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摘要：根据第二届全国大学生岩土工程竞赛的比赛细则，结合对赛题及材料性能的分析，通过桩基选型、模型构造、分析计算三个方面，介绍了扩底灌注桩模型的结构设计和模型制作方法。
关键词：岩土工程竞赛；扩底灌注桩；模型设计
本文引用格式：侯兴民,等.全国大学生岩土工程竞赛灌注桩模型设计与制作[J].教育现代化,2019,6(82):197-198.
为深入推进土木工程人才培养模式改革，激发青年学生的创新意识，提高对岩土工程及相关学科的学习兴趣，锻炼学生的动手实践能力和协作精神，促进不同高校学生间的沟通交流，2017年4月举办了“第二届全国大学生岩土工程竞赛”，竞赛由高等学校土木工程学科教学指导委员会、中国土木工程学会主办，中国土木工程学会土力学及岩土工程分会、河海大学承办。竞赛以建造基桩为题目，要求设计自重在一定范围内、有较大承载能力且沉降量小的桩基础。
竞赛主办方统一提供1.0mm厚的灰底白纸板、风干标准砂、双面胶带和透明胶带、剪刀、裁纸美工刀等材料以及内壁尺寸80×40×50cm（长×宽×高）的有机玻璃模型槽；桩型可以采用灌注桩、管桩、板桩等。基桩横断面和纵断面形式不限，其中，灌注桩可封底，并用砂填满；管桩内部在任何位置不允许封闭，上部留2cm不能灌砂。逐级加载至70kg，模型制作及加载时间共计2h。
本次竞赛的评分标准为：在70kg荷载下沉降＜3mm为A档，>3mm为B档，加载失败的为C档。三档内部按各自得分排序：S=S1+S2-S3-S4。式中，S1为报告得分，最高100分；S2为沉降得分，S2=1000-100×，为沉降量，mm；S3为用模型超重所扣分数；S3=max[0，(P-300)/5]+max[0，(M-2000)/50]，P为模型质量（g），M为灌注桩内灌注填砂的质量（g）；S4为超时所扣分数，S4=max[0，10×(T-120)]，T为耗时（min）。
通过对赛题的研究，本次竞赛设计模型需要考虑加载承重以及桩基沉降等问题。其中由于沉降得分占总得分比重较高，因此，模型成功的关键就在满足承重的前提下尽可能的减少桩基沉降量。包括清华大学、同济大学等在内的61所通过住建部土木工程专业评估的高校中，烟台大学土木工程学院代表队获得本届竞赛三等奖。本文将从以下方面介绍参赛模型的设计与制作。
一桩基选型
（一）桩基截面选择
理论分析可知，在周长相同（用纸量相同）的前提下，对于三角形、正方形、圆形桩所围起来的底面积，圆形的最大，因此可以提供更大的端阻力，有利于减小沉降量；同时由于比赛提供的卡纸较硬，折成90°或小于90°时容易产生裂纹，对桩体造成破坏，而使用PVC管将卡纸卷成圆筒，则不会对纸造成破坏，且制作简单，故采用圆形桩。
（二）结构设计
1.桩数
根据桩端阻力标准值、桩侧摩阻力标准值的测试实验可知，对三根桩施加荷载时，很难保证荷载均匀传递到各个桩基，荷载会偏向其中一根桩，导致其沉降量与其他两根桩的沉降量差异较大；相比于三根桩的方案，加载的偏心作用对四根桩的影响要小，而且试验发现四根桩之间的沉降量差异不大，故桩数采用四根。
2.桩型
通过对桩端阻力标准值、桩侧摩阻力标准值的比较，发现单位面积的端阻力远大于侧摩阻力，采用扩底桩可以增大端阻力。由于桩基需要承受70kg的荷重且卡纸的承载能力低，采用灌注桩可提高桩身抗压强度。
二 桩基构造
桩身横截面为圆形，为防止卡纸卷成圆筒的接缝处发生破坏，将卡纸在接缝处交错2cm，并用双面胶固定，外面以透明胶固定。底部扩大头由叠加的卡纸和环形加劲肋共同构成，每层扩大头所使用的卡纸，内侧均贴有双面胶，外侧贴透明胶带。上部桩身外侧设置七条用卡纸做的箍筋，其中荷载作用在桩顶容易将桩顶破坏，故设置一条纸箍以加固桩顶，其余六条均匀分布以降低桩身长细比，提高桩的稳定性，增强桩身强度，减小桩身变形。具体结构尺寸及功能见表1。
三 受力分析及计算
（一）建模
利用Midas GTS NX软件，建立桩和砂箱的3D模型并进行有限元计算。分析各个部位的应力和变形，对桩基础沉降位移进行校核，提出存在的问题，以进一步改进设计。
（二）计算分析
由试验[1,2]测得单桩极限侧摩阻力标准值qsik=1.12kPa、极限桩端阻力标准值qpk=170kPa。
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[3]计算得，单桩竖向承载力特征值Ra为448N，则四根桩的总承载力为448×4=1792N＞700N满足竞赛要求。
桩基沉降总沉降量S总[4]由桩底地基沉降量S地基和桩身压缩量Se两部分组成，其中桩底地基沉降量由分层总和法[5]算得0.111mm，桩身压缩量为0.298mm。因此，桩基总沉降量为0.409mm。
由于材料制作的构件尺寸和形状、仪器设备、加载方式等因素的影响，使得测试结果的离散性很大，从而产生误差，导致试验测试的结果、设计计算结果及有限元软件计算结果存在差异。
四 结论
1.通过现场模型制作及加载试验，该扩底灌注桩模型的材料用量、制作时间、承载力以及沉降量均满足竞赛要求，具有一定的竞争力，其中若更加全面地考虑桩数的影响，沉降量会控制的更好，成绩则会更高。
2.虽然模型相对简单，沉降的实测值和设计计算值、迈达斯数值模拟结果有差异，实测值比后两者都大，但这也体现了岩土工程复杂性：很多力学物理参数不仅和材料有关，还和形状、尺寸、荷载、加载过程以及土的性质有关。要准确地计算桩土模型的力、位移、应力、沉降，需要做大量的模拟分析工作。
3.通过设计计算和模型制作，将理论知识应用到实际操作中。在这个过程中发现问题，解决问题，不仅提高了动手能力，还加深了对桩基相关知识的理解。
参考文献
[1]土工试验方法标准[M].北京:中国计划出版社,1999.
[2]工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[3]建筑桩基技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[4]建筑基桩检测技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[5]建筑地基基础设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
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