盤形式對水平力作用下擴盤樁土體破壞狀態理論研究★

錢永梅 梁松廷

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130012； 2.吉林省結構抗震技術創新中心，吉林 長春 130118)

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·巖土工程·地基基礎·

盤形式對水平力作用下擴盤樁土體破壞狀態理論研究★

錢永梅1，2梁松廷1

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130012； 2.吉林省結構抗震技術創新中心，吉林 長春 130118)

通過ANSYS軟件建立了有限元模型，對比分析了在實際工程中和理想狀態下的盤截面形式對水平力作用下混凝土擴盤樁的樁周土體破壞的影響，為實際設計中綜合考慮影響混凝土擴盤樁單樁承載力因素提供了依據。

混凝土擴盤樁，有限元，盤截面，水平荷載

1 概述

在現代社會中，隨著跨海大橋、外海開敞式碼頭和海上采油平臺的不斷興建，導致樁基礎不可避免地承受水平荷載的作用，例如地震作用、汽車制動力、風力、波浪、潮流、輪船的作用等，所以水平荷載作用下樁基的研究日趨迫切[1]。近年來，樁基基礎工程技術的不斷發展，樁基基礎的形式也變的多種多樣。混凝土擴盤樁作為一種新式的樁基礎，自從其出現以來，由于其優良的承載性能在工程中得到了廣泛地應用。對于混凝土擴盤樁，豎向荷載作用下的研究已經比較成熟，而對于水平荷載作用下的研究還處于初級階段。研究表明，影響混凝土擴盤樁承載力的因素較多，主要因素有：主樁直徑、承力盤的懸挑徑、坡角、形式、高度、位置、數量等。在基于滑移線理論對混凝土擴盤樁單樁承載力研究的過程中發現，由于承力盤的形狀對單樁承載力具有一定的影響，是單樁承載力主要影響因素之一[2]。因此，本文在前人研究的基礎上，利用ANSYS軟件模擬分析不同盤形式對水平力作用下混凝土擴盤樁土體破壞狀態研究的影響，以便在實際工程中樁設計的過程中給予其充分的考慮。

2 運用ANSYS建立分析模型

2.1 材料參數

根據以往的試驗研究，樁周土體的影響范圍大約在5倍的承力盤懸挑徑的寬度，為了使模擬分析與實際相符，因此，在構筑的土體模型中，樁周土體橫向寬度設為12 m，樁端下預留土體深度為4 m。在計算模型的模擬分析中，樁和土屬于不同類型的材料，其具體的材料參數見表1。

表1 樁土材料參數表

2.2 模型尺寸

為了與實際相符合，在模擬分析中其計算模型均采用實際尺寸，確定主樁直徑d=500 mm，樁長L=7 500 mm，承力盤直徑D=2 000 mm，承力盤截面形式為雙坡型，其計算模型如圖1所示，其中,L為樁長;D為承力盤直徑;d為主樁直徑;h為盤高;α為上盤坡角;β為下盤坡角。

由于在混凝土擴盤樁承力盤懸挑徑相同的情況下，承力盤坡角在30°～35°的范圍內，其抗壓承載力最佳[3]，且在實際工程中由于施工機具和施工工藝的影響，承力盤盤端實際為圓角曲線形狀(見圖2)，而理想狀態下的盤端設計為尖角直線形狀(見圖1)，為對比分析兩者之間的差異對單樁承載力的影響，因此根據實際工程以及理想狀態中的承力盤形狀和盤坡角的不同，將承力盤截面形式分為四種：尖角對稱，即盤端為尖角，盤上、下坡角相同，盤上邊線為直線型；尖角非對稱，與尖角對稱不同的是盤上、下坡角不同；圓角曲線對稱，即盤端為曲線圓角，盤上、下坡角相同，盤上邊線為直線型；圓角曲線非對稱，與圓角曲線對稱不同的是盤上、下坡角不同，盤上邊線為曲線型。各模型樁承力盤放大圖見圖3，其樁模型編號依次為：CP1，CP2，CP3，CP4。具體尺寸見表2。

表2 模型樁尺寸

編號參數樁長Lmm主樁徑dmm盤徑Dmm盤高hmm上盤坡角α(°)下盤坡角β(°)CP1750050020008993030CP27500500200010634030CP3750050020008993030CP47500500200010634030

2.3 有限元模型的建立

有限元模型的建立采用8節點的空間單元,見圖4(以CP1樁為例)。樁、樁周土網格劃分及樁土結合面節點進行與實際受力情況相符的局部細化處理[4],見圖5(以CP1樁為例)。混凝土擴盤樁與土體的接觸是剛性體和柔性體的接觸，在絕大多數情況下，要考慮樁土之間的相對滑動、摩擦和分離。因此，樁土之間的接觸采用面—面滑移接觸，即在作用過程中，接觸點可沿接觸面相對滑動，在接觸面法線方向上兩接觸面坐標值相同[5]。

2.4 施加邊界約束及荷載

在ANSYS模擬的計算模型中，樁與土合并的模型是半截面圓柱體形狀。因此，在模型正面和底面施加垂直于表面的約束，在其背面曲面施加X,Y,Z三個方向的約束。考慮到在實際工程中，樁單獨承受水平荷載的情況極少，而大多數的樁除了承受自重及上部荷載等之外，還要承受地震作用、風荷載等水平荷載。因此，在模擬分析中，先在樁頂半截面圓上施加0.5 MPa的豎向面荷載，然后在半截面圓樁頂形心位置施加水平方向的集中荷載，荷載從10 kN開始，以10 kN逐級遞增加載，直至樁周土體完全破壞。

3 模擬計算結果分析

由樁基基礎規范規定，一般單樁樁頂水平位移允許值為6 mm～10 mm[6]，超過10 mm即認為樁周土體已發生破壞。通過有限元模擬分析形成的應力、應變和位移等數據及云圖，選取具有代表性的數據進行分析。樁頂某點的位移(如表3所示)及最大水平力作用下各個模型樁的最大水平位移見圖6，表4。

表3 樁上某一點在不同荷載作用下的水平位移數據

水平荷載/kNCP1CP2CP3CP400000105．98256．05295．96135．9881207．82677．8757．74887．7513309．71469．75789．59669．58094011．77511．80811．63111．5825013．99114．03713．82913．77

表4 相同荷載作用下各個模型樁的最大水平位移值

1)由表3及圖5可以看出，當樁頂水平荷載較小時，其荷載作用主要由靠近地面的土承擔，此時樁周土體處于彈性壓縮階段；隨著水平荷載的不斷增大，靠近地面的樁周土體逐漸產生塑性變形，其荷載作用向更深處的土層傳遞；當荷載增大到樁周土體所不能容許的程度時，樁土體系失去穩定，發生破壞。

2)由表4可以看出，通過CP1與CP3，CP2與CP4對比，在相同盤徑、盤高，不同盤截面形式的情況下，理想模型的樁體與實際工程中樁體的樁頂最大水平位移值相差不大，最大相差0.31 mm，相差為2%，最小相差0.258 mm，相差為1.7%，說明不同盤截面形式對混凝土擴盤樁的單樁承載力影響不大。

4 結語

混凝土擴盤樁的承力盤截面形式是其設計中的一個重要參數，由此次模擬分析可知：通過CP1，CP2，CP3，CP4四種模型樁的樁頂某點的荷載—位移數據及樁頂最大水平位移的對比，在相同荷載作用下，水平位移相差不大，理論計算的盤端尖角樁在樁體最大位移上要略大于實際的盤端曲線形式的樁型，且樁頂最大水平位移最大相差0.31 mm，最小相差0.258 mm，相差均在2%以內。這也就說明了運用理論模式所推出的樁體承載力計算公式在實際的樁型中是可應用的。

[1] 高笑娟，李躍輝，呂 冰，等.水平周期荷載作用下支盤樁受力性狀的模型試驗[J].煤田地質與勘探，2015(3)：72-76.

[2] 王若竹，錢永梅，尹新生.擠擴多盤樁承力擴大盤形狀對單樁承載力影響的理論分析[J].建筑技術與開發，2010，37(12)：25-29.

[3] 陳學哲.盤徑及坡角對混凝土擴盤樁抗壓破壞影響原狀土試驗研究[D].長春：吉林建筑大學碩士論文，2016.

[4] 錢永梅，王希慧.盤數量對混凝土擴盤樁承載力影響有限元分析[J].山西建筑，2015，41(22)：59-61.

[5] 李自林，姚 軍，李擁軍，等.水平受荷樁性能的有限元分析[J].天津城市建設學院學報，2011，17(2):86-89.

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

Analyzing about the plate shape affecting the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load★

Qian Yongmei1,2Liang Songting1

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130012，China；2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

In order to analyze the cross section of the plate affecting the the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load between the practical engineering and ideal state, the paper establishes the finite element model on the basis of the ANSYS soft ware, and it is put forward the theoretical basis of considering the factors affecting the single pile capacity of the concrete plates-expanded pile in the practical design.

concrete plates-expanded pile, finite element, cross section, horizontal load

2017-04-08★:國家自然科學基金項目(51678275)

錢永梅(1970- )，女，博士，碩士生導師，教授； 梁松廷(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)18-0039-02

TU470

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