蘇晴晴 夏紅兵

摘 要：針對新型擴擠支盤混凝土灌注樁的豎向承載力、沉降、樁側(cè)摩阻力等豎向承載特性及樁身荷載傳遞規(guī)律的問題進行了數(shù)值模擬研究。研究表明：相對于等截面樁，擴擠多支盤混凝土灌注樁具有承載力高、沉降量小的特性，支盤樁的極限承載力相較等截面樁豎向承載力提高了100%，沉降量大幅減小，兩者最大沉降差可達19.781mm。樁身軸力在支盤處變化突出，支盤分擔豎向力效果顯著；適當增加支盤的個數(shù)可以大幅減小樁底荷載，減緩樁側(cè)摩阻力的增加速度。

關鍵詞：擴擠多支盤樁；承載力；沉降；樁側(cè)摩阻力；FLAC3D

中圖分類號：TU473.1 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0071-05

Abstract： In this paper， FLAC3D numerical study on the axial bearing behaviors and the load transfer behavior of the squeezed branch pile in terms of the vertical bearing capacity， the settlement and the lateral friction resistance of the new type of reinforced concrete filling pile. The results showed that compared with the common piles， the squeezed branch pile had the characteristics of higher bearing capacity and smaller settlement. The vertical bearing capacity was improved by 100%， the settlement was reduced greatly，with the maximum settlement difference up to 19.781mm.The axial force of the pile prominently changed at the support branches and the supporting branches shared the vertical force obviously； moreover increasing the number of the supporting branches could significantly decrease the pile bottom load and retard the lateral friction resistance of the squeezed branch pile.

Key words：squeezed branch pile； bearing capacity； settlement； lateral friction resistance； FLAC3D

近幾年來，許多國內(nèi)外學者對擴擠支盤樁的承載力特性進行了深入的研究，主要方法有現(xiàn)場載荷實驗、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬。文獻[1]通過擴擠支盤樁現(xiàn)場原位測試試驗，并對單樁靜載試驗和樁身軸力測試結(jié)果進行分析，表明擴擠支盤樁的荷載-沉降曲線為緩變型，在加載初期，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較好，加載后期，摩阻力以發(fā)揮到極致，所加荷載主要由支盤承擔，并且支盤承擔的荷載可以達到施加的總荷載的50%。文獻[2]設計了室內(nèi)模型試驗裝置來研究在不同土質(zhì)中模型支盤樁在重復荷載作用下承載力特征和樁-土的相互作用機制。文獻[3]除了對擴擠支盤樁進行理論研究外，還進行了大量的數(shù)值模擬討論了擴擠支盤樁的承載力特性與盤徑、盤距之間的關系，并提出了擴擠支盤樁在不同的破壞形勢下，該樁的承載力和沉降量的計算公式[4]。支盤的存在和復雜的現(xiàn)場試驗因素使得現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果難以精確控制，文獻[5]將研究手段轉(zhuǎn)向了便捷且貼合實際的數(shù)值模擬方法。

本文中的多支盤樁，有別于以前成盤工藝，采用一種新的擴擠成盤工藝（現(xiàn)已申請發(fā)明專利）。基于FLAC3D建立模型對擴擠支盤樁在豎向荷載作用下的承載力、軸力沿樁身變化情況、樁側(cè)摩阻力進行模擬分析，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模擬的工程實例

1.1 工程概況

某公司擬建兩棟34層住宅樓，采用樁基礎工程。地質(zhì)概況：人工處理后的地面標高，基本保持在784. 056～784. 848m之間?；娱_挖至一定深度后，開始樁基礎的施工，故在建立模型時將z=0作為基坑底部標高。土層和樁體參數(shù)如表1所示。

1.2 FLAC3D模擬

1.2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

該樁采用新的擴擠成樁工藝，因為有支盤的存在，在本模型中樁土作用范圍取為10m，模型取10m×28.10m，樁長24.60m，樁徑700mm， 盤徑1 000mm， 盤高200mm， 總共設置六個圓柱形盤， 盤1、 盤2、 盤3、 盤4、 盤5、 盤6分別設置在-2.2m、 -6.1m、 -10.0m、 -13.9m、 -17.8m、 -21.7m處。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)格劃分如圖1所示。

1.2.2 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(gòu)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(gòu)模型。

2）現(xiàn)場澆筑的樁，樁土接觸面比較粗糙，樁鄰近土層的c、值進行適當折減后可作為接觸面的主要力學參數(shù)c、的值，本文取折減系數(shù)為0.6，也可以根據(jù)現(xiàn)場靜載荷試驗進行適當?shù)恼{(diào)整。

3）由于樁身剛度遠大于土體剛度，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。

2 豎向承載力特征

2.1 Q～s曲線

對支盤樁進行樁頂豎直向下15級加載，從3 000kN（面荷載）開始加載，每級加載600kN（面荷載）并將模擬結(jié)果與文獻[6]的模擬結(jié)果進行對比。根據(jù)Q～s曲線（見圖2），按照切線交匯法[7]判斷該樁的極限承載力為10 800kN，在增加4個盤的情況下承載力提高了50%，表明適當增加支盤數(shù)量可以大幅提高支盤樁的極限承載力。如圖3所示，可以看到支盤樁的沉降量明顯小于等截面樁的沉降量，且施加的外荷載達到6 000kN時，等截面樁的沉降量之差明顯大于前兩級荷載沉降量之差的2倍，因而可以判定等截面樁的極限承載力為5 400kN，支盤樁相較于等截面樁承載力提高了100%，表明支盤可以大幅提高樁的承載力[8]。當外荷載加至10 800kN時，多支盤樁的沉降量僅為5.044mm，而等截面樁的沉降量早已到達最大承載力，兩者沉降差達19.781mm?？梢?，相較于等截面樁，支盤樁能大幅降低樁體的沉降量[9]。

2.2 樁身軸力

模型在各級荷載作用下，可用相關命令流提取各單元的平均應力值σ，可用下面公式計算出相應截面的軸力值Ni

圖4所示為6個支盤各自分擔荷載的情況，盤1分擔的荷載始終比盤2的大，其他支盤所分擔的荷載與施加外荷載值的大小成正比，但每個支盤所分擔荷載的增加幅度有較大不同，可能是因為每個支盤所處的土體性質(zhì)以及支盤的所處位置不同。

圖5為在不同荷載下樁身軸力分布圖，圖6為等截面樁的樁身軸力分布圖，等截面樁的樁身軸力呈直線上升，軸力向下傳遞速率比支盤樁的快，支盤樁在6個支盤處的軸力均出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象。當施加的外荷載較小時，樁土之間的摩擦力分擔了大部分外荷載，其余少量外荷載由支盤分擔，此時支盤還未真正發(fā)揮作用，但隨著施加的荷載的增加側(cè)摩阻力接近最大值，支盤下部的土體開始分擔剩余的大部分荷載，6個支盤分擔軸力效果顯著。6個支盤增加了樁體與土體的接觸面積，這使得荷載能夠很好的傳遞給樁體周圍的土體，增強了樁土共同作用效果[10-11]，樁頂?shù)呢Q向位移會明顯減小，因此，支盤樁的沉降量比等截面樁的沉降量小，支盤作用顯著。

2.3 樁側(cè)摩阻力

圖7為等截面樁的樁側(cè)摩阻力分布圖，在側(cè)摩阻力達到最大值之前，等截面樁的樁側(cè)摩阻力呈直線上升。圖8為支盤樁樁體各部分分擔荷載圖，表明施加的外荷載小于8 400kN時，樁底阻力值較小且只是小幅增長，相反樁側(cè)各段摩阻力之和、支盤分擔的荷載之和增幅較大；當施加的荷載大于8 400kN時，側(cè)摩阻力趨于穩(wěn)定，而支盤分擔荷載之和還在大幅增加，樁端阻力增幅遠遠小于支盤所分擔的荷載[12]，支盤作用明顯；當外荷載加至10 800kN時，支盤分擔的荷載之和已接近總荷載的50%。

圖9為支盤樁側(cè)摩阻力分布圖，當施加的外荷載達到8 400kN時， 0～-2.2m、 -2.4～-6.1m、 -6.3～-10.0m、 -14.1～-17.8m側(cè)摩阻力數(shù)值趨于穩(wěn)定，說明這四部分的摩阻力已經(jīng)到達最大值，-18.7～-21.7m、-21.9～-24.6m部分樁側(cè)摩阻力數(shù)值還存在小幅變化，-18.7～-21.7m段的側(cè)摩阻力變化量較之前的多級外荷載作用下的變化量要小的多，說明此時該部分的側(cè)摩阻力接近最大值，而施加的外荷載達到9 600kN時-21.9～-24.6m部分的側(cè)摩阻力到達最大值[13]。9 600kN以后，各段的側(cè)摩阻力均有小幅度的下降，樁土之間的負摩阻力可能是其中的原因之一，樁周土體對樁身產(chǎn)生的摩阻力的動態(tài)變化用土拱原理可加以解釋。

3 結(jié)論

1）相同條件下，相較于等截面樁，擴擠支盤樁極限承載力是等截面樁的將近2倍，樁頂沉降量大幅減小，同級荷載下兩種樁的沉降差可達19.781mm。

2）在承擔外荷載時，支盤以及支盤下部的土體分擔了大部分荷載，支盤增加了樁體與土體的接觸面積，這使得荷載能夠很好的傳遞給樁體周圍的土體，大幅提高了支盤樁的極限承載力，支盤作用顯著。

3）相較于等截面樁，由于支盤的存在，支盤樁的樁側(cè)摩阻力增長的更為緩慢，支盤作用再次得到突顯。

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（責任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）