錢永梅 黃子軒 翟 蓮

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130000； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長春 130118)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

盤數(shù)量對(duì)水平力作用下擴(kuò)盤樁破壞狀態(tài)影響分析★

錢永梅1，2黃子軒1翟 蓮1

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130000； 2.吉林省結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)創(chuàng)新中心，吉林 長春 130118)

通過ANSYS軟件，建立了計(jì)算模型，在與同樁長同直徑的直孔樁對(duì)比的基礎(chǔ)上，研究了混凝土擴(kuò)盤樁在水平荷載作用下，承力盤數(shù)量對(duì)樁周土體破壞狀態(tài)的影響，并確定了合理承力盤數(shù)量，為混凝土擴(kuò)盤樁的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

混凝土擴(kuò)盤樁，承力盤，水平荷載，破壞狀態(tài)

1 概述

土木工程中，樁基礎(chǔ)可以用于承受壓力、上拔力和水平力三種荷載形式。隨著地下空間的開發(fā)和利用，港口工程、海洋工程等建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，工程水深的增加，樁的水平荷載承載能力引起人們的重視，并已經(jīng)成為重要的控制要素。從目前的研究成果來看，國內(nèi)外對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁在豎向力狀態(tài)下的承載力及土體破壞情況已經(jīng)有了比較完善的理論和試驗(yàn)研究，但對(duì)水平荷載作用下混凝土擴(kuò)盤樁的性能及樁周土體破壞狀態(tài)的影響研究還處于初級(jí)階段，試驗(yàn)研究資料較少，沒有專門的計(jì)算該樁型水平承載力的方法，無法為該樁型的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，在各種技術(shù)規(guī)范中少有體現(xiàn)，從而影響了其在工程中的應(yīng)用。

混凝土擴(kuò)盤樁在水平力作用下，承載力影響因素是多方面的。單純從盤的角度來考慮，國內(nèi)外的研究可知，承力盤對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的承載能力有顯著影響。如錢德玲等人對(duì)樁的承載機(jī)理，擠密效應(yīng)、荷載傳遞性狀以及孔隙水壓的消散[1]等方面都進(jìn)行了一定的研究。研究表明：大部分荷載都由承力擴(kuò)大盤承擔(dān)，超過了極限荷載的60%。錢永梅、王希慧在對(duì)豎向力的作用下混凝土擴(kuò)盤樁的承載力的影響的研究中表明：盤數(shù)量越多，盤端阻力越大，單樁承載力越高，合理盤數(shù)為1～3[2]。其主要因素有:承力擴(kuò)大盤的直徑、坡角、位置、間距及數(shù)量等。本文通過控制單一變量，并在尹新生教授、錢永梅教授等人[3-5]已經(jīng)對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁在豎向受力狀態(tài)下承載力及土體破壞情況研究方法的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬，研究相同荷載作用下，不同承力盤數(shù)量對(duì)樁周土體的位移變化的影響，以及樁頂最大水平位移隨荷載變化曲線，定性地分析水平力作用下盤數(shù)量對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁承載力的影響，確定合理的盤數(shù)量，從而滿足工程設(shè)計(jì)和施工的進(jìn)一步需要。

2 運(yùn)用ANSYS軟件建立分析模型

2.1 材料參數(shù)

采用ANSYS軟件建立有限元模型，對(duì)在水平荷載作用下的混凝土擴(kuò)盤樁進(jìn)行模擬研究分析。樁土模型采用半空間對(duì)稱體系,為了保證計(jì)算的精度,樁周圍的土體應(yīng)該有足夠大的范圍,樁的徑向取14 000 mm,樁底土厚度取4 000 mm，樁身垂直入土。樁土模型有樁身混凝土和原狀土這兩種材料，分別對(duì)這兩種材料選用不同的本構(gòu)模型及其模型參數(shù)，如表1所示。

2.2 模型尺寸

根據(jù)實(shí)際工程樁型選擇上的基本要求，確定主樁直徑d=500 mm,樁長L=11 100 mm，擴(kuò)大盤直徑為D=1 500 mm，承力擴(kuò)大盤形式為普通的雙坡型，計(jì)算模型如圖1所示，L為樁長，d為樁徑，D為盤徑，h為盤高，R為盤延伸長度，s為盤間凈距，此處取合理盤間距4R(2 000 mm)。具體模型樁尺寸如表2所示。

表1 樁土材料參數(shù)表

表2 模型樁尺寸

綜合各土層性質(zhì)和混凝土擴(kuò)盤樁前期的研究成果[9-11]：將承力擴(kuò)大盤盡量設(shè)在較淺土層方能發(fā)揮承力擴(kuò)大盤抵抗水平荷載的能力。選擇將第一承力盤設(shè)置在距離樁頂1 500 mm處,在其他參數(shù)不變的情況下，按盤間距為2 000 mm，依次增加盤數(shù)量來建立模型CP1,CP2,CP3,CP4，同時(shí)將直孔樁模型編號(hào)CNP0,詳見圖2。

2.3 有限元模型的建立

由ANSYS建立的樁土模型簡圖如圖3所示(以2個(gè)盤為例)。樁土模型的網(wǎng)格劃分，遵循大小合適、劃分均勻的原則，但為了更好的觀察承力盤處土體的破壞形態(tài)，則在承力盤這一特殊部位進(jìn)行一定程度的網(wǎng)格加密，詳細(xì)劃分，如圖4所示(以2個(gè)盤為例)。樁土采用接觸對(duì)來模擬樁—土接觸面的接觸—滑動(dòng)—脫開，如圖5所示(以2個(gè)盤為例)。

2.4 加載方式

實(shí)際工程中，樁基礎(chǔ)只單一承受豎向力或水平力的情況很少，通常情況下樁基同時(shí)承受兩種方向荷載的作用，例如樁基礎(chǔ)承受建筑物的自重，同時(shí)承受地震荷載、風(fēng)荷載等作用。因此為了真實(shí)的模擬樁的受力情況，本模擬對(duì)加載方式進(jìn)行考究。GUO W D等人通過模型試驗(yàn)研究了上層土體橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)樁的彎矩、土反力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁頂有豎向荷載作用時(shí)，上層土體運(yùn)動(dòng)所引起的樁身最大變形、樁身最大彎矩及土反力均小于樁頂沒有豎向荷載的情況[6]。鄭剛利用非線性有限元方法研究了成層土中傾斜荷載作用下樁側(cè)土壓力分布，指出傾斜荷載的豎向分量在土中的擴(kuò)散可以增加樁周土的豎向應(yīng)力，減小水平荷載作用下樁周土體單元的主應(yīng)力差，從而提高土體強(qiáng)度，減小樁身側(cè)移[7]。

因此，為更真實(shí)的模擬實(shí)際樁的受力情況，本模型選擇的加載方式為豎向荷載加載采用面荷載加載，將面荷載4.4 MPa均勻加在樁頂半圓上,待豎向荷載保持穩(wěn)定后，施加水平荷載，集中作用在樁頂半截面的形心,荷載從10 kN開始加載，逐級(jí)按10 kN遞增加載,形成了位移、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的云圖和曲線，通過選取有代表性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 有限元模擬計(jì)算結(jié)果的分析

對(duì)于主要承受水平荷載的混凝土擴(kuò)盤樁，規(guī)范中規(guī)定，一般單樁樁頂水平位移允許值為6 mm～10 mm[8]。所以模擬將樁頂水平位移為10 mm視為單樁發(fā)生破壞。通過有限元模擬混凝土擴(kuò)盤樁與土之間的相互作用,從ANSYS模型分析結(jié)果中，提取在不同荷載作用下樁頂?shù)乃轿灰浦?，如?所示。

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)

由表3可知：盤數(shù)量不同的各樁，在樁頂水平荷載作用下，隨著樁頂水平荷載的增加樁頂?shù)乃轿灰浦抵饾u增加。與直孔樁相比，在相同的水平荷載作用下混凝土擴(kuò)盤樁較直孔樁有較高的承載力。在相同荷載作用下，樁頂水平位移隨盤數(shù)量增加，樁頂水平位移減小。換言之，合理設(shè)置承力擴(kuò)大盤對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁承受水平荷載有顯著的幫助。

下面給出有限元分析中在樁頂施加荷載后,經(jīng)計(jì)算分析,從ANSYS后處理中提取CP0～CP4各個(gè)模型在水平荷載作用下不同盤數(shù)量的水平方向樁土位移云圖,如圖6所示，并繪制出相同荷載(110 kN)作用下各個(gè)模型的最大位移量圖，如圖7所示。

從上述的云圖及最大水平位移曲線的分析中可以得出：混凝土擴(kuò)盤樁較直孔樁樁周土位移云圖分布的影響十分顯著。

本模型具有不同數(shù)量承力盤的混凝土擴(kuò)盤樁，在相同荷載作用下，樁頂最大水平位移分別是11.906 mm,11.451 mm,11.124 mm,10.888 mm,較直孔樁的水平位移13.694 mm，承載力分別提高了15.02%,19.59%,23.10%,25.77%。由此得出結(jié)論：在水平力作用下，混凝土擴(kuò)盤樁較直孔樁的水平承載能力有顯著提高，混凝土擴(kuò)盤樁水平承載能力隨盤數(shù)量增加而逐漸提高。當(dāng)盤數(shù)量由1～2的水平位移減小0.030 7 mm,由2～3減小0.029 6 mm,由3～4減少0.005 5 mm。也就是說當(dāng)盤數(shù)量不小于3時(shí)位移減小幅度縮小。結(jié)合混凝土擴(kuò)盤樁承載力的影響因素來看，如果盤位置選擇恰當(dāng)?shù)那闆r下，不需要盤數(shù)量越多越好，綜合經(jīng)濟(jì)和施工方便，設(shè)置1個(gè)～3個(gè)承力盤就能有效的提高水平承載力。

4 結(jié)語

根據(jù)前面的分析可知，承力擴(kuò)大盤的數(shù)量是混凝土擴(kuò)盤樁設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要參數(shù)。在水平力作用下，混凝土擴(kuò)盤樁與直孔樁相比具有更好的水平承載力。合理設(shè)置承力擴(kuò)大盤對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁水平承載能力有顯著的幫助。

對(duì)于混凝土擴(kuò)盤樁來說，承力擴(kuò)大盤的數(shù)量對(duì)減小樁頂水平位移有顯著影響?；炷翑U(kuò)盤樁水平承載能力隨盤數(shù)量增加而逐漸提高。樁頂豎向荷載對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁水平承載性狀有顯著影響。豎向荷載的存在有利于減小水平位移，提高混凝土擴(kuò)盤樁的承載能力。對(duì)于荷載比較大的樁基工程，宜采用混凝土擴(kuò)盤樁，選擇恰當(dāng)?shù)谋P位置的情況下，綜合經(jīng)濟(jì)和施工方便的考慮，設(shè)置1個(gè)～3個(gè)承力盤就能有效的提高水平承載力。

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Analysis on the impact of expanding pile damage state under the horizontal force from plate quantity★

Qian Yongmei1,2Huang Zixuan1Zhai Lian1

(1.JilinUniversityofArchitecture,Changchun130000,China;2.JilinStructureSeismicTechnologyInnovationCenter,Changchun130118,China)

Through establishing the calculation model with ANSYS software, based on comparing with the direct-hole-pile with similar pile length and same diameter, the thesis studies the impact of bearing plate upon pile surrounding soil damage state under the horizontal load of concrete expanding pile, determines rational bearing plate quantity, which has provided some theoretical basis for designing and promoting concrete expanding pile.

concrete expanding pile, bearing plate, horizontal load, damage state

1009-6825(2017)11-0058-03

2017-02-07★:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678275)

錢永梅(1970- )，女，博士，教授; 黃子軒(1991- ),女，在讀碩士

TU473

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