盤(pán)形式對(duì)水平力作用下擴(kuò)盤(pán)樁土體破壞狀態(tài)理論研究★

錢(qián)永梅 梁松廷

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130118)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

盤(pán)形式對(duì)水平力作用下擴(kuò)盤(pán)樁土體破壞狀態(tài)理論研究★

錢(qián)永梅1，2梁松廷1

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130118)

通過(guò)ANSYS軟件建立了有限元模型，對(duì)比分析了在實(shí)際工程中和理想狀態(tài)下的盤(pán)截面形式對(duì)水平力作用下混凝土擴(kuò)盤(pán)樁的樁周土體破壞的影響，為實(shí)際設(shè)計(jì)中綜合考慮影響混凝土擴(kuò)盤(pán)樁單樁承載力因素提供了依據(jù)。

混凝土擴(kuò)盤(pán)樁，有限元，盤(pán)截面，水平荷載

1 概述

在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著跨海大橋、外海開(kāi)敞式碼頭和海上采油平臺(tái)的不斷興建，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)不可避免地承受水平荷載的作用，例如地震作用、汽車(chē)制動(dòng)力、風(fēng)力、波浪、潮流、輪船的作用等，所以水平荷載作用下樁基的研究日趨迫切[1]。近年來(lái)，樁基基礎(chǔ)工程技術(shù)的不斷發(fā)展，樁基基礎(chǔ)的形式也變的多種多樣?；炷翑U(kuò)盤(pán)樁作為一種新式的樁基礎(chǔ)，自從其出現(xiàn)以來(lái)，由于其優(yōu)良的承載性能在工程中得到了廣泛地應(yīng)用。對(duì)于混凝土擴(kuò)盤(pán)樁，豎向荷載作用下的研究已經(jīng)比較成熟，而對(duì)于水平荷載作用下的研究還處于初級(jí)階段。研究表明，影響混凝土擴(kuò)盤(pán)樁承載力的因素較多，主要因素有：主樁直徑、承力盤(pán)的懸挑徑、坡角、形式、高度、位置、數(shù)量等。在基于滑移線理論對(duì)混凝土擴(kuò)盤(pán)樁單樁承載力研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于承力盤(pán)的形狀對(duì)單樁承載力具有一定的影響，是單樁承載力主要影響因素之一[2]。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件模擬分析不同盤(pán)形式對(duì)水平力作用下混凝土擴(kuò)盤(pán)樁土體破壞狀態(tài)研究的影響，以便在實(shí)際工程中樁設(shè)計(jì)的過(guò)程中給予其充分的考慮。

2 運(yùn)用ANSYS建立分析模型

2.1 材料參數(shù)

根據(jù)以往的試驗(yàn)研究，樁周土體的影響范圍大約在5倍的承力盤(pán)懸挑徑的寬度，為了使模擬分析與實(shí)際相符，因此，在構(gòu)筑的土體模型中，樁周土體橫向?qū)挾仍O(shè)為12 m，樁端下預(yù)留土體深度為4 m。在計(jì)算模型的模擬分析中，樁和土屬于不同類(lèi)型的材料，其具體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁土材料參數(shù)表

2.2 模型尺寸

為了與實(shí)際相符合，在模擬分析中其計(jì)算模型均采用實(shí)際尺寸，確定主樁直徑d=500 mm，樁長(zhǎng)L=7 500 mm，承力盤(pán)直徑D=2 000 mm，承力盤(pán)截面形式為雙坡型，其計(jì)算模型如圖1所示，其中,L為樁長(zhǎng);D為承力盤(pán)直徑;d為主樁直徑;h為盤(pán)高;α為上盤(pán)坡角;β為下盤(pán)坡角。

由于在混凝土擴(kuò)盤(pán)樁承力盤(pán)懸挑徑相同的情況下，承力盤(pán)坡角在30°～35°的范圍內(nèi)，其抗壓承載力最佳[3]，且在實(shí)際工程中由于施工機(jī)具和施工工藝的影響，承力盤(pán)盤(pán)端實(shí)際為圓角曲線形狀(見(jiàn)圖2)，而理想狀態(tài)下的盤(pán)端設(shè)計(jì)為尖角直線形狀(見(jiàn)圖1)，為對(duì)比分析兩者之間的差異對(duì)單樁承載力的影響，因此根據(jù)實(shí)際工程以及理想狀態(tài)中的承力盤(pán)形狀和盤(pán)坡角的不同，將承力盤(pán)截面形式分為四種：尖角對(duì)稱(chēng)，即盤(pán)端為尖角，盤(pán)上、下坡角相同，盤(pán)上邊線為直線型；尖角非對(duì)稱(chēng)，與尖角對(duì)稱(chēng)不同的是盤(pán)上、下坡角不同；圓角曲線對(duì)稱(chēng)，即盤(pán)端為曲線圓角，盤(pán)上、下坡角相同，盤(pán)上邊線為直線型；圓角曲線非對(duì)稱(chēng)，與圓角曲線對(duì)稱(chēng)不同的是盤(pán)上、下坡角不同，盤(pán)上邊線為曲線型。各模型樁承力盤(pán)放大圖見(jiàn)圖3，其樁模型編號(hào)依次為：CP1，CP2，CP3，CP4。具體尺寸見(jiàn)表2。

表2 模型樁尺寸

編號(hào)參數(shù)樁長(zhǎng)Lmm主樁徑dmm盤(pán)徑Dmm盤(pán)高h(yuǎn)mm上盤(pán)坡角α(°)下盤(pán)坡角β(°)CP1750050020008993030CP27500500200010634030CP3750050020008993030CP47500500200010634030

2.3 有限元模型的建立

有限元模型的建立采用8節(jié)點(diǎn)的空間單元,見(jiàn)圖4(以CP1樁為例)。樁、樁周土網(wǎng)格劃分及樁土結(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[4],見(jiàn)圖5(以CP1樁為例)。混凝土擴(kuò)盤(pán)樁與土體的接觸是剛性體和柔性體的接觸，在絕大多數(shù)情況下，要考慮樁土之間的相對(duì)滑動(dòng)、摩擦和分離。因此，樁土之間的接觸采用面—面滑移接觸，即在作用過(guò)程中，接觸點(diǎn)可沿接觸面相對(duì)滑動(dòng)，在接觸面法線方向上兩接觸面坐標(biāo)值相同[5]。

2.4 施加邊界約束及荷載

在ANSYS模擬的計(jì)算模型中，樁與土合并的模型是半截面圓柱體形狀。因此，在模型正面和底面施加垂直于表面的約束，在其背面曲面施加X(jué),Y,Z三個(gè)方向的約束?？紤]到在實(shí)際工程中，樁單獨(dú)承受水平荷載的情況極少，而大多數(shù)的樁除了承受自重及上部荷載等之外，還要承受地震作用、風(fēng)荷載等水平荷載。因此，在模擬分析中，先在樁頂半截面圓上施加0.5 MPa的豎向面荷載，然后在半截面圓樁頂形心位置施加水平方向的集中荷載，荷載從10 kN開(kāi)始，以10 kN逐級(jí)遞增加載，直至樁周土體完全破壞。

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

由樁基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定，一般單樁樁頂水平位移允許值為6 mm～10 mm[6]，超過(guò)10 mm即認(rèn)為樁周土體已發(fā)生破壞。通過(guò)有限元模擬分析形成的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等數(shù)據(jù)及云圖，選取具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。樁頂某點(diǎn)的位移(如表3所示)及最大水平力作用下各個(gè)模型樁的最大水平位移見(jiàn)圖6，表4。

表3 樁上某一點(diǎn)在不同荷載作用下的水平位移數(shù)據(jù)

水平荷載/kNCP1CP2CP3CP400000105．98256．05295．96135．9881207．82677．8757．74887．7513309．71469．75789．59669．58094011．77511．80811．63111．5825013．99114．03713．82913．77

表4 相同荷載作用下各個(gè)模型樁的最大水平位移值

1)由表3及圖5可以看出，當(dāng)樁頂水平荷載較小時(shí)，其荷載作用主要由靠近地面的土承擔(dān)，此時(shí)樁周土體處于彈性壓縮階段；隨著水平荷載的不斷增大，靠近地面的樁周土體逐漸產(chǎn)生塑性變形，其荷載作用向更深處的土層傳遞；當(dāng)荷載增大到樁周土體所不能容許的程度時(shí)，樁土體系失去穩(wěn)定，發(fā)生破壞。

2)由表4可以看出，通過(guò)CP1與CP3，CP2與CP4對(duì)比，在相同盤(pán)徑、盤(pán)高，不同盤(pán)截面形式的情況下，理想模型的樁體與實(shí)際工程中樁體的樁頂最大水平位移值相差不大，最大相差0.31 mm，相差為2%，最小相差0.258 mm，相差為1.7%，說(shuō)明不同盤(pán)截面形式對(duì)混凝土擴(kuò)盤(pán)樁的單樁承載力影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土擴(kuò)盤(pán)樁的承力盤(pán)截面形式是其設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，由此次模擬分析可知：通過(guò)CP1，CP2，CP3，CP4四種模型樁的樁頂某點(diǎn)的荷載—位移數(shù)據(jù)及樁頂最大水平位移的對(duì)比，在相同荷載作用下，水平位移相差不大，理論計(jì)算的盤(pán)端尖角樁在樁體最大位移上要略大于實(shí)際的盤(pán)端曲線形式的樁型，且樁頂最大水平位移最大相差0.31 mm，最小相差0.258 mm，相差均在2%以?xún)?nèi)。這也就說(shuō)明了運(yùn)用理論模式所推出的樁體承載力計(jì)算公式在實(shí)際的樁型中是可應(yīng)用的。

[1] 高笑娟，李躍輝，呂 冰，等.水平周期荷載作用下支盤(pán)樁受力性狀的模型試驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2015(3)：72-76.

[2] 王若竹，錢(qián)永梅，尹新生.擠擴(kuò)多盤(pán)樁承力擴(kuò)大盤(pán)形狀對(duì)單樁承載力影響的理論分析[J].建筑技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2010，37(12)：25-29.

[3] 陳學(xué)哲.盤(pán)徑及坡角對(duì)混凝土擴(kuò)盤(pán)樁抗壓破壞影響原狀土試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)碩士論文，2016.

[4] 錢(qián)永梅，王?；?盤(pán)數(shù)量對(duì)混凝土擴(kuò)盤(pán)樁承載力影響有限元分析[J].山西建筑，2015，41(22)：59-61.

[5] 李自林，姚 軍，李擁軍，等.水平受荷樁性能的有限元分析[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，17(2):86-89.

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

Analyzing about the plate shape affecting the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load★

Qian Yongmei1,2Liang Songting1

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130012，China；2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

In order to analyze the cross section of the plate affecting the the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load between the practical engineering and ideal state, the paper establishes the finite element model on the basis of the ANSYS soft ware, and it is put forward the theoretical basis of considering the factors affecting the single pile capacity of the concrete plates-expanded pile in the practical design.

concrete plates-expanded pile, finite element, cross section, horizontal load

2017-04-08★:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678275)

錢(qián)永梅(1970- )，女，博士，碩士生導(dǎo)師，教授； 梁松廷(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)18-0039-02

TU470

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