擠擴多盤樁在細粉砂土中的抗拔破壞狀態及受力性能的研究

錢永梅等

摘 要：通過ANSYS軟件模擬研究了擠擴多盤樁承力盤處于細粉砂土中時，改變承力盤盤上土體的厚度來研究不同厚度時擠擴多盤樁抗拔承載力及樁周土的破壞狀態。通過該研究完善了擠擴多盤樁處于細粉砂土層中時盤上土體厚度不同時的理論基礎，為今后擠擴多盤樁在實際工程中的運用提供了理論依據。

關鍵詞：擠擴多盤樁；土層厚度；抗拔承載力；ANSYS軟件分析

Abstract：This paper studies the uplift bearing capacity and soil collapse state of Push-extend multi-under-reamed concrete pour pile under different thickness of the upper soil of bearing plate which the plate in the fine powder sand. According to the study it improved the theoretical basis of pile in different soil layer thickness. It will also provide the theoretical basis of Push-extend multi-under-reamed concrete pour pile in the practical engineering application.

Keywords： the push-extend multi-under-reamed concrete pour pile； soil thickness；uplift bearing capacity； ANSYS software analysis

1.概述

擠擴多盤樁處于黏性土中的理論研究已漸趨完善[1]，但在實際工程中由于地質條件復雜擠擴多盤樁承力盤有可能不處于黏性土中或處于部分黏性土中時承載力不足，這就使得必須將承力盤置于其他性狀土層[2]，工程實踐中已成功在細粉砂土層中運用了擠擴多盤樁并達到了預期效果[3]。本文研究了抗拔時承力盤處于細粉砂土中的樁土破壞狀態及受力性能，并得出了指導實踐的理論基礎。

2.ANSYS 建模

根據實際工程的勘測報告和文獻資料得出不同性狀土層的物理力學性能指標，ANSYS中運用的各層土的物理力學性能指標如表1：

混凝土樁的物理力學指標：密度為2.5E-009 g/cm3，彈性模量為2.5e7 Mpa，泊松比υ為0.20[4]。本文采用三種不同土層運用ANSYS軟件建立與實際狀態相仿的模型：承力盤處于細粉砂土層中，承力盤上下土層分別是回填土和硬質粘土，承力盤上下土層厚度一定[5]。回填土取1m，硬質粘土5m，細粉砂土層厚4.8m。模型采用樁身直徑0.5m，樁身長6.8m，承力盤直徑1.5m，承力盤高度0.8m，盤坡角37°，符合盤坡角35°～55°的合理范圍[6][7]。

根據單樁豎向抗拔承載力的計算公式： 可大體計算出單樁抗拔承載力為736KN[8]。模型加載時按面荷載加載，從100KN開始加載，以后每級按100KN遞增[9]。

擠擴多盤樁在豎向抗拔力作用下，影響樁抗拔承載力及樁周土破壞狀態的因素主要是承力盤所在土層的盤上土體厚度。因此通過改變盤上土體的厚度來研究樁抗拔承載力及樁周土破壞狀態的意義重大，建模時盤上土體的厚度分為0倍盤高、1倍盤高、2倍盤高、3倍盤高、4倍盤高、5倍盤高共6中情況，6中情況的模型分別命名為DX0、DX1、DX2、DX3、DX4、DX5[10][11]。

ANSYS模型分析時分析樁上某一固定點在不同荷載作用下，樁豎向位移隨著荷載的遞增而變化的規律[12]。根據ANSYS分析得出的數據，可繪制位移隨荷載變化的曲線，如圖3。

從樁位移隨荷載變化曲線可以看出，樁的位移都隨著荷載的遞增而增加，開始時位移的變化速率小，隨著荷載的增大位移的變化率逐漸增大。從圖中還可以看出在相同的荷載作用下，隨著盤上土厚度增加樁的位移都逐漸減小，DX1最大，DX5最小。但DX0樁除外，因為DX0盤上土厚度小，承載力比其他模型小，在加載到第6步時已到達極限承載力，再加載位移不變，樁破壞，所以DX0較小。因此可以得出盤上0倍盤高的土層時，不適合設置承力盤。隨著荷載的增大，DX1與除DX0之外的樁之間的間距逐漸變大，即DX1位移的變化率逐漸增大，而DX2、DX3、DX4、DX5的位移變化率基本相同，各樁之間的差別不大，所以承力盤盤上土厚度至少為2倍盤高時，樁的承載力最高。因此可以得出盤上至少2倍盤高土層厚度時，設置承力盤比較合理。

3.2 剪切應力分析

從ANSYS得出在相同荷載作用下各種模型樁與樁周土的剪切應力的變化如圖4、圖5：

注：圖中曲線突變位置為承力盤所在位置。

從圖4中可以看出，不同模型樁身的剪切應力都在承力盤處最大，從DX1到DX5隨著盤上土體厚度的增加承力盤處的剪切應力逐漸減小，DX0除外；DX0承力盤靠近樁頂未達到DX1-DX5的荷載已破壞；樁頂由于加載造成的局部應力增大。

注：圖中6-7點之間、34-35點之間為兩種土層的交接面，DX1曲線10-14-18為承力盤位置，DX2曲線14-18-22為承力盤位置，DX3曲線18-22-26為承力盤位置，DX4曲線22-26-30為承力盤位置，DX5曲線26-30-34為承力盤位置。

從圖5中可以看出，兩種土層交接處剪切應力發生突變；承力盤處剪切應力發生改變，上盤剪切應力大于下盤且DX1-DX5上盤最大剪切應力逐漸減小，減小的幅度從DX1-DX5逐漸減小，DX3-DX5上盤最大剪切應力基本相同；各模型下盤的剪切應力基本相同。

4.結論

通過本文的研究得出：抗拔時細粉砂土中隨著盤上土體厚度的增加樁及樁周土的位移逐漸減小，樁身承力盤處的剪切應力逐漸減小，樁周土的剪切應力在兩種土層交接時發生突變且在承力盤處剪切應力與盤上下土體也有突變；研究結果表明承力盤盤上土厚度至少為2倍盤高時，樁的承載力較高，當承力盤上土體厚度為4倍和5倍盤高時承載力基本相同，因此盤上土體厚度至少為2倍盤高土層厚度且不超過4倍盤高時，在細粉砂土層中設置承力盤比較合理。通過本文的研究完善了擠擴多盤樁承力盤處于細粉砂土中時的理論研究，根據研究結果得出改變承力盤盤上土體的厚度會對擠擴多盤樁單樁豎向抗拔承載力及土體破壞狀態產生影響。

參考文獻

[1] 錢永梅、尹新生、鐘春玲等. 擠擴多盤樁的土體極限承載力研究[J]. 哈爾濱工業大學學報，2005，（04）：568-570.

[2] 王夢恕、賀德新、唐松濤.21世紀的樁基新技術：DX旋挖擠擴灌注樁[J].中國工程科學，2012，14（01）：4-11.

[3] 賀德新、張成偉、鄭建華等.DX旋挖擠擴灌注樁在LNG儲存罐中的應用[J].中國工程科學，2012，14（01）：19-25.

[4] 牟楠.擠擴多盤樁承力盤參數對單樁抗拔承載力影響的研究[D].吉林長春：吉林建筑大學，2014-06.

[5] 謝新穎.擠擴多盤樁極限承載力及樁-土間剪應力和位移關系研究[D].吉林長春：吉林大學，2011-05.

[6] QIAN Yongmei，LIU Xiaolong，WANG Ruozhu.Research on the computational formula of the height of the bearing push-extend reamed of push extend multi-under-reamed pile[J].Manufacturing Process and Equipment，2013， 03：883-886.

[7] 任佳佳.擠擴多盤樁抗拔承載力及土體破壞形狀研究[D].吉林長春：吉林建筑大學，2012-12.

[8] 趙明華.土力學與基礎工程[M].俞曉 ，王貽蓀. 第3版.武漢：武漢理工大學出版社，2009：226-227.

[9] 錢永梅.擠擴多盤樁的樁土效應及土體極限承載力研究[D].吉林長春：吉林大學，2002-06.

[10] QIAN Yongmei，MU Nan，WANG Ruozhu.The research about the method of establishing the model of limited unit about the push-extend multi-under-reamed pile[J].Construction and Urban Planning，2013， 09：602-605.

[11] 衣妍.擠擴多盤樁施加預應力筋控制樁身抗裂度研究[D].吉林長春：吉林建筑大學，2014-06.

[12] 錢永梅、尹新生、王若竹.擠擴多盤樁樁土效應的計算機模擬分析[J].巖土工程界，2009.12（ 09）：67-70.