盤懸挑徑對(duì)NT-CEP樁群樁抗拔破壞機(jī)理影響研究

（1：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2：華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000；3：吉林新龍房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130051；4：山東泰開環(huán)保科技有限公司，山東 泰安 271000）

摘要：盤懸挑徑是新型混凝土擴(kuò)盤樁（New Type Concrete Expanded-Plate Pile，以下簡(jiǎn)稱NT-CEP樁）群樁抗拔影響的主要因素，本文采用ANSYS有限元模擬分析的方法建立六組不同盤懸挑徑的四樁模型，研究不同盤懸挑徑對(duì)NT-CEP樁群樁抗拔承載能力和群樁效應(yīng)的影響，根據(jù)以往單樁和雙樁的研究成果，對(duì)比單樁、雙樁和四樁的抗拔承載力，分析群樁效應(yīng)對(duì)抗拔承載力的影響，揭示群樁樁周土體破壞機(jī)理。通過本文模擬結(jié)果得到以下結(jié)論：盤懸挑徑越大，群樁的抗拔承載能力越強(qiáng)，但抗拔承載能力增長(zhǎng)并不是線性變化。當(dāng)盤懸挑徑大于1.75倍樁徑時(shí)，群樁的承載力提高不明顯，盤懸挑徑與樁徑的比值應(yīng)在1.5倍～1.75倍為最佳。此結(jié)論為NT-CEP樁群樁在工程設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新型混凝土擴(kuò)盤樁（NT-CEP樁）；盤懸挑徑；群樁；抗拔性能；有限元模擬分析

中圖分類號(hào)：TU473" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " 文章編號(hào)：

Study on the Influence of Disc Cantilever Diameter on the Uplift Failure Mechanism of NT-CEP Pile Group

CHE Mingyue1，QIAN Yongmei1*，HE Manman2，ZHANG Shilei3，ZHANG Kai4

（1：School of civi engineering， Jilin Jianzhu university， Changchun Jilin 130118， China；2：East China Architectural Design amp; Research Institute Co.，Ltd ， Shanghai 200000， China；3：Jilin Xinlong Real Estate Development Co.Ltd，Changchun Jilin 130051，China；4：Shandong Taikai Environmental Protection Technology Co.， Ltd，Taian Shandong 271000，China）

Abstract：Disc cantilever diameter is the main factor influencing the uplift of New Type Concrete Expanded Plate Pile （NT-CEP pile），in this paper，six groups of four pile models with different disc cantilever diameters are established by using ANSYS finite element simulation analysis method，the influence of different disc cantilever diameters on the pull-out bearing capacity and pile group effect of NT-CEP piles is studied，the pull-out bearing capacity of single pile，double pile and four pile is compared according to the previous research results of single and double pile，the influence of pile group effect on uplift bearing capacity is analyzed，and the failure mechanism of soil around pile group is revealed.The following conclusions are obtained from the simulation results： the larger the disc cantilever diameter，the stronger the uplift bearing capacity of pile group，but the increase of uplift bearing capacity is not linear.When the disc cantilever diameter is greater than 1.75 times the pile diameter， the bearing capacity of pile group is not significantly improved，and the ratio of disc cantilever diameter to pile diameter should be between 1.5 times and 1.75 times.This conclusion lays a theoretical foundation for NT-CEP pile group in engineering design and application.

Keywords ：New Type Concrete Expanded-Plate Pile （NT-CEP pile）;disc cantilever diameter; pile group;pull-out resistance; finite element simulation analysis

0 引言

NT-CEP樁是一種新型灌注變截面樁型，憑借其施工成本低、承載力高、沉降量小等特點(diǎn)在工程實(shí)際中得到越來越廣泛地應(yīng)用[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)普通直孔群樁[2-3]和變截面單樁[4]的研究較多，對(duì)NT-CEP樁的研究主要集中在單、雙樁[5-6]，而對(duì)NT-CEP群樁的研究幾乎為空白，且變截面群樁研究成果對(duì)NT-CEP群樁研究具有一定的借鑒作用[7-8]，但無法直接應(yīng)用于NT-CEP群樁。在實(shí)際工程中受上部結(jié)構(gòu)的類型、地形條件等因素影響，群樁在工程中的應(yīng)用也非常普遍，因此必須對(duì)NT-CEP群樁在上拔荷載作用下的承載特性進(jìn)行研究。“群樁效應(yīng)”會(huì)對(duì)極限抗拔承載力造成影響[9]，因此對(duì)NT-CEP群樁抗拔承載性能研究能夠?yàn)榛炷翑U(kuò)盤樁更為廣泛地推廣和應(yīng)用起到良好的促進(jìn)作用。

1 ANSYS有限元建模

1.1 材料參數(shù)

依據(jù)前期研究成果確定樁身與土體參數(shù)見表1。

1.2 模型參數(shù)

依據(jù)課題組研究成果確定模型樁尺寸數(shù)據(jù)，樁身長(zhǎng)度設(shè)定為8 m，樁徑為0.5 m，承力盤根據(jù)NT-CEP樁施工工藝設(shè)定為上下不對(duì)稱形式，盤上坡角為35°，盤下坡角為20°，樁間距為3.5 m。模型樁、四樁平面布置方案，如圖1～圖2 所示。

在構(gòu)建ANSYS有限元模型構(gòu)筑時(shí)，采用映射網(wǎng)格劃分的方法[10-11]，采用彈性模型中的非線性彈性模型建立土體模型，彈塑性模型建立樁身模型，為使研究具有普遍性并符合工程實(shí)際應(yīng)用，設(shè)置六組四樁（2×2）進(jìn)行模擬分析，編號(hào)為MG1～MG6，六組盤懸挑徑分別取1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.25倍樁徑，具體參數(shù)如表2所示。選擇面荷載對(duì)樁身頂部區(qū)域施加豎向拉力。選用荷載控制加載，提取相應(yīng)的荷載位移數(shù)據(jù)，當(dāng)樁頂位移達(dá)到95 mm時(shí)，其荷載視為極限荷載，終止加載。

2 四樁模擬結(jié)果分析

提取模擬分析中樁身與樁周土體的位移云圖。由于各組模型的位移云圖及荷載-位移曲線變化趨勢(shì)接近，因此本文選取具有代表性的MG4組（1.75d）樁模型和相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行受力過程和破壞狀態(tài)詳述。

2.1 位移云圖分析

分別提取豎向拉力大小分別為400 kN，4 000 kN，6 400 kN，7 600 kN時(shí)的Y方向位移云圖，如圖3所示。

從圖3可以看出：加載初期如圖3（a）所示，承力盤與下部土體初步出現(xiàn)分離現(xiàn)象，承載力主要由樁側(cè)摩阻力提供，承力盤發(fā)揮作用小；施加荷載為4 000 kN時(shí)，承力盤對(duì)盤上土體出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，承力盤開始發(fā)揮作用，四樁之間土體開始產(chǎn)生相互影響，但樁間土體發(fā)生位移較小，對(duì)四樁的承載性能影響不大，如圖3（b）所示；荷載增加至6 400 kN時(shí)，樁之間土體出現(xiàn)貫通水平裂縫，盤上土體位移滑移現(xiàn)象出現(xiàn)，形成接近于“倒心型”的位移云圖，如圖3（c）所示；荷載到7 600 kN時(shí)，四樁之間土體相互影響范圍增大，各樁承力盤上部位移云圖出現(xiàn)大范圍接觸現(xiàn)象，樁頂?shù)呢Q向位移數(shù)據(jù)已達(dá)到極限位移，如圖3（d）所示。

2.2 荷載-位移曲線對(duì)比分析

提取六組不同盤懸挑徑下的樁頂荷載-位移數(shù)據(jù)，并繪制荷載-位移曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出：六組曲線變化趨勢(shì)基樁頂位移達(dá)到95 mm時(shí)，視為樁周土體達(dá)到破壞狀態(tài)，提取此時(shí)六組模擬樁極限荷載數(shù)值，相鄰盤懸挑徑極限荷載差值百分比如圖5所示。

在相同荷載下，隨著盤懸挑徑的增大，NT-CEP群樁的豎直方向位移減小，承載能力更好。加載初期，曲線發(fā)展較為“平緩”，樁頂豎向拉力增加后，曲線呈現(xiàn)“輕微陡降趨勢(shì)”，對(duì)比位移云圖，承力盤上部土體開始?jí)嚎s，荷載-位移曲線未出現(xiàn)較大斜率的下降，盤端剛出現(xiàn)水平裂縫，還未產(chǎn)生樁間土體相互影響；荷載繼續(xù)增加，曲線開始出現(xiàn)下降斜率增大，對(duì)比位移云圖，樁間土體產(chǎn)生的水平裂縫發(fā)生相互貫通現(xiàn)象，樁間土體產(chǎn)生拉裂破壞，逐漸失去承載能力。

從圖5可以看出：在盤懸挑徑為1.25d～1.5d時(shí)，荷載差值最大，樁身達(dá)到極限狀態(tài)需要施加的荷載值增大了28.21%，群樁的承載力提升最為明顯，之后隨著盤懸挑徑增大，荷載差值逐漸減小， 群樁承載力的效率提升逐漸降低。這說明承力盤的盤懸挑徑要選取在一定合理范圍內(nèi)，才能有效提高承載力。

3 單樁與雙樁、四樁抗拔承載性狀對(duì)比分析

提取盤懸挑徑為1.75倍樁徑下的單樁、雙樁及四樁的樁頂荷載-位移曲線數(shù)據(jù)，并繪制荷載-位移曲線如圖6所示。

1） 樁頂位移值大小相同的情況下，雙樁的荷載-位移曲線與單樁2倍參考線基本重合，四樁的曲線與雙樁的2倍參考線基本重合，說明雙樁、四樁未產(chǎn)生樁間相互影響現(xiàn)象，每根樁承載能力充分發(fā)揮。

2） 四樁的荷載-位移曲線與雙樁2倍參考線間距逐漸增大，荷載值增大，間距也增大，四樁的承載力要小于雙樁的2倍，是由于四樁之間土體產(chǎn)生相互影響，四樁中單根樁的平均承載力小于單樁承載力，并隨著荷載值的增加，四樁的抗拔承載力與2倍的雙樁承載力差值增大。

3） 樁頂位移值極限位移，單樁與雙樁、四樁均達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，在盤懸挑徑均為樁徑的1.75倍情況下，雙樁破壞荷載約為單樁破壞荷載的1.93倍，四樁破壞荷載約為雙樁破壞荷載的1.916倍，說明相同盤懸挑徑的情況下，四樁間群樁效應(yīng)較大，對(duì)單根樁承載力發(fā)揮有所影響。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同盤懸挑徑下NT-CEP群樁抗拔破壞機(jī)理及承載性能的理論分析及數(shù)值模擬研究，得出結(jié)論如下。

1） 樁間距相同時(shí)，與單樁相似，盤懸挑徑越大，群樁的抗拔承載能力越強(qiáng)，但抗拔承載能力增長(zhǎng)并不是線性變化。當(dāng)盤懸挑徑大于1.75倍樁徑時(shí)，群樁的承載力提高不明顯，且混凝土用量會(huì)增大，在盤高不變的同時(shí)，盤懸挑徑的增大，必定會(huì)在承力盤上發(fā)生沖切破壞。因此，盤懸挑徑與樁徑的比值應(yīng)在1.5倍～1.75倍為最佳，能有效發(fā)揮承力盤作用。

2） 對(duì)比雙樁和四樁，雖然樁數(shù)增加了一倍，但群樁總承載力并沒有增加一倍。主要是受群樁效應(yīng)影響，每根樁的承載力出現(xiàn)了不同程度的折減，具體受到樁數(shù)、樁間距、盤位置等因素的影響。

本文的研究結(jié)論在單、雙樁研究成果上，完善了NT-CEP群樁抗拔承載力設(shè)計(jì)機(jī)理，為確定不同盤懸挑徑下NT-CEP群樁抗拔承載力折減系數(shù)及計(jì)算模式提供了理論依據(jù)，為NT-CEP群樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]袁野.樁基礎(chǔ)施工的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2013（12）：72.

[2]謝榮昌.有限元方法在研究群樁基礎(chǔ)沉降影響因素中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[3]Ai Z Y，Gui J C，Cheng Y C.Performance of vertically loaded pile group embedded in layered transversely isotropic saturated viscoelastic soils[J].Engineering Analysis with Boundary Elements，2020，110：112–123.

[4]Qian Y， Yang Y， Hong G， et al.Theoretical analysis of the influence of a sectional form of a flexible NT-CEP pile disc on the anti-tilting loading performance[J].KSCE Journal of Civil Engineering， 2022， 26（11）： 4709-4716.

[5]孫琳，錢永梅，田偉等.擴(kuò)徑位置對(duì)CEP抗拔雙樁承載性能影響的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（15）：147-151.

[6]于航，錢永梅，牛雷等.盤懸挑徑對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁雙樁抗拔承載性能的影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（13）：147-151.

[7]馬宏偉，姜曉強(qiáng)，吳怡穎等.擠擴(kuò)樁的靜承載特性試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（35）：122-123.

[8]Elahi h，Moradi m，Poulos h，et al.Pseudostatic approach for seismic analysis of pile group[J].Computers and Geotechnics，2009，37（1）：25-39.

[9]馬興鍵.考慮樁土作用的群樁效應(yīng)分析[J].低溫建筑技術(shù)，2022，44（4）：137-141.

[10]袁國(guó)勇.ANSYS網(wǎng)格劃分方法的分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2009（6）：59-60.

[11]李平均，郭小剛，傅文橋.基于ANSYS的組合荷載作用下水平受荷樁的有限元分析[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，27（3）：55-61.

編輯：王國(guó)巖

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52078239）

作者簡(jiǎn)介： 車銘岳（1999～），男，吉林省吉林市人，碩士，研究方向：樁基礎(chǔ)。

*通訊作者：錢永梅（1970～），女，吉林省長(zhǎng)春市人，教授，博士，研究方向：樁基礎(chǔ)，E-mail：654675316@qq.com。