基于 ANSYS的旋擴珠盤樁工作特性分析

葉海桃，陳 濤，陸鳳池

（1.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市職業(yè)學院，江蘇 南京 210002）

基于 ANSYS的旋擴珠盤樁工作特性分析

葉海桃1，陳 濤2，陸鳳池3

（1.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市職業(yè)學院，江蘇 南京 210002）

文章借助有限元軟件 ANSYS，通過對旋擴珠盤樁的數(shù)值模擬，分析了在樁頂荷載增加的過程中承力盤的端阻力、樁端阻力和樁側摩阻力的工作特性，并初步找出承力盤下受豎向附加應力影響的水平和垂直范圍。

ANSYS；旋擴珠盤樁 ；承力盤；豎向附加應力

目前，有限元軟件 ANSYS 在水電行業(yè)應用廣泛。通過單元類型，模擬工程中材料和結構，進行多種分析，計算功能強大。借此技術，結合旋擴珠盤樁工作特性，分析相應各樁受力狀況，可以為相關工程建設提供借鑒。

旋擴珠盤樁和DX樁以及擠擴支盤樁是屬于同一類型的樁，雖然名稱叫法上、成樁工藝上有所不同，但在樁型和承載機理上基本上是一致的，即通過改變樁身性狀來提高樁的端承力和側阻力，進而提高樁的承載力。但是，它們之間還存在一些細微的差別：即旋擴珠盤樁的變徑處都為完整的盤；而DX樁和擠擴支盤樁的變徑處根據(jù)設計需要有可能不是一個完整的盤。由于旋擴珠盤樁的承力盤的存在，使得單樁的荷載傳遞特性變得尤為復雜，同時也給工程實測數(shù)據(jù)帶來了一定的麻煩。下文借助有限元軟件 ANSYS 對旋擴珠盤樁進行數(shù)值研究，找出旋擴珠盤樁的一些工作特性。

1 基本假定及模型建立

在旋擴珠盤樁建模的過程中作了如下的基本假定：

1）單樁分析按空間軸對稱問題進行分析；

2）樁體為線彈性材料，土體為彈塑性材料，其屈服準則服從 D rucker－Prager 屈服準則；

3）旋擴珠盤樁和樁周土體均采用 20 節(jié)點六面體實體單元，單元號為 solid95；

4）由于上斜面不能拉著斜面上部土體一起向下移動，故承力盤上斜面有和土體分離的可能性；

5）模擬地基土區(qū)域大小為 20m（長）×20m（寬）× 36 m（深），單樁位于長寬的對角線中心，地基土垂直邊界設置水平約束，底邊界設置水平和垂直約束。

旋擴珠盤樁的幾何尺寸、材料性質和地基土的性質見圖 1。

圖1 樁的尺寸 材料性質和地基土的性質

2 結果分析

2.1 Q～S 曲線、樁身軸力的分析

旋擴珠盤樁和相同條件下常規(guī)直樁 Q～S 曲線，見圖 2。從圖 2 中可以很明顯地看出常規(guī)直樁的 Q～S 曲線呈陡降型，而旋擴珠盤樁的 Q～S 曲線呈緩變型。當樁頂荷載比較小時，兩者的沉降基本相同。這是由于荷載較小的情況下，承力盤的優(yōu)勢還未得到發(fā)揮。當樁頂均布荷載為 P＝6 MPa時，旋擴珠盤樁的樁頂沉降為 S＝21.98 mm，對應于常規(guī)直樁的樁頂沉降為 S＝40.6 mm。由此可以看出旋擴珠盤樁由于承力盤的存在使得單樁樁頂沉降大幅度地減小。

圖2 2種樁型的 Q～S對比

不同荷載情況下樁身軸力沿樁身的分布如圖3所示。由于承力盤的存在，樁身軸力在承力盤上下發(fā)生了明顯的陡降，并且隨著荷載增大，陡降的程度越大。

2.2 承力盤性狀的分析

旋擴珠盤樁承力盤的存在會很大程度上提高單樁承載力，但是各個承力盤在荷載分擔過程中所提供的端阻力是不同的，而且端阻力的發(fā)揮有一定的時間順序。在不同荷載情況下各個承力盤荷載分擔的比例，見圖 4。

圖4 各承力盤分擔荷載比例

當樁頂荷載較小時，頂盤開始分擔一部分荷載，其分擔的比例均大于其它2個承力盤。隨著樁頂荷載加大，其分擔的荷載比例逐漸減小，但減小的幅度很小，基本維持同一水平，此階段中其荷載分擔比例均小于其它 2個承力盤?？梢钥闯觯跇俄敽奢d逐漸增加的過程中，頂盤的端阻力發(fā)揮在時間順序上有一定的先前性，先于其它2個承力盤參與工作。在頂盤端阻力充分發(fā)揮時，由于頂盤的埋深較淺，其端阻力相應較小，因而當樁頂荷載達到一定數(shù)值后時，頂盤的荷載分擔比例較小。

中盤和底盤的荷載分擔變化趨勢很相似。當樁頂荷載較小時，兩者就分擔很小一部分荷載，隨著荷載的加大，兩者的荷載分擔比例逐漸增大，當荷載增加到一定程度時兩者分擔的荷載比例基本維持不變，并且在一個較高的水平。這說明了中盤和底盤端阻力的發(fā)揮在時間順序上有一定的滯后性。

由于地基土的性質不同，承力盤分擔荷載比例的變化趨勢、大小也是不一樣的，各個承力盤不會是等幅度地減小或者增加。圖5為不同荷載情況下，各承力盤所分擔荷載比例減去各自 P=0.5 MPa時相應荷載比例的變化曲線。

在荷載增加過程中，頂盤荷載分擔比例卻相應減小，減小的幅度很小，基本維持同一水平。在荷載較小時，中盤和底盤的荷載分擔比例增加的速度比較快，當荷載達到一定數(shù)值后，兩者增加的速度變緩，最終基本維持不變。

圖5 各承力盤分擔荷載變化圖

頂盤、中盤和底盤的荷載分擔比例在相同荷載變化條件下變化的幅度是不一樣，底盤最大，中盤次之，頂盤最小。這是由于頂盤的端阻力發(fā)揮在時間上先于其它兩個承力盤，在荷載增加的過程中，中盤和底盤接著發(fā)揮作用，此時先前有頂盤獨自承擔的大部分荷載依次有中盤和底盤參與分擔。隨著荷載增加，各盤逐漸進入極限狀態(tài)，從而各承力盤的端阻力充分發(fā)揮，因而埋深較深的底盤和中盤荷載分擔比例增大的幅度大于頂盤。除此之外，還因為底盤下的地基土的壓縮性較其它2個盤下的壓縮性小，因而端阻力相應地比較大，這樣底盤荷載分擔比例就會迅速增大。

2.3 承力盤、端阻力及摩阻力的綜合分析

圖 6，圖 7 和圖 8 分別為 3 個承力盤總的荷載分擔比例、樁側摩阻力分擔荷載比例和樁端阻力分擔荷載比例。

圖6 承力盤總的分擔荷載比例

當樁頂荷載較小時，所有荷載基本上都有樁側摩阻力承擔，如 P＝0.5 MPa 時，3 個承力盤分擔的荷載比例為 35.99%，樁側摩阻力分擔的荷載比例為 63.55%，端阻力分擔荷載比例為 0.46%。隨著樁頂荷載的增加樁側摩阻力荷載分擔比例逐漸減小，而3個承力盤總的荷載分擔比例和樁端阻力卻相應地增加，共同抵抗樁頂所加的荷載。當荷載增加到一定程度時，樁端阻力、3個承力盤端阻力的荷載分擔比例也增大到一個較高水平，并且基本維持不變，與此同時樁側摩阻力的荷載分擔比例也卻減小到一個較低水平，并且基本維持不變。

圖7 樁側摩阻力分擔荷載比例

圖8 樁端阻力分擔荷載比例

2.4 承力盤下豎向附加應力分析

圖 9 是在樁頂荷載 P=10 MPa情況下頂盤、中盤和底盤下豎向附加應力在水平方向和垂直方向的變化趨勢圖。

頂盤和中盤的豎向附加應力變化趨勢比較相似。在距離樁軸線水平方向為 0.5 D(D 為盤徑)的情況下，頂盤下的豎向附加應力隨著離承力盤下垂直距離增大而迅 速 降 低，如 圖 9（a）中 垂直距離中盤下 0.2 m 處的豎向附加應力為 19.6 kPa，而距離盤下 1.2m 處則減小為 0.47 kPa，可以認為頂盤下豎向附加應力的影響范圍為盤下 1.2 m （約 1D），中盤下的豎向應力影響范圍為 1.4 m（約 1D）。因此可以認為有承力盤豎向應力疊加部分的盤下豎向附加應力影響范圍約為 1D。隨著距離樁軸線水平方向距離的增加盤下豎向附加應力的值逐漸減小，如 9（b）中當距離樁軸線水平距離為 4D 時，中盤下的豎向附加應力大致維持同一水平，均為5 kPa左右，因此可以認為旋擴珠盤樁的水平影響范圍約為 4D。

圖9 豎向附加應力變化

9（c）中 ，底 盤下 的 豎向 附 加 應 力 也同 樣 隨 深度逐漸減小，但減小的幅度沒有其它兩個承力盤大，并且減小到盤下一定距離后基本維持一個較高水平（相對于其它2個承力盤情況）。這是由于底盤下無其它承力盤，因而不會發(fā)生應力重疊，并且樁端阻力所引起地豎向附加應力很?。ㄓ捎跇抖俗枇Ψ謸奢d比例很小），因此底盤下土體的豎向附加應力衰減的較慢，并且范圍也較深。如 9（c）中，底 盤 下 0.5 m 處的豎 向附加 應 力 值 為 50.7 kPa，盤下 3 m，5 m 處分別為 17.7 kPa，13.4 kPa。

3 結語

1）旋擴珠盤樁由于承力盤的存在改變了常規(guī)直樁的荷載傳遞特性，并且在相同條件下比常規(guī)直樁的樁頂沉降減小了很多。

2）各個承力盤在荷載分擔上有一定時間效應，并且分擔的比例隨荷載的變化而以不同的幅度變化。

3）有豎向附加應力疊加部分承力盤的盤下豎向附加應力的影響范圍約為 1D，水平影響范圍約為 4D。

［1］陸鳳池，高明忠，等.旋擴珠盤樁在小樁徑變徑樁中的應用.建筑技術，2003，35（3）：186-187.

圖2 引調(diào)水方案各代表斷面 NH 3-N 變化過程線

3）在滿足引水的水動力條件時，即使內(nèi)部水系水質已得到較大幅度的改善，仍然需要長期引水，保持水體的流動性，這是改善內(nèi)部水系水環(huán)境的長效措施，應盡量避免內(nèi)部水系惡化到一定程度時再引換水，改善水質。

［參 考 文 獻］

［1］高程程，等.上海市青松水利片引清調(diào)水方案研究［J］.水電能源科學，2012.

［2］賈瑞華.利用水利工程調(diào)度改善水環(huán)境質量的探討［J］.上海水利，1989.

[收稿日期]2013-08-20

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2014-03-08