盤數(shù)量對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁承載力影響有限元分析★

錢永梅 王?；?/p>

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

盤數(shù)量對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁承載力影響有限元分析★

錢永梅 王?；?/p>

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

通過(guò)ANSYS軟件利用有限元法原理建立了分析模型，得到了相同荷載不同盤數(shù)量情況下的樁及樁周土的位移曲線和在不同盤數(shù)量的情況下樁頂最大豎向位移隨荷載變化曲線，定性地分析了擴(kuò)大盤數(shù)量距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗壓承載力的影響，從而使混凝土擴(kuò)盤樁在設(shè)計(jì)和承載力計(jì)算方面更加完善。

混凝土擴(kuò)盤樁，有限元法，單樁承載力

1 概述

混凝土擴(kuò)盤樁是一種新型樁，和普通直樁相比有著較高的承載力，有著非常大的潛在的推廣價(jià)值?；炷翑U(kuò)盤樁單樁承載力的影響因素是多方面的，受力情況也比普通樁復(fù)雜。單純從盤的角度來(lái)講，主要因素有：承力擴(kuò)大盤的直徑、高度、位置、間距及數(shù)量等，對(duì)于這些因素來(lái)講定量的分析是比較困難的，定性的分析相對(duì)比較容易些[1]。從混凝土擴(kuò)盤樁單樁承載力研究中可以看出，擴(kuò)大盤數(shù)量對(duì)混凝土單樁承載力有較大影響。

作為重要的影響因素之一，本文通過(guò)建立混凝土擴(kuò)盤樁有限元模型，對(duì)承力擴(kuò)大盤數(shù)量對(duì)單樁承載力的影響進(jìn)行了理論分析，并且定性地提出了實(shí)際工程中承力擴(kuò)大盤數(shù)量的合理取值范圍，以使在混凝土擴(kuò)盤樁設(shè)計(jì)以及單樁承載力計(jì)算中給予其充分的考慮。

2 承力擴(kuò)大盤數(shù)量對(duì)單樁承載力的影響

混凝土擴(kuò)盤樁的單樁承載力主要由三部分組成：樁側(cè)摩阻力、樁端阻力、盤端承力[2]。顯然，在樁長(zhǎng)一定的情況下，盤數(shù)量越多，盤端阻力越大，單樁承載力越高。但隨著盤數(shù)量的增加，也會(huì)隨之帶來(lái)一些問(wèn)題，盤數(shù)量越多，相應(yīng)的成本增加，施工難度加大。前期的試驗(yàn)研究表明，摩阻力沿樁身方向的分配隨著樁土共同作用狀態(tài)的不同而變化。由于本文主要研究盤數(shù)量的影響，為了使樁側(cè)摩阻力和擴(kuò)大盤的端承作用得到充分發(fā)揮，盤間距設(shè)定為合理盤間距，只改變盤數(shù)量，這樣使每個(gè)盤都能充分發(fā)揮端承作用。以下通過(guò)采用有限元分析的方法，模擬擴(kuò)大盤數(shù)量對(duì)單樁承載力的影響。

3 有限元模型的建立

有限元計(jì)算模型的建立采用8節(jié)點(diǎn)的空間單元。樁、樁周土單元?jiǎng)澐旨皹锻两Y(jié)合面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行與實(shí)際受力情況相符的局部細(xì)化處理[3]。為了便于計(jì)算模型的比較分析，模型的構(gòu)筑遵循如下的原則：

1)樁混凝土采用C30(密度2.5×10-5N/mm3，彈性模量E=3×104N/mm2，泊松比μ=0.2)，樁周土設(shè)為工程中常見(jiàn)的粘性(密度1.9×10-5N/mm3，彈性模量E=25 N/mm2，泊松比μ=0.35)。

2)由于主要研究承力擴(kuò)大盤數(shù)量對(duì)單樁承載力的影響，因此在計(jì)算模型中，一個(gè)固定設(shè)置在樁身上部，距樁頂1 500 mm，按照合理盤間距依次增加盤數(shù)量。

3)計(jì)算模型中，為了盡量避免邊界約束條件對(duì)土的影響，樁周土直徑的取值應(yīng)大于抗壓盤樁對(duì)樁周土的影響范圍，取8 m，樁端以下取5 m。

4)按上述原則建立5個(gè)計(jì)算模型，主樁直徑d=500 mm，樁長(zhǎng)L=8 000 mm，擴(kuò)大盤直徑為D=1 500 mm，承力擴(kuò)大盤形式為普通的雙坡型，計(jì)算模型見(jiàn)圖1，L為樁長(zhǎng)，d為樁徑，D為盤徑，h為盤高，R為盤延伸長(zhǎng)度，s為盤間凈距，此處取合理盤間距4R(2 000 mm)。

模型及盤數(shù)量編號(hào)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 模型編號(hào)及盤數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移結(jié)果分析

根據(jù)雙盤混凝土擴(kuò)盤樁的抗壓承載力計(jì)算公式[4]：

可大體計(jì)算出每個(gè)單樁極限抗壓承載力，模型加載時(shí)按面荷載加載，每級(jí)按大約100kN遞增[4]。最后計(jì)算完成后,分別提取各個(gè)模型大約加載到1 500kN時(shí)的豎向位移云圖進(jìn)行分析。0～4盤數(shù)量對(duì)應(yīng)的豎向位移云圖分別為CPN0，CPN1，CPN2，CPN3，CPN4，圖2給出CPN1，CPN2和CPN3的豎向位移云圖，并將相同荷載作用下各個(gè)模型的最大位移量繪制成圖3。

從圖2中可以看出，當(dāng)施加的力即將達(dá)到樁的極限承載力時(shí)，樁土發(fā)生分離并達(dá)到或接近達(dá)到最大位移[5]。從圖3中可以看出，在相同荷載作用下，隨著盤數(shù)量的增加，樁土模型產(chǎn)生的位移逐漸減小，從CPN0至CPN1，位移曲線產(chǎn)生突變，可以看出由于承力盤的存在，大大減小了樁頂位移。從曲線變化趨勢(shì)可以看出，隨著盤數(shù)量的增加位移曲線逐漸趨于平緩，表明盤數(shù)量增加到一定數(shù)量后，盤數(shù)量的增加對(duì)位移的貢獻(xiàn)逐漸減小，也就對(duì)單樁承載力的貢獻(xiàn)減小。

由以上分析可知，盤數(shù)量越多，單樁承載力越高，但是并不是盤數(shù)量越多越好，從變化趨勢(shì)可以看出，在不考慮土層性狀等因素的情況下，盤數(shù)量取1個(gè)～3個(gè)最為合理[6]。

4.2 位移荷載曲線分析

從ANSYS后處理器中提取CPN0～CPN4模型每加載100kN后的隨荷載變化的最大豎向位移數(shù)值，通過(guò)整理，繪制豎向位移隨荷載的變化曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，各個(gè)模型的豎向位移隨荷載變化規(guī)律基本一致，隨著荷載的逐漸增大而增大。前期荷載比較小時(shí)，位移曲線十分接近，幾乎重合，說(shuō)明盤數(shù)量對(duì)樁承載力的貢獻(xiàn)不明顯，后期荷載較大時(shí)，不同盤數(shù)量的豎向位移差值逐漸增大，盤數(shù)量對(duì)單樁承載力的貢獻(xiàn)體現(xiàn)較充分。對(duì)照不同盤數(shù)量對(duì)應(yīng)的曲線的曲率，可以看出盤數(shù)量越多，曲線越平緩，說(shuō)明盤數(shù)量對(duì)單樁抗壓承載力的貢獻(xiàn)越小，如果繼續(xù)增加盤數(shù)量，既不利于節(jié)約成本，又增加施工難度。

5 結(jié)語(yǔ)

承力擴(kuò)大盤的數(shù)量是混凝土擴(kuò)盤樁設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的抗壓承載力有顯著影響，合理的盤數(shù)量對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的設(shè)計(jì)是十分重要的。

1)從以上分析可知，要使混凝土擴(kuò)盤樁具有足夠的抗壓承載力，一定要設(shè)置合理的盤數(shù)量，在不考慮土層性狀等因素的條件下，取1個(gè)～3個(gè)盤最為合理，既保證足夠的承載力，又節(jié)約成本，大大降低施工難度。

2)對(duì)于上部荷載比較大的樁基工程，宜采用混凝土擴(kuò)盤樁，在荷載較大的情況下，擴(kuò)大盤數(shù)量的增加對(duì)提高單樁承載力的貢獻(xiàn)越明顯，經(jīng)濟(jì)效益越高。

[1] 錢永梅.影響擠擴(kuò)多盤樁土體極限承載力的因素研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,21(2):14-16.

[2] 錢永梅.擠擴(kuò)多盤樁承力擴(kuò)大盤位置對(duì)單樁承載力影響分析[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,27(3):1-3.

[3] 錢永梅.有限元法分析擠擴(kuò)多盤樁的計(jì)算模型的構(gòu)筑[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,21(1):16-18.

[4] 謝新穎.擠擴(kuò)多盤樁極限承載力及樁—土間剪應(yīng)力和位移關(guān)系研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2011.

[5] 錢永梅，尹新生，王若竹.擠擴(kuò)多盤樁土體極限承載力研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,37(4):568-570.

[6] 牟 楠.擠擴(kuò)多盤樁承力盤參數(shù)對(duì)單樁抗拔承載力影響的研究[D].長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)碩士論文，2014:26-30.

Analyzing about the number of the bearing plate affecting the bearing capability of the concrete plates-expanded pile★

Qian Yongmei Wang Xihui

(CollegeofEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China)

The paper establishes analysis model according to finite element method on the basis of ANSYS software, obtains pile and pile surrounding soil displacement curve under same load and different plate quantity and maximum vertical displacement and load curve of top pile under different plate quantity, and qualitatively analyzes the impact of expanded-plate quantity spacing upon concrete plates-expanded pile bearing quantity, so as to better improve concrete plates-expanded pile design and bearing capacity calculation.

concrete plates-expanded pile, finite element method, single pile bearing capacity

2015-05-24★：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51278224)

錢永梅(1970- )，女，教授； 王希慧(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)22-0059-03

TU473.11

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