錯盤布置下擠擴支盤單樁承載性狀有限元分析

張貫鑫　徐世杰　劉　甲

（河南大學土木建筑學院　河南開封　475001）

引言

擠擴支盤樁是根據仿生學原理[1]，利用根系結構的承力特點，在普通圓樁樁體適當位置設置承力盤，將普通的摩擦端承樁的承載性能轉變為摩擦多點端承樁從而大幅提高了其承載能力[2]，同時具備了更好的水平抗力和抗拔能力。

1　工程實例

此試驗為河南焦作東區熱電廠擴建工程項目[3]，現場使用雙盤擠擴支盤樁進行試驗。其地區地質條件為第四系沖洪積的黏性土、粉土與卵礫石構成，具體土層分布情況見圖1。樁型為擠擴雙盤支盤樁，其中樁的參數分別如下：樁徑為700mm，有效樁長32m（樁長38m，包括6m空樁），2個盤直徑為1400mm，高為700mm，上盤位于樁頂以下17.5m，下盤位于樁頂以下37.3m（以支盤的最大直徑處計）.樁身混凝土為c40，此次試驗采用振弦式鋼筋計來對樁體進行應變測量，其埋設位置主要分布在支盤位置上下，以及樁側土體性質變化的位置，這些位置都是應變產生明顯變化的關鍵控制點，布置圖如圖1。

圖1　擠擴支盤樁土層分布及應力計位置圖

2　有限元模擬對比分析

有限元模型是按照工程實例進行復刻模擬，土體模型按照現場土層的實際情況進行參數設置，土體采用Mohr-Coulomb模型、樁體采用線彈性模型，設置合理的邊界條件和相互作用并去掉自重產生的位移，得到了樁身沉降、軸力對比圖。

從沉降和軸力曲線對比圖可知數值模擬和原位試驗有十分高的吻合度。沉降曲線為緩變形，即樁周土體表現為漸進壓縮作用而非土體整體剪切破壞，其中因數值模擬并未能模擬出盤周土體的擠壓密實作用而使其沉降略大于實測值。軸力曲線很好的反應了支盤樁的整體承力性能，即在支盤位置有明顯的軸力突變，在非支盤位置表現為摩擦樁的特點，部分軸力由支盤承擔減小了樁端軸力，從而提高了支盤樁的整體承載能力。

3　錯盤布置下擠擴支盤樁的承力性狀

本節在試驗復刻數值模擬的基礎上，通過對上、下承力盤位置的調整擬得到錯盤布置下擠擴支盤樁的承載力性狀。具體為上盤錯盤，即在原模型基礎上保持下盤不動分別將上盤向上、向下移動700mm（一個樁徑）。因下盤位置距樁底較近，因此下盤錯盤是在原模型基礎上保持上盤不動將下盤向上移動700mm和1400mm。

3.1　上盤錯盤對比分析

分別將上盤上移、下移下的沉降、軸力、上盤分擔荷載、下盤分擔荷載、側摩阻分擔荷載與原模型樁進行了對比分析，發現上盤的上下調整其沉降曲線、上下盤及側摩阻分擔荷載曲線基本重合，只是軸力曲線中的軸力突變點因上盤的盤位調整而上下移動。因此，上盤在適當幅度調整位置時并不影響樁體的整體承力性狀，在實際工況中應根據地質情況將上支盤設置在承力性能較好的土層中。

3.2　下盤錯盤對比分析

分別將下盤上移700mm、上移1400mm下的沉降、軸力、上盤分擔荷載、下盤分擔荷載、側摩阻分擔荷載與原模型樁進行了對比分析，發現下盤的承力性狀明顯不同于上盤。在沉降對比曲線中，原樁的沉降明顯大于下盤上移下的沉降，其中上移700mm時的沉降較其他兩個更小；在軸力對比曲線中，在上盤位置以上表現相同的減小幅度，但從上盤以下下盤上移情況下的軸力減小幅度略小于原樁，但下盤上移情況下的下盤突變量明顯大于原樁，最后使得下盤上移下的樁端軸力小于原樁；在下盤分擔荷載對比曲線中，下盤上移下的下盤承擔荷載量在樁頂荷載大于4000kN后明顯高于原樁，同時上移700mm時下盤的載荷量略高于上移1400mm的載荷量；同時上移情況下的側摩阻分擔荷載小于原樁，其減小的部分轉變為由下盤承擔，上盤分擔荷載量不變。因此，下盤位置的調整對樁體的承力性狀有較大的影響，其合理的盤位應在距樁端兩個盤徑的位置。

4　結論

（1）通過有限元數值模擬與原位試驗對比分析，驗證了有限元模擬的可靠性。擠擴支盤樁因支盤的承力作用將樁體變為摩擦多點端承樁，大幅提高了樁的承載力，并擁有便于施工的特點。

（2）對于細長雙盤支盤樁，上盤在適當幅度調整位置時并不影響樁體的整體承力性狀，在實際工況中應根據地質情況將上支盤設置在承力性能較好的土層中。

（3）對于細長雙盤支盤樁，下盤位置的調整對樁體的承力性狀有較大的影響，其合理的盤位應在距樁端兩個樁徑的位置。

[1]張清林，陳立宏.DX樁群樁承載性狀的數值分析[J].中國工程科學，2012，14（1）：51～59.

[2]王伊麗，徐良英，李碧青，徐長節.擠擴支盤樁豎向承載力特性和影響因素的數值研究[J].土木工程學報，2015，48（S2）：158～162.

[3]王有凱，豐曉燦，張敏霞.擠擴支盤灌注樁承載性狀的試驗研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2014，33（06）：799～803.