,对加载装置的精度要求较高,故采用的是2t的手动液压穿心千斤顶;位移传感器的型号为YHD-100(图5),精度为1mm,行程为10cm。除此之外,还需要其他试验器材作为辅助,包括钢化玻璃板、卡夹、垫块、垫片、取样环刀、数码摄像机、卷尺、水桶、电子台秤等。

　　 试验采用控制位移的方法进行加载,位移步距设为1mm,桩顶的位移每增加1mm记录一次液压千斤顶显示器的荷载 ^[8],当出现以下任意一种情况时可以终止加载:1)当桩顶位移增加而荷载几乎无变化或荷载增加位移急剧增大时,可判定达到极限荷载,无法继续加载;2)当位移-荷载曲线上有可判断极限承载力的突变段,或者曲线为缓变型无明显突变但桩顶总沉降量超过千斤顶的行程40mm时;3)不适于继续加载的其他情况引起试验无法继续进行时 ^[9]。

　　 试验数据是试验结果分析的依据,保证试验数据的准确性是试验研究成功的关键。试验需要采集的数据包括桩身位移值、竖向压力荷载值、桩土相互作用图像。试验中桩身位移值利用位移计人工读数,每隔1mm记录液压千斤顶显示器上的荷载值,每隔2mm利用摄像机拍照记录试验中位移、桩土相互作用随着荷载变化的全过程;试验达到极限破坏状态无法继续加载时,利用黑色记号笔在钢化玻璃上描绘出盘下土体挤压密实的细粉砂土形状,并用摄像机更加清晰直观地记录竖向压力下桩土相互作用的状态。

　　 创新性地在细粉砂土的表面画上水平网格线,当对半截面扩盘桩加载时,盘下土体受力状态发生变化,桩周细粉砂土的移动可以通过绘制的网格线的反应体现出来,这样就能够清晰地看到盘下受力土体的影响范围以及形状。试验发现,当混凝土扩盘桩桩周土体为细粉砂土时,在竖向压力作用下,混凝土扩盘桩与周围土体共同作用的破坏过程基本相同。试验时,对桩顶施加荷载的过程中,每产生1mm位移,用摄像机记录桩周细粉砂土的破坏情况,以b桩为代表,选择有代表性的图片展示桩周土体的破坏过程,如图6所示。

　　 从图6可以看出:1)未加载时,桩底及扩大盘与细粉砂土结合紧密,扩盘桩周围的水平网格线未弯曲;2)加载初期,即在施加一定荷载之后,盘尖端位置出现水平裂缝,且盘上细粉砂土与盘分离,只有扩大盘下较小范围的网格线出现微弯曲,盘下土体变化不明显;3)加载中期,即随着荷载的增加,盘尖端土体沿水平方向裂缝发展,盘下及桩端的水平网格线弯曲明显,说明盘下和桩端的土体受力开始增大,影响范围也逐渐扩大;4)加载末期,此时荷载无法继续增加,说明试件已经达到极限破坏状态,盘下水平网格线沿着竖向弯曲明显,甚至盘附近和桩端的网格线已经出现中断的情况,且从网格线的弯曲状态可以发现盘下土体变化范围成“心形”分布,符合盘周土体发生滑移破坏的理论,桩端土体的变化形状基本成长球形,由于影响范围较小,竖向基本可以按压缩考虑。

　　 由于含水率不同,各个试件的桩周土体变化情况也有所不同,在桩顶荷载的作用下,当桩顶竖向位移在20mm左右时,认定桩处于不同含水率的细粉砂土中均达到破坏状态,试验过程中位移传感器记录位移并用摄像机记录桩周土体的破坏状态,整理试验结果进行对比分析,如图7所示。

　　 从图7可以清晰地看出,a～d桩各桩达到极限承载力时土体的破坏形式基本相同,即影响范围均为“心形”,土体沿一定角度向下发生滑移破坏;同时,对比不同含水率试验模型破坏后的状态,可以很容易发现,随着含水率的增大,盘下细粉砂土的受力范围相对减小,即土体传递力的能力越小,因此同样位移下的承载力越小(图8);扩盘桩在不同含水率的细粉砂土中,盘端的土体破坏状态也是基本相似的。

　　 进行加载试验时,为了提高数据的准确性,在试验数据统计时,将扩盘桩上部的千斤顶垫片及千斤顶自身的重量计入其中,试验数据更贴近实际,扩盘桩在抗压状态下,根据不同含水率试件测到的荷载-位移数据绘制荷载-位移曲线,如图8所示。

　　 由于加载试验需要辅助设备,包括千斤顶、千斤顶垫片、桩顶垫块,这些辅助设备的静荷载经过称重为0.034kN,因此图8中位移为0mm时,荷载并不为0。从图8可以看出,各桩荷载-位移曲线的总体变化趋势基本相同,随着桩顶荷载的增加,位移也逐渐增大,但在加载初期,位移随荷载变化的幅度较大,说明承力盘还没有完全起作用。随着荷载的不断加大,荷载-位移曲线进入平稳发展阶段,说明承力盘已经发挥作用。随着对桩顶加载到最后阶段,对桩顶施加较小的荷载,桩的竖向位移便迅速加大,说明桩周土体已达到极限破坏状态,混凝土扩盘桩的单桩承载力达到极限荷载。由图8还可以发现,a～d桩荷载-位移曲线虽然变化趋势大致相同,但曲率不同,这是因为随着含水率的不同,扩盘桩位移随承受荷载的变化率有所差异。发生同样位移值时,a桩(理论含水率10%)的竖向承载力较大,与b桩(理论含水率12.5%)曲线变化趋势相似,含水率虽然相差2.5%,但竖向承载力差异相对明显,a桩的极限承载力为4.45kN,b桩的极限承载力为3.496kN,二者相差0.954kN,说明混凝土扩盘桩的承载力随着细粉砂土的含水率增加而降低;c桩(理论含水率15%)与d桩(理论含水率17.5%)的荷载随位移变化趋势极其相似,二者的含水率差值虽然同样为2.5%,但二者最终的极限承载力差值很小,说明细粉砂土含水率在大于15%时,随着含水率的增加,混凝土扩盘桩的承载力变化很小;在细粉砂土含水率小于15%时,随着含水率的变化,混凝土扩盘桩的承载力变化明显。

　　 (1)对于桩周细粉砂土,加载初期,盘下土体挤压密实,盘尖端位置沿水平方向出现裂缝,盘上细粉砂土与盘分离;继续加载,盘下土体影响范围逐渐扩大,随着荷载继续增加,盘下土体受力范围成“心形”分布;加载末期,盘下土体发生滑移破坏,桩端土体呈长球形。通过不同含水率的破坏状态对比分析发现,虽然含水率不同,但是桩周土体的破坏性状基本相同,只是涉及的范围不同。

　　 (2)对于混凝土扩盘桩,含水率为10%时,桩的竖向承载力最大,含水率为12.5%时,桩荷载-位移曲线变化趋势与含水率为10%时相似,但竖向承载力相差较大;混凝土扩盘桩的承载力随着细粉砂土的含水率增加而降低,细粉砂土含水率为15%和17.5%时,荷载-位移曲线的变化趋势极其相似,但二者的极限承载力差值也很小,与含水率为10%和12.5%时的承载力相差悬殊,说明细粉砂土含水率在大于15%时,随着含水率的变化,混凝土扩盘桩的承载力变化很小,而细粉砂土含水率小于15%时,随着含水率的变化,混凝土扩盘桩的承载力变化相对明显。所以,在工程实践中,当细粉砂土的含水率不均匀时,估算扩盘桩的承载力应该乘以一个相应的调整系数,含水率不同调整系数也有所差异。此试验采用埋土法,因此不宜用于非砂土状况。

　　 (3)本试验采用半截面桩的形式,便于更好地观察混凝土扩盘桩从加载到土体破坏的整个试验过程,能够观测到盘下土体在每一步荷载作用下的破坏情况,半截面桩的形式突破了以往试验过程中只能收集到数据而无法观测到具体破坏状态的难题。试验中新的可拆装承土器和填砂埋桩方法也都是创新,进一步完善了半面桩的试验研究方法。