承力盤(pán)間距對(duì)支盤(pán)樁抗拔承載特性分析★

謝子波，王柳月

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450011)

1 概述

支盤(pán)樁將承力盤(pán)設(shè)置于樁身不同部位的土層，使樁身變?yōu)槎嘀c(diǎn)摩擦端承樁，充分發(fā)揮樁土的相互作用，極大程度地提高了樁身承載特性，眾多學(xué)者主要通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)支盤(pán)樁承載性能進(jìn)行研究，張敏霞[1]采用piv技術(shù)結(jié)合透明土進(jìn)行樁基室內(nèi)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明支盤(pán)樁通過(guò)增大樁周土體變形位移場(chǎng)的范圍,減小了土體變形位移場(chǎng)的強(qiáng)度,從而提高了樁基承載能力；苑輝等[2]在2003年采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合得出:在支盤(pán)樁承載的過(guò)程中,其承載規(guī)律為第一個(gè)承力盤(pán)在加荷初期承擔(dān)的荷載相對(duì)比較高，第二個(gè)承力盤(pán)在加荷后期才開(kāi)始慢慢發(fā)揮出作用?？陆璠3]采用ABAQUS軟件研究了支盤(pán)樁在上拔荷載作用下的承載特性，分析表明:在天然狀態(tài)下土體對(duì)樁體的壓力在支盤(pán)處最大，支盤(pán)樁達(dá)到抗拔極限承載力時(shí)，樁身軸力在支盤(pán)的上下出現(xiàn)突變，支盤(pán)下斜面以及樁底與土體產(chǎn)生了分離，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在支盤(pán)上的土體中，目前，由于受到測(cè)試手段以及樁-土作用本身的復(fù)雜性，支盤(pán)樁抗拔機(jī)理的理論研究還不夠完善。因此需要研究人員進(jìn)行更加深入的研究，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)豎向荷載作用下支盤(pán)樁的抗拔承載特性進(jìn)行分析，為雙支盤(pán)的設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)意義[4-6]。

2 計(jì)算模型

樁長(zhǎng)設(shè)為5 m，樁徑為0.2 m，設(shè)置兩個(gè)支盤(pán)，盤(pán)徑為0.4 m，支盤(pán)高度為0.3 m，上支盤(pán)距樁頂1 m,下支盤(pán)距上支盤(pán)分別為1D，2D，3D，樁周土體為8 m。

本文采用ABAQUS有限元程序建模(見(jiàn)圖1)，樁土模型均為軸對(duì)稱(chēng)四邊形單元CAX4R，采用線(xiàn)彈性模型定義土體的彈性部分，摩爾庫(kù)侖模型適用性較強(qiáng)，較為適合土體這種材料。故塑性部分則由摩爾庫(kù)侖模型定義，樁體采用線(xiàn)彈性模型，由于摩爾庫(kù)侖模型中黏聚力不可為0，土體采用砂土取較小值0.1 kPa，主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在第1個(gè)分析步中進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，考慮到軸對(duì)稱(chēng)性，采用軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行分析。

樁土材料參數(shù):樁身為線(xiàn)彈性材料，彈性模量28 000 MPa，泊松比為0.2，密度為2 400 kg/m3;土體密度為1 600 kg/m3，彈性模量50 MPa，泊松比0.25，剪脹角為36°，膨脹角為30°，黏聚力c=0.1 kPa，不考慮土的剪脹性，樁土間摩擦系數(shù)取0.726。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載位移曲線(xiàn)及位移場(chǎng)分析

圖2為不同盤(pán)間距雙支盤(pán)樁承載力-位移關(guān)系圖。

根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范中支盤(pán)樁極限承載力的確定方法，結(jié)合模型承載力-位移荷載曲線(xiàn)可以判斷出間距為1D，2D，3D，4D的支盤(pán)樁抗拔承載力為3 935 N，4 111 N，4 229 N，4 293 N，雙支盤(pán)樁承力盤(pán)處于相同狀態(tài)土層中，上支盤(pán)首先發(fā)揮作用帶動(dòng)土體，下支盤(pán)隨后發(fā)揮功效，因此上下承力盤(pán)間距不同會(huì)直接影響支盤(pán)樁的承載性能，從圖中可以看出荷載位移曲線(xiàn)可以分為三個(gè)階段，在初始階段，上支盤(pán)樁對(duì)承載性能起主要作用，四種支盤(pán)樁上支盤(pán)位置相同對(duì)應(yīng)圖中四種盤(pán)間距支盤(pán)樁在第一階段承載力變化趨勢(shì)幾乎重合，由于間距為1D的雙支盤(pán)距離較小，因此兩個(gè)承力盤(pán)很快形成一個(gè)整體。初始階段間距為1D的支盤(pán)樁承載力反而最大，第二階段隨著時(shí)間的增加，盤(pán)間距較大的下支盤(pán)也開(kāi)始發(fā)揮功效,由于時(shí)間較短盤(pán)間距較大的支盤(pán)樁下支盤(pán)未充分發(fā)揮作用，此時(shí)盤(pán)徑為2D的支盤(pán)樁承載力最大，第三階段隨著時(shí)間增長(zhǎng)，間距為3D及以上的雙支盤(pán)樁下支盤(pán)開(kāi)始完全發(fā)揮作用，此時(shí)盤(pán)徑為4D的支盤(pán)樁承載力最大，從圖中可以看出增大承力盤(pán)間距可以增加支盤(pán)樁的承載力，由于上支盤(pán)固定的情況下，上下支盤(pán)的間距增大，盤(pán)間土體的應(yīng)力疊加效應(yīng)發(fā)生減弱，間距足夠大的時(shí)候，上下支盤(pán)開(kāi)始獨(dú)立發(fā)揮作用，盤(pán)間距由3D增到為4D時(shí)承載力增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，存在臨界盤(pán)間距，當(dāng)上下支盤(pán)開(kāi)始獨(dú)立工作后，增大盤(pán)間距雙支盤(pán)樁承載力增加變緩，同時(shí)從圖中可以看出雙支盤(pán)承載力的發(fā)揮與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)，由于支盤(pán)間距不同，盤(pán)間距較小時(shí)，下支盤(pán)可以更快地發(fā)揮作用，在實(shí)際工程中不僅要考慮樁體的承載性能也需要考慮樁體的位移變形，當(dāng)盤(pán)間距大于3D時(shí)，承載力增長(zhǎng)幅度明顯變緩[7-9]。

3.2 峰值荷載下錨板的位移場(chǎng)

圖3～圖6分別為盤(pán)間距1D，2D,3D,4D位移場(chǎng)圖。從圖中可以看出雙支盤(pán)在土體中的位移云圖沿著支盤(pán)樁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，支盤(pán)處的位移值明顯增大，承力盤(pán)土體產(chǎn)生壓縮，在盤(pán)間距為1D時(shí)上下承力盤(pán)由于高度疊加，形成一個(gè)整體，盤(pán)間土體以整體的形式向上移動(dòng)，位移場(chǎng)從下承力盤(pán)傾斜延伸到土體表面，位移場(chǎng)的形狀與單支盤(pán)狀形狀類(lèi)似，在盤(pán)間距為2D時(shí)由于盤(pán)間距增大，盤(pán)間距土體存在一定程度疊加，極限抗拔承載力時(shí)刻，以上支盤(pán)為主，下支盤(pán)剛開(kāi)始發(fā)揮作用，兩盤(pán)之間位移場(chǎng)仍存在一定程度疊加，在盤(pán)間距為3D，4D時(shí)刻，由于盤(pán)間距增大，上下承力盤(pán)開(kāi)始獨(dú)立發(fā)揮作用，盤(pán)間土體無(wú)影響，由于4D時(shí)下盤(pán)與樁端距離較近，下承力盤(pán)位移場(chǎng)與樁端處疊加，說(shuō)明當(dāng)下支盤(pán)設(shè)置接近樁端一定程度時(shí)會(huì)與樁端共同發(fā)揮作用。由于支盤(pán)的存在，可以將樁頂荷載分散到更大的土體中由于盤(pán)徑為3D的時(shí)候，上下支盤(pán)已經(jīng)開(kāi)始獨(dú)立發(fā)揮作用，說(shuō)明存在一個(gè)最佳的盤(pán)間距，在實(shí)際工程中不可盲目增加上下支盤(pán)間距，避免造成材料浪費(fèi)。

3.3 峰值荷載下錨板的應(yīng)力場(chǎng)

通過(guò)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析來(lái)增強(qiáng)對(duì)雙支盤(pán)樁的土體破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)，圖7～圖10分別為盤(pán)間距1D，2D,3D,4D應(yīng)力場(chǎng)圖。從圖中的應(yīng)力場(chǎng)可以看出，樁周土體剪切帶沿著樁身對(duì)稱(chēng)分布，剪應(yīng)力值由樁身向兩側(cè)逐漸減小，表現(xiàn)為漸進(jìn)破壞，盤(pán)間距對(duì)于雙支盤(pán)樁樁周土體變形具有顯著影響，盤(pán)間距越大，疊加現(xiàn)象越不明顯，下支盤(pán)的側(cè)鼓現(xiàn)象越突出，應(yīng)力場(chǎng)形狀類(lèi)似于拱形，為深埋破壞特征。應(yīng)力值集中于下支盤(pán)處，產(chǎn)生現(xiàn)象原因是由于上下支盤(pán)具有“時(shí)間效應(yīng)”，支盤(pán)樁極限承載力狀態(tài)時(shí)，下支盤(pán)開(kāi)始發(fā)揮作用，由于下支盤(pán)埋深較大，在相同土層中相對(duì)于上支盤(pán)來(lái)說(shuō)，對(duì)樁周土體的影響更大，盤(pán)間距為3D時(shí)，上下支盤(pán)獨(dú)立發(fā)揮作用，支盤(pán)樁顯著承載力提高，盤(pán)間距為4D時(shí)下支盤(pán)與樁端形成整體，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)還可以看出盤(pán)間距增大后，上下支盤(pán)的相互擾動(dòng)減小，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)一步提高承載力。

4 結(jié)語(yǔ)

1)存在臨界盤(pán)間距，達(dá)到臨界盤(pán)間距之前，盤(pán)間距較小時(shí)，下支盤(pán)承載力無(wú)法完全發(fā)揮，雙支盤(pán)樁的承載性能隨著支盤(pán)間距增加而變大；臨界盤(pán)間距之后，上下盤(pán)開(kāi)始獨(dú)立發(fā)揮作用，再增大盤(pán)間距，雙支盤(pán)承載性能增加幅度變緩。

2)研究發(fā)現(xiàn)雙支盤(pán)樁上下承力盤(pán)發(fā)揮承載力的時(shí)間效應(yīng)與盤(pán)距有著密切的關(guān)系，位移變形較小時(shí)盤(pán)間距較小的支盤(pán)樁承載性能更好，位移變形較大時(shí)盤(pán)間距較大的支盤(pán)樁承載性能更好，實(shí)際工程中不僅需要考慮樁基承載力還要考慮位移變形，因此需要合理設(shè)置盤(pán)間距。

3)超過(guò)一定盤(pán)間距后，下支盤(pán)與樁端形成整體，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)還可以看出盤(pán)間距增大后，上下支盤(pán)的相互擾動(dòng)減低，上下支盤(pán)間土體剪切力增大，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)一步提高承載力。