水平荷載對支盤樁受壓承載力的影響分析

王 紅，彭社琴，鄭衛鋒，孫珍茂

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；4.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610059)

0 引 言

支盤樁作為一種新型樁，具有承載力高、變形沉降小等優點，因而具有良好的經濟效益。國內外學者對支盤樁承載力性狀在近年來做了較多的研究，

基金項目：國家自然科學基金面上項目(41272333)

但目前大部分研究主要是針對單獨荷載作用下支盤樁的受壓承載力，支盤樁一般主要設計用來承擔豎向(受壓)荷載，如文獻[1-4]通過靜載試驗對支盤樁的受力性狀進行了研究。文獻[5]還結合有限元模擬分析法(finite element method,FEM)系統地分析了支盤樁的承載機理和荷載傳遞性狀，探索了支盤樁高承載力和低沉降量的內涵。文獻[6-17]均對豎向受壓荷載作用下支盤樁的承載性能進行了研究。

然而，由于工程結構在其施工和使用過程中受荷的情況復雜多變，支盤樁在其受豎向受壓荷載作用為主的情況下，水平力也可能同時存在。為探討水平荷載對支盤樁承載力的影響，分別討論了在單獨豎向受壓荷載作用下和在受壓+水平組合荷載作用下支盤樁的受壓承載力的大小，分析可能出現的水平荷載對支盤樁受壓承載力的影響。

1 計算方案

以數值模擬作為計算方法，在數值模擬結果的基礎上，先對豎向受壓荷載作用下支盤樁的承載性能進行研究分析；再對受壓+水平組合荷載作用下支盤樁的承載性能進行研究分析。對選取的樁型通過分級加載(豎向受壓、豎向受壓+水平聯合作用)，模擬支盤樁的靜載荷試驗過程，通過獲取椅載-沉降關系(Q-s)曲線用以確定單樁承載力。進一步對比單獨豎向受壓荷載作用下與豎向受壓+水平荷載作用下受壓承載力的異同，分析得出水平荷載的存在對支盤樁受壓承載力的具體影響。

1.1 數值模擬計算模型

計算模型主要包括樁體和樁周土體兩大部分。

1)支盤樁

在廣泛收集已有擠擴支盤樁常用尺寸參數的基礎上，擬定本次數值計算樁的參數見表1，其示意圖見圖1、圖2。

表1 支盤樁參數

注：上盤中心位于距樁頂5倍樁徑處，下支盤中心位于距樁底1倍樁徑處，3個支盤等間距布置。

支盤樁樁身材料為C30混凝土，計算中考慮樁基為彈性材料，計算參數見表2。

表2 樁計算參數

圖1 樁模型

圖2 支盤平剖面(上：平面；下：立面)

2)樁周土

對于樁周及樁端土體考慮為均質土，土體的承載力特征值為160～180 kPa左右。這類土體強度中等，具有該特征的土在四川、湖南、浙江、安徽等地區均有分布。據此，所研究成果的推廣和應用具有一定的廣泛性。樁周土的物理力學指標參數取值見表3。

表3 樁周土物理力學參數取值表

1.2 加載情況

數值分析過程中采用逐級加載的形式模擬外荷載的施加過程，每級荷載達到相對穩定后，施加下一級荷載。

1.3 邊界條件及模型離散化

根據實際受力情況，底部邊界設水平和豎向約束，側向邊界設水平約束，考慮自重應力產生的側向應力作用；頂部邊界為自由邊界。樁、土采用實體單元，樁土間設置接觸面單元。模型底部邊界取距樁底10倍樁徑高度，樁基前后左右邊界長度取10倍樁徑，其中取樁徑為0.7 m。模型單元劃分根據研究重點，靠近樁基單元剖分較細，建好的三維實體模型見圖3。

圖3 數值分析模型

2 受壓荷載作用下支盤樁承載性能

2.1 樁頂荷載-沉降特征

豎向下壓荷載加載等級為100 kN、500 kN、1000 kN、2000 kN、3000 kN、4000 kN、5000 kN直到加載至停止加載標準。試樁達到停載標準為：某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍。

圖4為支盤樁豎向荷載分級加載下的樁頂Q-s曲線。從圖4可以看出，隨著荷載增加，沉降加速增大，當樁頂荷載小于3000 kN時，沉降較小，豎向荷載每增加500 kN，樁頂下沉約0.005 m，荷載在 3000～4000 kN時，豎向荷載每增加500 kN，樁頂下沉0.01 m。

圖4 樁頂豎向位移-荷載曲線

曲線總體呈緩變型，無明顯的比例極限和極限荷載，但在3000～4000 kN荷載下，沉降速率明顯加大。由此可推斷該樁的承載力應該在3000～4000 kN。樁頂沉降為40 mm時，對應的荷載約為3800 kN，此值可作為該支盤樁的承載力。

2.2 荷載傳遞特征

荷載傳遞特征是研究支盤樁承載機理的基礎。以下通過不同荷載量級作用下樁身軸力的變化，對支盤樁的荷載傳遞特征進行深入分析。

1)樁身軸力分布特征

支盤樁的樁身軸力隨深度變化曲線見圖5。在荷載量級較小時(<1000 kN)，樁身軸力隨深度增加而略有減小，曲線在支盤部位變化不明顯，即支盤部位曲線的臺階狀變化特征不明顯。

在2000 kN 荷載量級下，支盤作用已有所顯現，樁身軸力在支盤處有較明顯轉折。隨荷載的進一步增大，曲線在支盤部位的臺階狀減小越顯著。

支盤樁的荷載傳遞曲線有其獨特的形態：軸力分布曲線在支盤上下發生臺階狀降低，軸力的突變量無疑由支盤作用引起。從上至下經過支盤后軸力的減小量應是由支盤承擔該部分荷載并將其轉移到支盤底部的土層上，從而使支盤底部樁身軸力迅速降低，最終使傳遞到樁端的荷載明顯減小。單樁承載力大幅度提高。

圖5 樁身軸力

2)支盤阻力

如圖5所示，樁身軸力在支盤上下的臺階減小量實質上就是支盤阻力。通過計算不同荷載量級下不同位置的支盤阻力，獲得各級荷載下不同位置支盤作用力，各個支盤承擔荷載百分比的變化情況見圖6。

圖6 支盤荷載分擔比

在荷載量級相對較小時，各支盤作用從大到小排序為下支盤、上支盤、中支盤。在荷載超過3000 kN時，上、中支盤作用基本達到一致，下支盤作用始終更為明顯。支盤的總體作用也進一步增大，在達到樁的極限承載力時，3個支盤的總承載量約為40%。上中下支盤承擔荷載的比例約為0.8∶0.8∶1.0。

2.3 支盤樁的受壓承載力

根據Q-s曲線確定：在擠擴支盤樁數值模擬中獲得了不同加載量級下的樁頂沉降位移，即Q-s曲線(參見圖4)。

從前述可知，Q-s曲線總體呈緩變型，無明顯的比例極限和極限荷載點，但可以看出在3000～4000 kN 荷載下，沉降速率明顯加大。可推斷該樁的承載力應該在3000～4000 kN之間。參照《建筑樁基檢測技術規范》(JGJ 106-2014)，對于緩變型的Q-s曲線，承載力由位移控制，取s=40 mm所對應的荷載值，即3800 kN為擠擴支盤樁極限承載力。

3 豎向(受壓)+水平組合荷載作用下支盤樁承載性能分析

3.1 樁頂荷載-沉降特征

豎向受壓+水平組合荷載下樁頂沉降曲線(上)和樁頂水平位移曲線(下)如圖7、圖8所示。

圖7 受壓+水平組合荷載-樁頂豎向位移

從圖中可以看出：在受壓和水平組合荷載作用下，當豎向荷載從0～3000 kN(對應水平荷載從0～450 kN，即水平荷載取豎向荷載的15%施加)，樁頂豎向位移隨荷載量級增加而增大；當受壓荷載達到3000 kN時，位移量約為23.6 mm；受壓荷載超過3000 kN(對應水平荷載450 kN)時樁頂沉降速率增大；受壓荷載到4000 kN(對應水平荷載600 kN)時，位移量已達到40.7 mm，超過規范規定的破壞極限沉降量40 mm；在豎向位移為40 mm時，對應的豎向荷載約為3959 kN。

圖8 受壓+水平組合荷載-樁頂水平位移

水平位移亦隨水平荷載增加，在水平位移達到10 mm時，樁頂的水平荷載值約為229 kN(對應豎向荷載約為1526 kN)。可見，在豎向受壓和水平荷載共同作用時，水平荷載率先達到限值。

當受豎向荷載控制時，考慮豎向位移達到40 mm時的組合荷載值結果為受壓荷載3959 kN+水平荷載597 kN，比單純受豎向荷載時達到40 mm的受壓荷載量(3800 kN)稍大，說明在有水平荷載作用的情況時，由位移控制的支盤樁的豎向承載力并未降低。

3.2 荷載傳遞特征

1)樁身軸力分布特征

受壓+水平荷載下樁身軸力隨深度變化曲線如圖9所示。軸力總體上隨深度減小，且樁身軸力在支盤上下發生臺階狀降低，支盤承擔該部分荷載并將其轉移到支盤底部的土層上，從而迅速降低支盤底部樁身軸力。

此外樁頂荷載量級越大，支盤對軸力的減小作用越明顯，支盤的承載能力越大。

2)支盤阻力

支盤樁受到荷載時，主要承載的部分是支盤、樁側摩阻力和樁端阻力。繪制各組合荷載下各支盤分擔荷載占比曲線如圖10。

支盤作用從上支盤開始顯現，在荷載量級相對較小時，各支盤作用為下支盤>上支盤≈中支盤。在荷載超過3000 kN時，上中下三支盤作用基本達到一致。在整個加載過程中，上盤承擔的荷載比例隨著荷載的增大而增大，但承擔的荷載所占總荷載的百分比變化不大，從0增加到約17%；中盤承擔的荷載比例也隨著荷載的增大而增大，從0增加到約19%；下盤所承擔的荷載比例隨著荷載的增大從7%增長至20%；從總體上看，在豎向荷載超過1000 kN后，支盤分擔荷載不斷增加，到后期達到了55.1%。

圖9 樁身軸力

圖10 支盤荷載分擔比

3.3 擠擴支盤樁承載力

因規范中暫缺豎向受壓+水平荷載下樁承載力的計算公式，故由《建筑基樁檢測技術規范》中所規定的豎直方向極限位移40 mm，水平方向極限位移10 mm來進行推算。

豎向受壓+水平荷載下，水平位移先達到《建筑基樁檢測技術規范》所規定的極限位移10 mm，豎向受壓+水平荷載下的承載力則由水平位移控制，據圖8組合荷載-樁頂水平位移圖，取s=10 mm時的荷載值，即水平承載力229 kN為此時樁的極限承載力。由水平力控制的樁其水平承載力受豎向受壓荷載的影響不大；由豎向力控制的樁的承載力受水平荷載的影響也不大。

4 水平荷載對豎向承載力的影響

根據圖4、圖7可知，豎向受壓+水平組合荷載的Q-s曲線的總體規律與單獨的豎直(受壓)荷載作用下Q-s曲線類似。豎直沉降量都隨著豎向荷載的增加而增加，隨著樁徑的增加而減小。但具體量值可能存在差異，為此可得組合荷載作用下的沉降量與單獨豎向荷載作用下沉降量的差異對比，見表4。

表4 支盤樁兩種荷載類型沉降量對比

從表4可以看出，在荷載較小時(如1000 kN)，組合荷載和單獨豎向荷載沉降量均較小，而組合荷載下的位移量整體上較單獨豎向荷載下的位移量稍大。當荷載較大時(如4000 kN，超過極限承載力)，組合荷載下的豎向位移量較單獨豎向荷載下的位移量稍小。

因此，水平荷載的存在會使樁頂沉降有所增加，在此稱之為“附加沉降量”。“附加沉降量”總體不大，并且隨荷載量級增大(達到極限承載力)時，這一附加沉降量可能由正變為負的。

豎向受壓+水平組合荷載下的受壓承載力與單獨豎向受壓荷載下的受壓承載力對比見表5。

表5 支盤樁兩種荷載類型受壓承載力對比

如表5所示，水平荷載的存在可能會對豎向受壓承載力產生一定的影響：會使豎向承載力略有增加。但總體上影響不太大，增減變動范圍在±1%左右。

5 結 語

1)分析了豎向(受壓)荷載下樁頂荷載的傳遞規律，發現豎向荷載隨著樁身傳遞降低，在支盤處軸力出現“臺階式”急劇下降，這種變化隨樁頂荷載的增大而越發明顯。支盤的存在使得原本由摩阻力承擔的樁頂豎向荷載轉而成為由類似樁端的端承力承擔了樁頂荷載，由此支盤樁承載力相對直樁能大幅提高。

2)探討了水平+受壓組合荷載的樁頂荷載-沉降的總體規律。與單獨豎向(受壓)荷載類似，呈現出樁頂豎向位移隨荷載增加而增加的特征，水平荷載的存在會使樁頂沉降有所增加。但其增加值總體不大，并且隨荷載量級增大(達到極限承載力)時，這一附加沉降量可能由正變負。

3)探討了水平荷載對支盤樁豎向受壓承載力的影響。水平荷載的存在會使豎向承載力略有增加，但總體上影響不太大。