超長(zhǎng)支盤(pán)樁承載性能影響因素有限元分析

謝志杰

【摘要】利用有限元，通過(guò)改變不同因素的參數(shù)，研究了對(duì)受壓超長(zhǎng)支盤(pán)單樁承載性能的影響。

【關(guān)鍵詞】超長(zhǎng)支盤(pán)樁；承載性能；影響因素；有限元分析

【Abstract】Using the finite element ， this paper analyzes the effect factors of the bearing force performance of super-long single pile with plates by changing the parameters of different factors.

【Key words】super-long pile with plates；bearing behavior；effect factors；FEA

1、引言

支盤(pán)樁以普通樁為基礎(chǔ)，充分利用較好土層設(shè)置承力盤(pán)，在支盤(pán)處擴(kuò)大單樁局部截面，對(duì)土體進(jìn)行擠密，大幅度提高單樁承載性能，在工程中廣泛應(yīng)用。[1]

超長(zhǎng)樁有較高承載性能和較小樁頂沉降，近年來(lái)在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，而將支盤(pán)用于超長(zhǎng)樁從而提高基礎(chǔ)的承載性能較少，也缺乏相關(guān)的研究；超長(zhǎng)樁與普通樁在承載機(jī)理上差別較大。[2]

本文利用有限元，改變樁身因素、土體參數(shù)和地下水位等參數(shù)，對(duì)超長(zhǎng)支盤(pán)單樁承載性能影響進(jìn)行研究。

2、有限元計(jì)算模型及參數(shù)選取

采用軸對(duì)稱(chēng)幾何模型建模，樁和土體均采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，樁土界面上設(shè)置界面單元來(lái)模擬樁土的相互作用。[3]

2.1土體

采用Mohr-Coulomb非線(xiàn)性模型，土體自重應(yīng)力場(chǎng)的形成采用自重加載方案，并將自重加載工序的計(jì)算位移設(shè)為0。土體計(jì)算范圍取半徑60m，深度100m。主要參數(shù)如表1。

2.2樁

樁身材料由混凝土澆筑制成，其變形遠(yuǎn)小于土體，在荷載作用下基本處于彈性狀態(tài)，故采用線(xiàn)彈性模型。

2.3加載方式

僅考慮豎向荷載作用下樁軸向受力，施加豎向荷載時(shí)，采用分級(jí)加載。

3、超長(zhǎng)多支盤(pán)樁承載性能影響因素的有限元模擬

3.1樁身因素的影響

（1）支盤(pán)數(shù)影響

分別對(duì)樁長(zhǎng)60m的2盤(pán)樁（分別在地下10、40m）、4盤(pán)樁（分別在地下10、20、30、40m）、6盤(pán)樁（分別在地下5、10、20、30、40、50m）和7盤(pán)樁（分別在地下5、10、20、30、40、50、55m）加壓，得出Q-s曲線(xiàn)如圖所示。

當(dāng)樁身由 2 支盤(pán)增加到 6 支盤(pán)時(shí)，承載力提高了將近 50%，但當(dāng) 支盤(pán)數(shù)從 6 增加到 7 時(shí)，樁的 Q-s 曲線(xiàn)十分接近承載力幾乎不再增加。 因此隨著支盤(pán)數(shù)量的增加，樁的承載力明顯增加，但當(dāng)支盤(pán)增加到一 定數(shù)量時(shí)，承載力的增長(zhǎng)幅度減小，可見(jiàn)支盤(pán)數(shù)量并不是越多越好， 過(guò)多設(shè)置支盤(pán)會(huì)降低支盤(pán)樁的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工困難、施工速 度慢等問(wèn)題。

（2）盤(pán)徑影響 為方便研究，建立單支盤(pán)樁進(jìn)行模擬，支盤(pán)中心位于地下 24m 處，盤(pán)形狀為圓形，分別取承力盤(pán)直徑 D=2m、2.4m、3m 計(jì)算，Q-s 曲線(xiàn) 如下圖。

支盤(pán)直徑由 2m 增加到 2.6m 時(shí)，樁極限承載力明顯提高，但繼續(xù) 提高當(dāng)支盤(pán)直徑到 3 倍主樁直徑時(shí)，承載力的增長(zhǎng)幅度不大，這是因 為此時(shí)支盤(pán)樁達(dá)到極限承載力所需的沉降較大，一般都會(huì)超過(guò)正常使 用狀態(tài)下的控制的沉降量，過(guò)大的支盤(pán)直徑對(duì)提高支盤(pán)樁極限承載力 的意義不大，故盤(pán)徑應(yīng)該控制在 2-3 倍樁身直徑范圍。 （3）盤(pán)間距影響取 2 盤(pán)樁進(jìn)行研究，并將上盤(pán)固定在樁頂 5m 處，下盤(pán)分別設(shè)置 在 10m、20m、30m、40m 處，得到樁身軸力分布圖如圖。

盤(pán)間距不同時(shí)，距樁頂 5m 以上和 40m 以下的樁身軸力差別不大， 兩支盤(pán)間的樁身軸力差別較大。兩支盤(pán)間樁身減小的軸力，由支盤(pán)間 的土體所分擔(dān)，當(dāng)盤(pán)間距較小時(shí)，在未達(dá)到極限承載力時(shí)，容易引起 盤(pán)間土體破壞，因此，超長(zhǎng)支盤(pán)樁在設(shè)置多個(gè)支盤(pán)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)增加 支盤(pán)間的間距，防止支盤(pán)間土體的提前破壞，進(jìn)而影響整個(gè)支盤(pán)樁的 承載能力。

（4）樁身模量影響

取單支盤(pán)樁研究，支盤(pán)位于地下 24m 處，樁身模量分別為 23GPa、30GPa、40GPa。

當(dāng)樁身模量增加時(shí)，在實(shí)際工程中，都會(huì)引起樁的承載能力的增 加，當(dāng)樁身模量增加到一定程度時(shí)，超長(zhǎng)支盤(pán)樁的承載能力增長(zhǎng)速度 會(huì)相對(duì)減慢，圖中當(dāng)樁身模量由 30GPa 增加到 40GPa 時(shí)承載能力提高 明顯低于由 23GPa 增加到 30GPa 時(shí)的增加。

3.2 土體參數(shù)及地下水位的影響

樁身設(shè)兩個(gè)承力盤(pán)，上盤(pán)距樁頂 10m，下盤(pán)距樁頂 40m 處，樁周土體均勻。

（1）土的壓縮模量的影響隨著土體壓縮模量的增大，樁身的沉降有所減小，沉降曲線(xiàn)變得越來(lái)越平緩，即提高土體的壓縮模量對(duì)減小樁的沉降作用越來(lái)越小， 故提高土體的壓縮模量對(duì)樁的承載性能有所提高，但是作用不是十分 明顯。

（2）土內(nèi)摩擦角的影響

由圖中可以看出，內(nèi)摩擦角越大，樁的承載性能就越大，對(duì)應(yīng)的土體沉降就越小，這是因?yàn)橥馏w內(nèi)摩擦角增大導(dǎo)致土的變形模量增 大，從而由荷載引起的應(yīng)變變小，故而土體沉降量變小。

（3）泊松比的影響

土體泊松比增大時(shí)，樁身沉降量隨著變小，當(dāng)泊松比為 0.4 時(shí)， 樁的沉降量明顯減小，樁承載能力明顯提高，這是因?yàn)楫?dāng)泊松比較大 時(shí)，樁周土體避免了出現(xiàn)較強(qiáng)的塑性，能夠更多的分擔(dān)樁頂?shù)暮奢d。 因此在泊松比小的土體中，應(yīng)注意樁周土體出現(xiàn)塑性而引起的樁身沉 降。

（4）地下水位的影響

由圖中可以看出，地下水位加深時(shí)，樁的沉降明顯減小，承載能 力明顯提高，這是因?yàn)榈叵滤辉缴?，產(chǎn)生的水壓就越小，對(duì)樁產(chǎn)生 的影響就越小。

4結(jié)論

本文采用有限元方法進(jìn)行超長(zhǎng)支盤(pán)樁的承載性狀模擬，分析了超 長(zhǎng)樁在不同因素下承載性能的變化，得出了如下結(jié)論。

（1）增加樁身支盤(pán)數(shù)和支盤(pán)盤(pán)徑時(shí)，超長(zhǎng)支盤(pán)樁承載力明顯提 高，但當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)，增長(zhǎng)幅度變緩，因此樁身支盤(pán)數(shù)和盤(pán)徑應(yīng) 控制在合理范圍內(nèi)；

（2）支盤(pán)間樁身軸力減小部分由周?chē)馏w承擔(dān)，為避免樁體在 未達(dá)到極限承載力時(shí)引起盤(pán)間土體破壞，設(shè)置多個(gè)支盤(pán)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增 加支盤(pán)間的間距；

（3）隨樁體彈性模量和土體壓縮模量的增加，單樁承載力得到 提高，在土層條件和施工方法一定時(shí)，樁土彈性模量存在最佳值；

（4）土體內(nèi)摩擦角、泊松比越大，樁的抗壓承載力越大，但是 增長(zhǎng)的速度較慢；地下水位越深，支盤(pán)樁的承載力越高。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚凱駿.擠擴(kuò)支盤(pán)樁在軟土地基中的引用[J].工程技術(shù)， 2009[15]；54-56.

[2]白偉亮.支盤(pán)應(yīng)用于超長(zhǎng)樁的有限元分析[J].工程質(zhì)量， 2015[3]；58-60.

[3]范孟華.支盤(pán)樁承載性能的有限元分析[J].山西建筑， 2012[35]；647-649.