支盤間距、數(shù)量、直徑對新型支盤樁承載力的影響

夏紅兵，蘇晴晴

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近十幾年來，眾多專家學者對擴擠支盤樁的盤間距、盤數(shù)量及盤徑對單樁豎向承載力的影響進行了深入的探討研究。[1]通過對相鄰2盤間破壞面形態(tài)的分析，總結了支盤樁整體破壞面形態(tài)的判斷方法，推導出了基于最小抗力的支盤樁承載力和臨界盤間距計算公式，并進行了驗證。[2]結合工程實際，采用有限元軟件ABAQUS進行分析來確定承力盤的最優(yōu)盤位置和最優(yōu)盤間距。[3]對支盤樁的臨界盤間距進行了力學分析，并指出盤間距過小時承力盤間的土體會發(fā)生塞塊式的剪切破壞。[4]設計了兩組室內(nèi)模型試驗來研究不同土質(zhì)中支盤樁單樁的合理盤問距，指出支盤樁在粉土中最合理盤問距為2.5d盤間距。[5]設計了三組室內(nèi)模型試驗研究多支盤樁在不同土質(zhì)中的承載性能，指出在壓縮性大的土層中增大盤間距對承載力提高意義不大，而在壓縮性小的硬土層中增大盤間距可有效提高支盤樁的承載力。

本文所述新型擴擠支盤樁為柱形樁體，圓柱形支盤，該樁的成形工具已申請發(fā)明專利并公開，申請?zhí)枺?017103779247，采用傳統(tǒng)擴擠裝置擴擠而成的支盤呈紡錘形，而新工藝所成支盤為圓柱體，支盤完全對稱且厚度均勻受力更合理。新型支盤樁盤徑較小，可以通過調(diào)節(jié)支盤個數(shù)來控制新型擴擠支盤樁承載力的大小，根據(jù)需要支盤個數(shù)可以設置為幾個或十幾個。目前新型擴擠支盤樁還未應用于工程實際，本文針對盤間距、盤數(shù)量和盤徑對新型擴擠支盤樁豎向承載力影響的問題，設計了24組對比模型進行數(shù)值模擬研究，為進一步完善擴擠支盤樁的設計并應用于工程實際提供了參考。

1 基于FLAC3D的數(shù)值分析

1.1 模型的建立

結合樁土組合受力特性，確定新型擴擠支盤樁和周圍土體的作用范圍為6 m，模型尺寸為15 m×6 m，樁長10 m，樁徑600 mm，土體只有1種類型為素土，分別模擬了支盤突出尺寸為0.2d、0.3d、0.4d、0.5d共4種工況的受力情況，每種工況按照盤間距分別為 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 劃分為 6種情況，對應的盤數(shù)量N 分別為 19、12、9、7、6、5，共24組模型。由于該模型的幾何尺寸對稱，所施加的外荷載也呈軸對稱，故而選取1/4模型計算，模型及網(wǎng)格劃分示例如圖1所示，土體和樁體參數(shù)如表1所示。

1.2 有關假設及模型參數(shù)的選取

(1)假設每層土均采用Mohr-coulomb本構關系，都為均質(zhì)連續(xù)各向同性的理想彈塑性材料，擠擴支盤樁采用均質(zhì)連續(xù)線彈性本構模型。

(2)接觸面參數(shù)的選取由接觸面的不同方式?jīng)Q定，本文樁土接觸面的主要力學參數(shù)c、φ的值按照土體的0.6倍取值，法向剛度kn和剪切剛度ks取土體等效剛度的10倍。

(3)擴擠多支盤樁到達最大承載力時，樁身并不發(fā)生破壞，樁周土體發(fā)生破壞時，樁對地基土的影響以及施工因素對樁周土體的影響忽略不計。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分示例

2 支盤參數(shù)對新型擴擠支盤樁豎向承載力的影響

2.1 盤間距對新型擠擴支盤樁樁豎向承載力的影響

本文模擬了支盤突出尺寸B為0.2d、0.3d、0.4d、0.5d共4種工況，每種工況按照盤間距L分別為 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 劃分為 6 種情況，共24組模型，確定了每種工況的合理盤間距并做了對比分析，在支盤樁樁頂施加面荷載，荷載從200kN施加至5000kN，共25級荷載，進而得到4種不同工況下支盤樁的Q～s曲線如圖2、圖3、圖4、圖5所示。按照切線交匯法[6]判斷B=0.2d時，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 樁的極限承載力分別為2800kN、3000kN、3200kN、2800kN、3000kN、3200kN；B=0.3d 時，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 樁的極限承載力分別為 3400kN、3600kN、3800kN、3200kN、3400kN、3400kN；B=0.4d 時，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 樁的極限承載力分別為 3800kN、4000kN、4200kN、3600kN、3600kN、3800kN；B=0.5d 時，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d樁的極限承載力分別為4000 kN、4200kN、4400kN、3800kN、4000kN、3800kN，以上4種工況均是在L=1.5d時樁的沉降量最小承載力最大，故可判斷對于新型擴擠支盤樁的最佳盤間距為1.5d即支盤對盤下土體的作用范圍約為1倍盤徑。當支盤間距L=0.5d，B=0.2d時，支盤樁會出現(xiàn)與普通直桿樁類似的破壞特征即支盤樁的荷載-位移曲線會由緩變型轉(zhuǎn)變?yōu)槎附敌?，此時土體處于貫通式剪切破壞的狀態(tài)，這種情況下支盤樁的承載力嚴重降低，支盤的承力優(yōu)勢被大大削弱[7]；當盤間距L＞1.5d時，只有處于支盤影響范圍內(nèi)的土體能夠完全發(fā)揮土體的受壓承力作用，其余土體并不會受到支盤的影響，此時支盤樁的承載力也會降低。因此合理的盤間距對支盤樁的豎向承載力至關重要[8]。當L=2.0d時，承載力最小，均小于L=2.5d、L=3.0d時單樁的承載力，這可能是由于隨著盤間距的增加，樁側(cè)摩阻力有效長度增加即樁側(cè)摩阻力承擔了較大荷載的緣故。

表1 土體和樁體參數(shù)表

圖2 B=0.2d時支盤樁Q～s曲線

圖3 B=0.3d時支盤樁Q～s曲線

圖4 B=0.4d時支盤樁Q～s曲線

圖5 B=0.5d時支盤樁Q～s曲線

2.2 盤數(shù)量對新型擠擴支盤樁樁豎向承載力的影響

盤間距 L 分別為 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 時，對應的盤的數(shù)量 N 分別為 19、12、9、7、6、5，以B=0.5d時的計算模型詮釋盤數(shù)量對新型擴擠支盤樁豎向承載力的影響情況，B=0.2d、B=0.3d、B=0.4d的情況與之類似，此處不再贅述。如圖6所示，B=0.5d和B=0.4d樁頂施加的荷載Q≤2800 kN(B=0.3d樁頂施加的荷載Q≤2200 kN，B=0.2d樁頂施加的荷載Q≤2000 kN)，盤數(shù)越多，樁的沉降量越小，但沉降量減小幅度變緩，即當樁頂施加的荷載越小，支盤樁承載力增加的幅度隨著支盤個數(shù)的增加而逐漸減小[9]，此時支盤下土體受到支盤影響的范圍較小即支盤對土體的擾動范圍較??；反之，當樁頂施加的荷載Q＞2800 kN時，盤數(shù)越多支盤樁對周圍土體的擾動范圍越大，各支盤間形成貫通土柱的范圍越大，發(fā)生貫通式剪切破壞的程度也越大，因盤數(shù)增加時每個支盤分擔的荷載減少，支盤承力的優(yōu)勢被削弱的程度也越嚴重，同時樁側(cè)摩阻力的有效長度也越小[10]，沉降越大，支盤樁的承載力越小。因此，在工程實際中，支盤樁存在最優(yōu)支盤數(shù)，支盤數(shù)過多并不能提高單樁的承載力還會降低樁的承載力，同時還會降低支盤樁的經(jīng)濟性，給施工帶來不必要的不良后果，本文所提出的新型擴擠支盤樁的最優(yōu)支盤數(shù)為9個如圖7所示。盤數(shù)過少時，整個加載過程支盤樁沉降均較大，土體承壓的作用并沒有被充分利用，導致單樁承載力降低。

2.3 盤徑對新型擠擴支盤樁樁豎向承載力的影響

新型支盤樁采用了新的成盤工藝，盤徑比較小(D/d≤2，D 為盤徑，d為樁徑)，為說明盤徑對新型擠擴支盤樁樁豎向承載力的影響，建立盤間距均為最佳盤間距即L=1.5d，盤數(shù)均為最佳盤數(shù)9個，盤徑D分別為1.4d、1.6d、1.8d、2.0d的4個新型支盤樁模型和一個直桿樁模型，共5個模型進行對比分析。如圖8所示，運用上文所述判斷支盤樁極限承載力的方法，可判斷D=1.4d、D=1.6d、D=1.8d、D=2.0d時，新型支盤樁的極限承載力為3200 kN、3800 kN、4200 kN、4400 kN，每增加 0.2倍盤徑，支盤樁的極限承載力隨之增加600 kN、400 kN、200 kN。在施加相同荷載的條件下，支盤直徑越大，支盤樁的沉降量越小，支盤樁的極限承載力越大?？梢姡滦椭ПP樁的極限承載力增加的幅度隨著支盤直徑D的增加而減小。如圖9所示，直桿樁的沉降量之差(1400 kN時的沉降量與1200 kN時的沉降量之差)明顯大于前兩級荷載沉降量之差(1200 kN時的沉降量與1000 kN時的沉降量之差)的2倍，因而可以判定直桿樁的極限承載力為1200 kN，而D=2.0d的支盤樁的極限承載力為4400 kN，支盤樁相較于直桿樁承載力提高了260%，支盤樁的沉降量比直桿樁的沉降量小得多，更加形象直觀的證明了在支盤直徑一定的范圍內(nèi)，支盤直徑越大，支盤樁的極限承載力也越大的觀點[11]。

圖6 Q≤2800 kN時支盤樁Q～s曲線

圖7 Q＞2800 k N時支盤樁Q～s曲線

圖8 不同支盤直徑的Q～s曲線

圖9 直桿樁和D=2.0d的Q～s曲線

3 結論

(1)新型擴擠支盤樁在素土中的最佳盤間距為1.5倍樁徑即盤對其下部土體的作用范圍約為1倍盤徑，此時單樁的沉降量最小，承載力最大。盤間距過小樁會出現(xiàn)刺入土體的狀況，土體會出現(xiàn)貫通式剪切破壞；盤間距過大只有處于支盤影響范圍內(nèi)的土體能夠完全發(fā)揮土體的受壓承力作用，其余土體并不會受到支盤的影響，此時支盤樁的承載力也會降低。

(2)新型擴擠支盤樁在素土中的最優(yōu)盤數(shù)為9個，此時單樁的沉降量最小，承載力最大。盤數(shù)過多，在加載初期單樁沉降量隨盤數(shù)的增加而降低，但在加載后期，盤下土體會出現(xiàn)應力疊加的現(xiàn)象，對樁周土體的擾動較大，單樁承載力并不會成比例的提高，反而會使單樁承載力降低，支盤承力的優(yōu)勢被大幅削減；盤數(shù)過少，整個加載過程支盤樁沉降均較大，土體承壓的作用并沒有被充分利用，導致單樁承載力降低。

(3)在施加相同荷載的條件下，支盤直徑越大，支盤樁的沉降量越小，支盤樁的極限承載力越大，但新型支盤樁的極限承載力增加的幅度隨著支盤直徑D的增加而減小。同時新型擴擠支盤樁相較于直桿樁，支盤樁的承載力相較于直桿樁承載力提高了260%，支盤樁的沉降量比直桿樁的沉降量小得多。