擠擴(kuò)支盤樁豎向承載性能及影響因素研究

陳嘉偉，楊耀生

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 前 言

支盤樁作為一種新型的變截面樁，通過(guò)液壓擠擴(kuò)設(shè)備將樁周土體擠擴(kuò)成盤，形成了樁和承力盤共同作用下的摩擦端承樁。在其上部施加的豎向荷載，通過(guò)樁側(cè)、承力盤和樁端共同承擔(dān)，使得支盤樁相比等直徑樁具有承載力高、沉降量小等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在實(shí)際工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但目前對(duì)于擠擴(kuò)支盤單樁受豎向荷載作用下的荷載傳遞機(jī)理和承載變形特性研究較少，由于采用現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)研究擠擴(kuò)支盤樁承載性能成本偏高且無(wú)法研究其影響因素，所以大多采用數(shù)值模擬的方法研究擠擴(kuò)支盤樁豎向承載性能[4]。本文將采用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立擠擴(kuò)支盤樁模型，研究擠擴(kuò)支盤樁在豎向荷載作用下的承載性能，并分析不同承力盤數(shù)量、盤間距和盤徑比對(duì)其承載性能產(chǎn)生的影響，為實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 工程實(shí)例有限元驗(yàn)證

為了驗(yàn)證使用有限元方法進(jìn)行模擬的準(zhǔn)確性，需要將現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)保證有限元建模時(shí)的合理性?，F(xiàn)對(duì)某一擠擴(kuò)支盤單樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行模擬，其現(xiàn)場(chǎng)試樁場(chǎng)地除表層為填土外，其余土層主要以粉土、淤泥質(zhì)土、黏性土為主，土層參數(shù)如表1所示。擠擴(kuò)支盤樁樁頂位于地表處，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為20 m，樁徑為700 mm。在距樁底2 m和7 m處設(shè)置承力盤，盤徑為1 400 mm，盤高700 mm。

表1 土體物理參數(shù)

采用ABAQUS軟件對(duì)上述擠擴(kuò)支盤單樁進(jìn)行三維有限元模型的建立，模型樁尺寸與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同，為減低邊界條件的影響，土體深度取2倍樁長(zhǎng)，半徑取30倍樁徑進(jìn)行計(jì)算。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示。

(a)樁體網(wǎng)格劃分圖

模型樁頂加載與現(xiàn)場(chǎng)試樁加載一致，每級(jí)荷載400 kN，共施加十級(jí)荷載，計(jì)算得到Q-s曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 Q-s曲線對(duì)比圖

由圖2可以看出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線與有限元分析曲線均為緩變形曲線，二者吻合情況較好，說(shuō)明可以使用有限元分析方法進(jìn)行研究。

2 擠擴(kuò)支盤樁豎向承載性能

本節(jié)將使用有限元軟件分別對(duì)直孔樁和擠擴(kuò)支盤樁建模，其中直孔樁樁徑為0.5 m，樁長(zhǎng)為15 m。擠擴(kuò)支盤樁的樁長(zhǎng)和樁徑與直孔樁一致，承力盤設(shè)置距樁底5 m處，盤徑為1 m。土體采用單一土層進(jìn)行模擬，土層參數(shù)γ=19.5 kN·m，E=40 MPa，ν=0.3，c=15 kPa，φ=27°。對(duì)直孔樁與擠擴(kuò)支盤樁施加相同的豎向荷載后進(jìn)行計(jì)算分析，得到樁周土體應(yīng)力和位移云圖如圖3所示。

由圖3可知，兩樁樁周土體應(yīng)力和位移云圖相比存在明顯差異，其中直孔樁樁周土體應(yīng)力主要集中在樁端，并以樁端為中心向四周發(fā)散，表明直孔樁在豎向荷載的作用下，沿樁身將大部分荷載傳遞至樁端，樁端阻力得到了充分的發(fā)揮。但過(guò)大的樁端荷載會(huì)導(dǎo)致下方土體變形量增大，使得樁頂沉降值也隨之增大，影響了樁的安全使用。而擠擴(kuò)支盤樁因?yàn)樵跇渡硖幵O(shè)置了承力盤這一構(gòu)件，使得一部分原本集中在樁端處的應(yīng)力由承力盤轉(zhuǎn)移至樁周土體中，削弱了樁端處的應(yīng)力，從而改變了樁周土體原本的應(yīng)力分布。這表明承力盤承擔(dān)了部分樁頂荷載，降低了傳遞至樁端的荷載，減小了樁端土體的變形，進(jìn)而提升了樁的承載能力。

(a)直孔樁應(yīng)力云圖

3 擠擴(kuò)支盤樁影響因素研究

為進(jìn)一步研究擠擴(kuò)支盤樁承載特性，考慮到承力盤數(shù)量、承力盤間距和承力盤徑與樁徑之比這三種影響因素，設(shè)計(jì)了以下7種樁型進(jìn)行對(duì)比分析，建立模型所采用的參數(shù)與上文一致，各樁型部分參數(shù)如表2所示。

表2 模型樁參數(shù)

對(duì)上述7種擠擴(kuò)支盤單樁施加相同的豎向荷載，經(jīng)計(jì)算后各樁樁周土體豎向位移云圖如圖4所示。

(a)1#樁位移云圖

3.1 承力盤數(shù)量對(duì)土體位移場(chǎng)的影響

1#、2#、3#樁為不同承力盤數(shù)量的擠擴(kuò)支盤樁，樁周土豎向位移云圖如圖4(a)～(c)所示。三根樁的樁周土體位移存在明顯差異，其中1#樁在樁身設(shè)置一個(gè)承力盤，由樁頂傳遞下的荷載通過(guò)承力盤擴(kuò)散之后大部分都傳遞至樁端土層中，造成土體嚴(yán)重變形，豎向位移達(dá)到了116.4 mm。2#樁在樁身處設(shè)置兩個(gè)承力盤，每個(gè)承力盤都能分擔(dān)一部分樁頂荷載，大幅度降低了傳遞至樁端的荷載，削弱了樁端位移場(chǎng)，其最大豎向位移為46.6 mm，相比1#樁豎向位移降低了59.9%。3#樁在樁身處設(shè)置了三個(gè)承力盤，極大降低了樁端阻力，使得樁端土體豎向位移降至22.5 mm，相比兩承力盤的擠擴(kuò)支盤樁豎向位移降低了51.7%。

3.2 承力盤間距對(duì)土體位移場(chǎng)的影響

2#、4#、5#樁為不同盤間距下的雙盤擠擴(kuò)支盤樁。如圖4(b)、(d)、(e)所示，4#樁的承力盤間距較小，在樁頂?shù)呢Q向荷載作用下第一個(gè)承力盤下部的土體位移擴(kuò)大到第二個(gè)承力盤處，兩個(gè)承力盤間位移云圖相互重疊，豎向位移程度較一致，具有整體性，最終豎向位移為72.4 mm。圖4(e)為5#樁的樁周土體豎向位移圖，兩承力盤間距離較大，上承力盤的下部土體位移有一部分?jǐn)U散到下承力盤處，兩個(gè)承力盤之間的位移云圖重疊較少，整體性一般，最終豎向位移為52.8 mm。2#樁的樁周土豎向位移如圖4(b)，承力盤間樁周土體豎向位移呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律，上承力盤受力后擠壓下方土體產(chǎn)生位移，隨著壓力的消散土體產(chǎn)生的豎向位移逐漸減小，直到下承力盤受力后再次擠壓下方土體產(chǎn)生豎向位移，位移值為46.6 mm。綜合上述三根擠擴(kuò)支盤樁的沉降云圖發(fā)現(xiàn)隨著承力盤間距的增大，其豎向位移在逐漸減低。

3.3 盤徑比對(duì)土體位移場(chǎng)的影響

1#、6#和7#樁分別為2、3、4倍盤徑比下的擠擴(kuò)支盤樁，樁周土體位移云圖如圖4(a)、(f)、(g)所示。三根樁的樁周土體位移場(chǎng)形狀較為相似，但大小存在明顯差異。其中1#樁設(shè)置了兩倍樁徑的承力盤，當(dāng)荷載通過(guò)承力盤傳遞至周圍土層中時(shí)，影響范圍較小，削弱荷載能力有限，樁端承受較大荷載，樁整體具有較大的沉降值。6#樁采用三倍樁徑的承力盤，在受豎向荷載作用時(shí)，承力盤下側(cè)土體影響范圍明顯變大，使得土體分擔(dān)了更多荷載，降低了樁端處的受力，提高了樁的承載能力。7#樁的承力盤直徑最大，樁周土位移場(chǎng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并且有一部分?jǐn)U散至樁端處，此時(shí)樁端所承受的荷載最小，單樁沉降量也達(dá)到最小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)直孔樁和擠擴(kuò)支盤樁的有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了擠擴(kuò)支盤樁具有高承載力，低沉降量的特點(diǎn)。此外設(shè)置了7種樁型的擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行對(duì)比分析，研究承力盤數(shù)量、承力盤間距和盤徑比等影響因素對(duì)單樁沉降量的影響，結(jié)果如下。

1)增加擠擴(kuò)支盤樁身處的承力盤數(shù)目，能有效地降低樁端處所受荷載，大幅度減小群樁豎向位移，提升單樁承載力。

2)若擠擴(kuò)支盤樁設(shè)置多個(gè)承力盤時(shí)，盤間距離會(huì)影響其承載性能。當(dāng)盤間距離大于三倍盤徑時(shí)，盤間相互作用的影響已經(jīng)小到可忽略，承力盤能充分發(fā)揮承載性能。

3)承力盤的大小對(duì)樁的承載性能有很大的影響，當(dāng)承力盤直徑與樁徑之比較小時(shí)，其所能分擔(dān)的荷載較小，土體影響范圍也比較小。當(dāng)盤徑比較大時(shí)，承力盤所分擔(dān)的荷載更多，但是對(duì)土體的影響范圍也較大，也需要更大的盤間距來(lái)充分發(fā)揮其承載力。

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