一种模拟注浆扩底桩抗抜承载力的试验方法技术领域
本发明属基础工程特别是沿海软土地区基础工程建设领域，具体设计一种模拟注
浆扩底桩抗抜承载力的试验方法，该发明简单易行，经济可靠。
背景技术
随着社会经济的发展和城市化进程的加快，地下空间的利用成为新的发展方向。
但在我国沿海软土地区，由于地下水位较高，大规模地下建筑的抗浮问题成为地下工程界
的焦点问题。设置抗拔桩是解决地下工程抗浮问题的常用方法，长期以来得到广泛的应用。
新型注浆成型扩底桩借鉴了传统扩底桩的抗拔机理和注浆技术，将注浆成型装置优化为圆
柱形，安装在钢筋笼底部，钻孔灌注桩混凝土浇捣完成以后注浆就能够在桩底形成扩大头，
完成了注浆成型扩底钻孔灌注桩
抗拔桩的承载能力主要取决于桩端阻力，新型注浆成型扩底桩的抗拔承载力的提高主
要源于扩底过程中的挤土效应和注浆渗透时对扩大头周围土体的二次硬化，从而极大地提
高了抗拔承载力。因此，对新型注浆成型扩底桩的力学特性的研究具有巨大的工程价值。
目前，新型注浆成型扩底桩的应用尚处于起步阶段，国内外对其承载能力的研究
并不充分。为弥补扩底桩现有研究的不足，针对扩底桩抗拔承载力研究亟待解决的问题，本
发明提出一种测试新型注浆成型扩底桩力学性质的试验方法，从而更好的指导注浆成型螺
纹抗拔桩的工程实践。
发明内容
本发明的目的就是针对新型注浆成型扩底抗拔桩承载力研究亟待解决的问题，提
出一种试验方法。
本发明提出的一种模拟注浆扩底桩抗抜承载力的试验方法，把复杂的注浆过程等
价转换为较简单的扩大头等直径扩大的方案模拟真实情况，采用室内桩土模型试验仪，进
行模型桩扩底的抗抜试验，获得拉力和位移之间的关系，从而了解注浆成型扩底桩的力学
特性；
所述室内桩土模型试验仪由桩土模型箱、加压装置、侧向拉拔装置和数据采集装置组
成，桩土模型箱为立方体结构，桩土模型箱顶部设有加压装置，加压装置与杠杆一端连接，
杠杆另一端悬挂砝码进行加载；桩土模型箱前部开有圆孔，模型桩端部穿过该圆孔与侧向
拉拔装置连接，加压装置下端与模型箱之间设有力传感器和位移传感器；
模型桩包括扩大头顶板、扩大头底板、扩大头侧板、螺栓和桩身，扩大头顶板和扩大头
底板两端设有卡槽，扩大头顶板和扩大头底板水平布置，两块扩大头侧板垂直布置，扩大头
顶板、扩大头底板和两块扩大头侧板组成框架结构，模型桩内设有滑块，所述滑块与扩大头
底板之间固定有三块通过铰链合页连接的弧形板以及弹簧，扩大头顶板上方通过螺栓连接
桩身，桩身内设有两块可滑动橡胶块，由两块可滑动橡胶块和桩身内壁组成的空间构成一
个密封区，所述密封区通过管道连接充气泵，传动杆一端依次穿过桩身和扩大头顶板，通过
螺栓与滑动连接；传动杆上端设有刻度线；
具体步骤如下：
（1）模型桩制备和标定土压力盒
在使用前对土压力盒进行标定，以便于后续实验过程中将土压力盒量测得的数据转化
为真实的土压力值；具体为：将土压力盒平放在桌面上，通上电源，然后在其上面压上已知
重量的砝码，用万用表记录下此时土压力盒的电信号值，得到第一组数据，采用相同的方
法，更换另一种已知重量的砝码，得到第二组数据；这样得到压力和电信号值之间的关系；
在模型试验的操作时，通过电信号值就可以根据标定曲线得到对应的土压力值；
（2）埋置模型桩和土压力盒
需要将待加载的模型桩埋置在桩土模型箱内，所用土样为粉细砂，采用落雨-夯实的方
式进行土样的装填，为保证每组试验土样初始状态的一致性，装填中应定量落雨，逐层夯
实，以此控制填砂密实程度一致；
具体为：使用同种规格不锈钢盆向桩土模型箱内采用落雨倾倒方式加粉细砂，并使其
在模型箱内平铺，每向桩土模型箱中使用不锈钢盆倾倒 10 盆粉细砂，当填砂平面上升
3.5cm时，进行一次夯实，依照 s 形逐排夯实，待夯实完成后，填砂平面下降 1cm，而后继续
落雨填砂，如此往复循环，直至装填到预定高度；待填砂平面到达位于模型箱前部所开圆孔
底部时，进行模型桩的安放；首先用抹泥板将填砂表面严格整平，而后将模型桩顺直放置在
填砂平面上，模型桩的桩身需与圆孔所在的桩土模型箱侧壁保持严格的垂直，以确保试验
过程中对桩体的拉拔保持轴向，不引起偏心；模型桩顶部从圆孔伸出 3cm，以便与侧向拉拔
装置连接，模型桩与侧向拉拔装置之间安装有位移传感器及力传感器，通过侧向拉拔装置
上的精密螺杆输出向上或者向下的位移；将模型桩安放妥当后，在模型桩四周覆盖一层薄
砂，并在其上安放用于测量土压力的土压力盒，继续填砂；
（3）连接加载设备
模型箱内的填砂平面随着填砂进程不断上升，待填砂平面升至距模型箱顶 2cm 距离
时，停止填砂，将带有钢柱的钢板覆盖到粉细砂顶面，为防止顶部固结加压装置加压过程中
钢柱发生偏斜导致钢板无法竖向垂直施压，影响试验效果，在钢柱顶端安装一加固横梁，而
后在固结加载装置的杠杆一侧添加需要的砝码，启动固结加载装置，对模型箱内的土样顶
部施加竖向压力。
将侧向拉拔装置与模型箱壁进行连接之后，需进行模型桩的桩头与拉力传感器的
连接；该连接实现两个功能：一是需要保证模型桩在桩体上拔程中始终处于轴向受拉状态，
不发生偏斜；二是需要确保该连接构件本身在上拔力的作用下变形很小，相对于桩体的上
拔位移可以忽略不计。采用钢制 U 形扣连接方式，能够很好满足以上的两点要求。
将带有横梁的钢制桩帽通过螺纹与桩顶相连，然后将 U 形扣穿过桩帽的横梁，并
将开口对准拉力传感器的钢环，随后使用螺帽将 U 形扣的开口封闭，从而实现桩顶与拉力
传感器的连接。
（4）抗抜加载测试
侧向拉拔装置所有参数设定完毕，然后进行调试，启动室内桩土模型试验仪，由扩大头
内部的滑块，通过气压伺服传动机制移动滑块，来带动传动杆水平移动，直到达到目标扩大
头直径，然后开始拔桩；采用位移加载方式，模型桩在拉拔试验过程中，控制拉拔速率为
0.1mm/min 不变，当侧向拉拔位移达到 6mm 时终止试验；最后导出位移与荷载的关系曲线
以及土压力在不同位移时达到的土压力值，用以分析土体的破坏机理以及扩底桩的抗拔承
载力特性。
本发明中，所述步骤（1）中，模型桩选用钢管制作，其可加工性强，拉伸强度大，保
证了在试验中模型桩能够承受较大的上拔荷载而不被拉断。模型共分两部分，扩大头部分
和桩身部分，用螺栓连接。其中扩大头部分由三块孤型板用铰链合页连接，扩大头顶板与桩
身主体骨架用螺栓连接，共有三种不同的尺寸，以模拟不同的扩大头直径。其中，最重要的
扩底过程用机械扩底的方法来实现。
本发明的有益效果在于：
注浆成型扩底桩是一种新型的抗拔桩基础形式，国内外对其承载能力的研究并不充
分，对扩底桩桩土接触面力学性质的研究基本处于空白状态。本发明提出一种注浆成型扩
底抗拔桩抗抜承载力力学特性的测试方法，基于此可以了解注浆成型扩底抗拔桩端阻和侧
阻的发挥特性和荷载传递规律，得到这一新型扩底抗拔桩的关键性设计参数即扩大头尺
寸，从而合理地指导注浆成型扩底抗拔桩的工程实践，确保新型桩基推广应用的经济性。
附图说明
图1为模型桩扩底前状态图；
图2为模型桩扩底后状态图；
图3为1-1剖面图；
图4为2-2剖面图；
图5为装置正立面示意图；
图6为固结加载装置侧立面示意图；
图中标号：１为刻度线，2-螺纹（连接拉拔装置），3-螺栓，4-扩大头顶板，5-卡槽，6-扩大
头底板，7-充气泵，8-密封区，9-可滑动橡胶块，10-扩大头侧板，11-滑块，12-弹簧，13-固定
螺栓，14-加压装置，15-模型箱，16-侧向拉拔装置，17-数据采集系统，18-模型桩，19-土压
力盒。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例１：
１、试验方案
本试验开展模拟新型注浆成型扩底桩的室内模型抗拔承载力试验，同时考察扩大头直
径与桩身直径之比（简称头径比）、扩大头长度及直径之比（简称长径比）等参数对注浆成型
扩底桩承载特性的影响。以此认识剪切过程中荷载传递规律，扩大头附近土压力分布规律
和变化特性，初步探索注浆成型扩底桩的承载机理。同时开展不同法向压力条件下的扩底
桩抗拔试验，以考察不同埋深处扩大头端阻的发挥性状。实验方案布置如图2 所示。同时拟
定进行2种不同扩大头长度的扩底桩分别在100kPa、200kPa竖向围压下分别以1.5和2的头
颈比（扩大头直径和桩身直径之比）挤扩土体的模拟抗拔试验，为了方便试验的开展，本试
验采用的模型桩桩身直径取40mm，扩大头扩大后直径分别为60mm和80mm，同时还分别考虑
两种扩大头的长度（75mm、100mm），共6组。
２、试验装置
采用的主要设备为室内桩土模型试验仪，主要由以下四部分构成：桩土模型箱、加压装
置、侧向拉拔装置、数据采集装置。
2.1 桩土模型箱
桩土模型箱采用钢板焊接而成，能够在试验所需的顶压下保证足够的强度与刚度。其
内部尺寸为 850mm×850mm×900mm （长×宽×高），模型箱的顶部配有相应的钢板，并与加
压装置相连；模型箱的前部开有一圆孔，可以使模型桩头穿过此圆孔与侧向拉拔装置连接。
2.2 加压装置
加压装置采用由南京土壤仪器厂有限公司生产的 DGJ-250 型大型离心机固结加载装
置。使用时在固结装置的一端悬挂砝码进行加载，经由电机制动进行平衡后的杠杆对施加
的荷载进行放大，从而得到试验所需的高固结压力，本加载装置杠杆放大系数为 36 倍。
2.3 侧向拉拔装置
侧向拉拔装置如图4所示，通过仪器内部的精密螺杆输出向上或者向下的位移，以此来
实现对模型桩的拉拔及施压。装置位移的输出速度可自行设定，速度范围在0.01mm/min~
5mm/min 之间。加载装置下端与模型桩连接部位安装有位移及力的传感器，并通过数据线
连接电脑可以实时输出模型桩桩顶的位移及荷载。
2.4 数据采集装置
数据采集装置利用 VB 程序编制数据自动采集软件，采集软件可设定数据采样周期，
默认为 1s 采集一次（即每分钟采集 60 组位移及荷载的数值），并可以将数据实时存储到
指定的数据库中。
2.5 模型桩
为了模拟注浆扩底的过程，拟设计制作一种新型的模型桩，如图5所示。该模型桩选用
钢管制作，其可加工性强，拉伸强度大，保证了在试验中模型桩能够承受较大的上拔荷载而
不被拉断。模型共分两部分，扩大头部分和桩身部分，用螺栓连接。其中扩大头部分由三块
孤型板用铰链合页连接，扩大头顶板与桩身主体骨架用螺栓连接，共有三种不同的尺寸，以
模拟不同的扩大头直径。其中，最重要的扩底过程用电机气压控制钢管内滑块的升降，然后
通过传动杆带动扩大头部分的三块弧形钢板水平移动来形成扩大头。
具体步骤如下：
１、制作模型桩和标定土压力盒
本试验采用的土压力盒在使用前需要进行标定，以便于后续实验过程中将土压力盒量
测的数据转化为真实的土压力值。具体的操作如下：将土压力盒平放在桌面上，通上电源，
然后在上面压上已知重量的砝码，用万用表记录下此时土压力盒的电信号值，更换另一种
已知重量的砝码，得到第二组数据。这样，就可以得到压力和电信号值之间的关系。在模型
试验的操作时，只要知道电信号值就可以根据标定曲线得到对应的土压力值。
２、埋置模型桩和土压力盒
将待加载的模型桩埋置在桩土模型箱内。本次试验桩所用土样为粉细砂，故而采用落
雨—夯实的方式进行土样的装填，为保证每组试验土样初始状态的一致性，装填中应定量
落雨，逐层夯实，以此控制填砂密实程度一致。具体地，使用同种规格不锈钢盆向模型箱内
将粉细砂落雨倾倒，并使其在箱内平铺，每向模型箱中使用不锈钢盆倾倒 10 盆粉细砂，填
砂平面上升 3.5cm，而后进行一次夯实，依照 s 形逐排夯实，待夯实完成后，填砂平面下降
1cm，而后继续落雨填砂，如此往复循环，直至装填到预定高度。
待填砂平面到达位于模型箱中部圆孔底部时，进行模型桩的安放。首先用抹泥板
将填砂表面严格整平，而后将模型桩顺直放置在填砂平面上，桩身需与圆孔所在的箱体侧
壁保持严格的垂直，以确保试验过程中对桩体的拉拔保持轴向，不引起偏心。桩顶部从圆孔
伸出 3cm，以待后续与拉拔装置连接。将模型桩安放妥当后，在桩周覆盖一层薄砂并安放用
于测量土压力的土压力盒，继续填砂。
３、连接加载设备
模型箱内的填砂平面随着填砂进程不断上升，待该平面升至距箱顶 2cm 距离时，停止
填砂，并将带有钢柱的钢板覆盖到砂土顶面，为防止顶部加压过程中钢柱发生偏斜导致加
压钢板无法竖向垂直施压，影响试验效果，为此特别在钢柱顶端安装一加固横梁，而后在固
结加载装置的杠杆一侧添加需要的砝码，启动固结加载装置，对模型箱内的土样顶部施加
竖向压力。
将侧向拉拔装置与模型箱壁进行连接之后，需进行模型桩的桩头与拉力传感器的
连接。该连接需要实现以下两个功能：一是需要保证模型桩在桩体上拔程中始终处于轴向
受拉状态，不发生偏斜；二是需要确保该连接构件本身在上拔力的作用下变形很小，相对于
桩体的上拔位移可以忽略不计。采用钢制 U 形扣连接方式，能够很好满足以上的两点要
求。将带有横梁的钢制桩帽通过螺纹与桩顶相连，然后将 U 形扣穿过桩帽的横梁，并将开
口对准拉力传感器的钢环，随后使用螺帽将 U 形扣的开口封闭，从而实现桩顶与拉力传感
器的连接。
4 抗抜加载测试
侧向拉拔装置所有参数设定完毕，然后进行各连接线路的调试，最后启动装置，藉由扩
大头内部的滑块，通过气压伺服传动机制移动滑块，来带动传动杆水平移动，直到达到目标
扩大头直径，然后开始拔桩。如前所述，本次试验采用位移加载方式，模型桩在拉拔试验过
程中，控制拉拔速率为 0.1mm/min 不变，当侧向拉拔位移达到 6mm 时终止试验。最后导出
位移与荷载的关系曲线以及土压力在不同位移时达到的土压力值，用以分析土体的破坏机
理以及扩底桩的抗拔承载力特性。
本发明已以较实例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中
具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发
明不限于上述实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改
进和修改都应该在本发明的保护范围之内。