錯盤布置下擠擴(kuò)支盤單樁承載性狀有限元分析

張貫鑫　徐世杰　劉　甲

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院　河南開封　475001）

引言

擠擴(kuò)支盤樁是根據(jù)仿生學(xué)原理[1]，利用根系結(jié)構(gòu)的承力特點(diǎn)，在普通圓樁樁體適當(dāng)位置設(shè)置承力盤，將普通的摩擦端承樁的承載性能轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ炼帱c(diǎn)端承樁從而大幅提高了其承載能力[2]，同時具備了更好的水平抗力和抗拔能力。

1　工程實(shí)例

此試驗(yàn)為河南焦作東區(qū)熱電廠擴(kuò)建工程項(xiàng)目[3]，現(xiàn)場使用雙盤擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行試驗(yàn)。其地區(qū)地質(zhì)條件為第四系沖洪積的黏性土、粉土與卵礫石構(gòu)成，具體土層分布情況見圖1。樁型為擠擴(kuò)雙盤支盤樁，其中樁的參數(shù)分別如下：樁徑為700mm，有效樁長32m（樁長38m，包括6m空樁），2個盤直徑為1400mm，高為700mm，上盤位于樁頂以下17.5m，下盤位于樁頂以下37.3m（以支盤的最大直徑處計）.樁身混凝土為c40，此次試驗(yàn)采用振弦式鋼筋計來對樁體進(jìn)行應(yīng)變測量，其埋設(shè)位置主要分布在支盤位置上下，以及樁側(cè)土體性質(zhì)變化的位置，這些位置都是應(yīng)變產(chǎn)生明顯變化的關(guān)鍵控制點(diǎn)，布置圖如圖1。

圖1　擠擴(kuò)支盤樁土層分布及應(yīng)力計位置圖

2　有限元模擬對比分析

有限元模型是按照工程實(shí)例進(jìn)行復(fù)刻模擬，土體模型按照現(xiàn)場土層的實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，土體采用Mohr-Coulomb模型、樁體采用線彈性模型，設(shè)置合理的邊界條件和相互作用并去掉自重產(chǎn)生的位移，得到了樁身沉降、軸力對比圖。

從沉降和軸力曲線對比圖可知數(shù)值模擬和原位試驗(yàn)有十分高的吻合度。沉降曲線為緩變形，即樁周土體表現(xiàn)為漸進(jìn)壓縮作用而非土體整體剪切破壞，其中因數(shù)值模擬并未能模擬出盤周土體的擠壓密實(shí)作用而使其沉降略大于實(shí)測值。軸力曲線很好的反應(yīng)了支盤樁的整體承力性能，即在支盤位置有明顯的軸力突變，在非支盤位置表現(xiàn)為摩擦樁的特點(diǎn)，部分軸力由支盤承擔(dān)減小了樁端軸力，從而提高了支盤樁的整體承載能力。

3　錯盤布置下擠擴(kuò)支盤樁的承力性狀

本節(jié)在試驗(yàn)復(fù)刻數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過對上、下承力盤位置的調(diào)整擬得到錯盤布置下擠擴(kuò)支盤樁的承載力性狀。具體為上盤錯盤，即在原模型基礎(chǔ)上保持下盤不動分別將上盤向上、向下移動700mm（一個樁徑）。因下盤位置距樁底較近，因此下盤錯盤是在原模型基礎(chǔ)上保持上盤不動將下盤向上移動700mm和1400mm。

3.1　上盤錯盤對比分析

分別將上盤上移、下移下的沉降、軸力、上盤分擔(dān)荷載、下盤分擔(dān)荷載、側(cè)摩阻分擔(dān)荷載與原模型樁進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)上盤的上下調(diào)整其沉降曲線、上下盤及側(cè)摩阻分擔(dān)荷載曲線基本重合，只是軸力曲線中的軸力突變點(diǎn)因上盤的盤位調(diào)整而上下移動。因此，上盤在適當(dāng)幅度調(diào)整位置時并不影響樁體的整體承力性狀，在實(shí)際工況中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況將上支盤設(shè)置在承力性能較好的土層中。

3.2　下盤錯盤對比分析

分別將下盤上移700mm、上移1400mm下的沉降、軸力、上盤分擔(dān)荷載、下盤分擔(dān)荷載、側(cè)摩阻分擔(dān)荷載與原模型樁進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)下盤的承力性狀明顯不同于上盤。在沉降對比曲線中，原樁的沉降明顯大于下盤上移下的沉降，其中上移700mm時的沉降較其他兩個更??；在軸力對比曲線中，在上盤位置以上表現(xiàn)相同的減小幅度，但從上盤以下下盤上移情況下的軸力減小幅度略小于原樁，但下盤上移情況下的下盤突變量明顯大于原樁，最后使得下盤上移下的樁端軸力小于原樁；在下盤分擔(dān)荷載對比曲線中，下盤上移下的下盤承擔(dān)荷載量在樁頂荷載大于4000kN后明顯高于原樁，同時上移700mm時下盤的載荷量略高于上移1400mm的載荷量；同時上移情況下的側(cè)摩阻分擔(dān)荷載小于原樁，其減小的部分轉(zhuǎn)變?yōu)橛上卤P承擔(dān)，上盤分擔(dān)荷載量不變。因此，下盤位置的調(diào)整對樁體的承力性狀有較大的影響，其合理的盤位應(yīng)在距樁端兩個盤徑的位置。

4　結(jié)論

（1）通過有限元數(shù)值模擬與原位試驗(yàn)對比分析，驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性。擠擴(kuò)支盤樁因支盤的承力作用將樁體變?yōu)槟Σ炼帱c(diǎn)端承樁，大幅提高了樁的承載力，并擁有便于施工的特點(diǎn)。

（2）對于細(xì)長雙盤支盤樁，上盤在適當(dāng)幅度調(diào)整位置時并不影響樁體的整體承力性狀，在實(shí)際工況中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況將上支盤設(shè)置在承力性能較好的土層中。

（3）對于細(xì)長雙盤支盤樁，下盤位置的調(diào)整對樁體的承力性狀有較大的影響，其合理的盤位應(yīng)在距樁端兩個樁徑的位置。

[1]張清林，陳立宏.DX樁群樁承載性狀的數(shù)值分析[J].中國工程科學(xué)，2012，14（1）：51～59.

[2]王伊麗，徐良英，李碧青，徐長節(jié).擠擴(kuò)支盤樁豎向承載力特性和影響因素的數(shù)值研究[J].土木工程學(xué)報，2015，48（S2）：158～162.

[3]王有凱，豐曉燦，張敏霞.擠擴(kuò)支盤灌注樁承載性狀的試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，33（06）：799～803.