支盤樁承載性能的有限元分析

范孟華

(河南大學土木建筑學院，河南開封 475001)

0 引言

支盤樁可充分利用較好土層設置承力盤(岔)，單樁承載力高，并具備良好的承壓、抗水平力和抗拔能力;與普通混凝土灌注樁相比，可縮短樁長，減小樁徑，減少樁數(shù)，從而可縮短工期;設計靈活、適應性強;低噪聲，低振動，泥漿排放量小，符合環(huán)保要求;機械化程度高［1］;特別是承受動荷載的性能較高［2］。正是因為支盤樁有如上所述的很多優(yōu)點，且其應用時間較短，理論研究相對落后，因此有必要對支盤樁進行深入研究。

1 有限元分析

1．1 計算模型及計算參數(shù)的選取

采用軸對稱幾何模型建模，樁和土體均采用15節(jié)點三角形單元，在樁土界面上設置界面單元來模擬樁土的相互作用，樁體采用線彈性模型，土體采用Mohr-Coulomb非線性模型，土體自重應力場的形成采用自重加載方案，并將自重加載工序的計算位移設為0。樁干直徑1 m，樁長15m，承力盤直徑為2m，承力盤高為1 m(標準2盤樁，在地面下3 m處和12 m處各設有支盤);根據(jù)試算，土體計算范圍半徑取25 m，深度取30 m。樁的計算參數(shù)如下:γ =25 kN/m3，Eref=2．3 ×104MPa，泊松比為0．25，界面強度折減因子Rinter=1。粉砂的計算參數(shù)如下:γ=17 kN/m3，內(nèi)粘聚力cref=1 kPa，內(nèi)摩擦角為 31°，Eref=13 MPa，泊松比為 0．3，界面強度折減因子Rinter=0．6。不考慮地下水影響。

1．2 樁身荷載傳遞規(guī)律

對標準2盤樁采用分級加載，由計算后得出各級荷載作用下的樁身軸力可知(見圖1)，對每級荷載，樁身軸力從上往下逐漸減小，在支盤處軸力減小較多，其原因本文認為是支盤分擔了部分荷載并傳遞給周圍土體;對每個支盤而言，盤頂處軸力變化較大，盤底處軸力變化較小。當樁頂荷載較小時，上、下盤分擔的荷載相差不大，下盤分擔的相對較大(見圖2)，并不像某些文獻上介紹的上盤的承載力達到極限后，荷載才向下盤傳遞，而是從一開始下盤就承受著較大的荷載;隨著樁頂荷載的增加，上、下盤分擔的荷載都相應增加，但下盤分擔的荷載增長速度要快一些，下盤的承載潛力大得多。由于下部盤的承載潛力較大，故對均質(zhì)土，隨荷載增大，上部盤承載達極限后，下部盤才會逐漸進入極限狀態(tài)，即承力盤一般是按照自上而下的順序屈服的，非均質(zhì)土中的承力盤則不一定按此順序屈服。

圖1 各級荷載下的樁身軸向應力

圖2 支盤承擔荷載情況

2 影響支盤樁承載力的因素

2．1 盤的位置

為了分析盤的不同深度對樁的承載性能影響，取單盤樁分別在地面下3m，7．5m和12m處設支承盤。由圖3可知，在線性工作階段，其Q—s曲線幾乎相同;在破壞階段，處于最低處的支承盤承載力最大，其Q—s曲線較平緩。一般較低支承盤處的土體較密實，承載力較高。由此可知:支承盤的位置越低，其承載力越大，支承盤越靠近地面，其承載力越小。故從承擔豎向受壓荷載而言，應將支承盤盡量設在地面下較深處。

圖3 盤在不同深度的Q—s曲線

2．2 盤的間距

CECS 192∶2005擠擴支盤灌注樁技術規(guī)程規(guī)定:擠擴支盤樁豎向最小盤間距不應小于2D;通過上述分析，本文認為支盤樁豎向最小盤間距不應小于臨界盤間距［3］，否則上、下盤的傳力會相互影響，降低承載性能。對于其他土(粘性土、粉土)，經(jīng)驗算發(fā)現(xiàn)該結(jié)論同樣成立。

2．3 盤的形狀

取盤的形狀如圖4所示，單盤樁盤的中心位置在地面下12 m處。經(jīng)計算當樁頂荷載較小時，各種不同形狀支盤樁的Q—s曲線幾乎完全相同，在破壞階段，才有細微的差別，增量剪應變云圖也基本相同。故盤的形狀對支盤樁的承載性能影響很小，可忽略不計。可推薦采用圖4a)的支盤形狀。

圖4 盤的不同形狀

2．4 盤的尺寸

1)盤徑的影響。取單盤樁盤中心位于地面下12 m處，盤的截面形狀為矩形，如圖4b)所示，分別取承力盤直徑 D=2 m，2．4 m，3 m進行計算。盤徑越大，其承載力越高，Q—s曲線也越平緩(見圖5)。

圖5 不同盤徑的Q—s曲線

2)盤高的影響。盤高是指支盤根部的高度。為便于研究，還是取單盤樁，盤的中心位于地面下12 處，盤的截面形狀為矩形，盤徑均為2m，如圖4b)所示，分別取承力盤高度為1m，2m進行計算。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)盤高越大，其承載力越高，Q—s曲線也越平緩。

2．5 盤的數(shù)量

分別對樁長32 m的2盤樁(2盤分別在地面下20 m和29 m處)、4盤樁(4盤分別在地面下2 m，11 m，20 m和29 m處)、6盤樁(6 盤分別在地面下2m，11m，15．5m，20m，24．5m和29m處)和7 盤樁(7 盤分別在地面下2 m，6．5 m，11 m，15．5 m，20 m，24．5 m和29 m處)加壓，當樁頂被壓入土中0．1 m時的Q—s曲線如圖6所示，由圖6可知，隨著盤數(shù)的增多，支盤樁的承載力越來越大，但增長的幅度逐漸減慢。

圖6 盤數(shù)不同時支盤樁的Q—s曲線

2．6 土的性質(zhì)

為了研究土體性質(zhì)對支盤樁抗壓性能的影響，以2盤樁(兩盤分別在地面下3 m和12 m處)為例，研究某參數(shù)影響時假定其他參數(shù)不變。

隨著土體重度、模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)粘聚力、泊松比、土體界面強度折減因子的增大、地下水位的加深，支盤樁的抗壓承載力隨之增大，但增長的速度越來越慢。

3 結(jié)語

1)從一開始下部承力盤就承受著較大的荷載;隨著樁頂荷載的增加，下部承力盤承受的荷載越來越多。下部盤的承載潛力較大;均質(zhì)土中的承力盤一般是按照自上而下的順序屈服，非均質(zhì)土中的承力盤則不一定按此順序屈服。2)在荷載作用下，樁身軸向應力從上往下逐漸減小，在支盤處軸向應力減小得較多;對每個支盤而言，盤頂處軸向應力變化較大，盤底處軸向應力變化較小。3)支承盤的位置越低，其承載力越大，支承盤越靠近地面，其承載力越小。故應將支承盤盡量設在地面下較深處。支盤樁豎向最小盤間距不應小于受壓臨界盤間距，否則上、下盤的傳力會相互影響，降低承載性能。4)盤形狀對支盤樁的受力影響較小，盤徑和盤高越大，其承載力越高，Q—s曲線也越平緩，盤徑比盤高的影響要大一些。隨盤數(shù)的增加，支盤樁的承載力增大。5)隨著土體模量、內(nèi)摩擦角、界面強度折減因子的增大，支盤樁的抗壓承載力增大，但增長的速度越來越慢。土體內(nèi)粘聚力、泊松比、土體重度越大，地下水位的加深，支盤樁的抗壓承載力越高。

［1］張宗勝，李兆坤，何其正．擠擴多支盤的混凝土灌注樁簡介［J］．天津城市建設學報，2005，11(2):81-85．

［2］盧成原，王珊珊，孟凡麗．非飽和粉土中模型支盤樁在重復荷載作用下的試驗研究［J］．巖土工程學報，2007(4):603-607．

［3］范孟華．基于最小抗力的支盤樁承載力和臨界盤間距［J］．巖土工程學報，2011(S2):295-298．