旋擴(kuò)珠盤樁受力機(jī)理有限差分分析

郭紅英

(河南城建學(xué)院 建筑工程管理系，河南 平頂山 467044)

隨著巖土工程技術(shù)的不斷發(fā)展，樁基技術(shù)日趨成熟。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，建筑工程向著質(zhì)量高、進(jìn)度快、造價(jià)低等方面提出了更高的要求，樁基技術(shù)人員先后設(shè)計(jì)出結(jié)點(diǎn)樁、擴(kuò)底樁、多級(jí)擴(kuò)徑樁等，以提高樁的承載力滿足各種工程建設(shè)的需要。而旋擴(kuò)珠盤樁是蕭守讓先生在多年樁基基礎(chǔ)實(shí)踐中總結(jié)發(fā)明的一種新型樁基形式。它的誕生給樁基工程帶來了新的生命力，也為樁基技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力［1-3］。

旋擴(kuò)珠盤樁施工工藝和受力機(jī)理不同于原有的普通等截面灌注樁，而是介于摩擦樁和端承樁之間的變截面樁型。因?yàn)槌辛ΡP的存在提高了樁端阻力，從而使樁承載力大幅度增加。也使得單樁的受力機(jī)理和荷載傳遞變得復(fù)雜，同時(shí)也給實(shí)測(cè)工程數(shù)據(jù)帶來了一定的難度，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)單樁承載力的估算，目前還需更進(jìn)一步的分析確定，因此對(duì)旋擴(kuò)珠盤樁的受力機(jī)理和荷載傳遞特性進(jìn)行分析研究就顯得尤為必要，并且具有十分積極的意義［4-10］。

本文以洛陽某工程為背景，采用有限差分方法，對(duì)旋擴(kuò)珠盤樁的受力機(jī)理進(jìn)行了力學(xué)分析，為該類樁型在更大范圍內(nèi)推廣提供一定的理論依據(jù)。

1 樁的模型建立和基本假定

本次數(shù)值模擬計(jì)算采用了實(shí)測(cè)資料數(shù)據(jù)，樁長(zhǎng)14 m，沿樁身共設(shè)置3個(gè)承力盤，盤徑1.2 m，樁徑0.4 m，尺寸見圖1。樁體四周按10 m計(jì)算，樁端以下延伸16 m;模型的坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于樁頂，Z軸平行于軸線，方向向上。模型的頂部，z=0，是一個(gè)自由面;計(jì)算域?yàn)?0 m×20 m×30 m，模型的豎向邊界在兩個(gè)水平方向設(shè)有約束，底邊界在一個(gè)垂直方向和兩個(gè)水平方向設(shè)有約束。樁和土之間用命令I(lǐng)NTERFACE來定義接觸面，接觸面上允許滑動(dòng)或者分離，按靜載試驗(yàn)時(shí)用的荷載逐級(jí)加載，建立的數(shù)值分析模型見圖2。

圖1 樁的幾何尺寸(單位:mm)

圖2 樁體有限差分網(wǎng)格

在建模的過程中作了如下的基本假定:

1)單樁按空間軸對(duì)稱問題進(jìn)行分析，過樁軸線的一個(gè)垂直面是對(duì)稱面;

2)樁體采用線彈性材料，土層為勻質(zhì)體，土體為彈塑性材料，服從摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則;

3)整個(gè)數(shù)值模擬不考慮地下水影響。

土體參數(shù)及樁體參數(shù)見表1、表2。

表1 土體的模型參數(shù)

表2 樁的模型參數(shù)

2 模擬過程簡(jiǎn)述

整個(gè)過程是運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D針對(duì)旋擴(kuò)珠盤樁與土的相互作用進(jìn)行的數(shù)值模擬。模型根據(jù)君臨廣場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際樁型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立有限差分FLAC3D模型，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 樁土有限差分網(wǎng)格

在樁設(shè)置之前，模型首先在重力作用下達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。然后，模型在設(shè)置樁之后達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這是通過將樁所在位置處的土性質(zhì)改變?yōu)榛炷恋男再|(zhì)來模擬樁的設(shè)置。

3 結(jié)果分析

3.1 荷載—沉降分析

將試樁363#，476#的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果共同繪成Q—s曲線(圖4)。由圖4可看出，隨著荷載的增加樁頂沉降也相應(yīng)變大，在荷載＜1 750 kN前，樁頂沉降隨荷載呈線性增加，表現(xiàn)在Q—s曲線上為一條以一定斜率增加的直線段。模擬樁的Q—s曲線與實(shí)測(cè)Q—s曲線兩者在樁頂荷載2 500 kN之前基本重合，說明用有限差分軟件Flac模擬旋擴(kuò)珠盤樁是比較可靠的。

圖4 Q—s曲線

因?yàn)樾龜U(kuò)珠盤樁的Q—s曲線為“漸進(jìn)破壞”的緩變型，無明顯拐點(diǎn)，此時(shí)樁的極限承載力主要由樁頂最大沉降量來控制，一般為40～60 mm。旋擴(kuò)珠盤樁Q—s曲線沒有明顯的比例界限點(diǎn)也無明顯的陡降段。這是因?yàn)闃秱?cè)摩阻力與各盤端承載力在樁的受荷過程中，按變形協(xié)調(diào)原理在變化中交替發(fā)揮作用，使各盤下被壓密的持力層土體沉降變形減小。

3.2 位移場(chǎng)分析

圖5、圖6給出了樁頂荷載為2 500 kN時(shí)旋擴(kuò)珠盤樁樁周土體和樁體位移圖。

圖5 樁周土體位移(單位:m)

圖6 樁體位移(單位:m)

圖5、圖6顯示樁周土體和樁體的豎向位移均是向下的。由圖5可知，樁周土體豎向沉降是由樁周邊向外逐漸減小，如樁周邊豎向沉降為0.012 m，樁周較遠(yuǎn)處土體豎向沉降為0.004 m。在較遠(yuǎn)處隨著土體深度的增加，豎向沉降減小。這和常規(guī)直樁土體沉降相似。

從圖6可見，位移最大值出現(xiàn)在樁頂位置，沿樁身從上向下位移逐漸減小，樁頂 z=0處位移值為-11.55 mm，沿樁身向下 8 m處位移值為 -10.75 mm，樁端處為-11.05 mm。樁頂位移大于樁端位移表明樁體本身也產(chǎn)生了材料壓縮。從各承力盤上的豎向位移看，第一盤即上盤位移最大，中盤次之，下盤最小。

樁基靜載荷試驗(yàn)在2 500 kN豎向荷載下實(shí)測(cè)試樁363#，476#的最大沉降量分別為11.50 mm和11.07 mm，數(shù)值模擬樁最大沉降量為11.55 mm，可見旋擴(kuò)珠盤樁的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值較接近，能夠較為真實(shí)地反映單樁在豎向荷載作用下位移場(chǎng)的分布規(guī)律 。

圖7給出了旋擴(kuò)珠盤樁中盤上下土體X方向的位移等值線圖。由圖7可見，在樁頂豎向荷載作用下，中間承力盤上下土體的X方向位移呈對(duì)稱形狀，盤上土體較盤下土體側(cè)向位移小，X方向最大位移發(fā)生在盤端斜下方土體中，位移值為0.298 mm，可見位移值很小。由于承力盤上斜面的樁體豎向位移大于土體位移，致使樁土相互脫離，形成空隙。同時(shí)，斜面上脫開的土體起著拱的作用，從而導(dǎo)致土體產(chǎn)生橫向位移。如果空隙過大，則承力盤斜上方土體就有塌落到空隙中的可能。圖中顯示未發(fā)生土體塌落現(xiàn)象。

圖7 中盤X方向位移等值線

4 結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相比有一點(diǎn)誤差。這是由于數(shù)值模擬中采用了一些不完全符合實(shí)際情況的基本假設(shè);數(shù)值模擬中劃分單元較大，內(nèi)密外疏。模擬結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果雖有些差值，但總體來說吻合較好，能真實(shí)地反映旋擴(kuò)珠盤樁受力性能，以及不同荷載情況下樁體沉降和承力盤盤周土體的位移情況，是工程試樁靜載荷試驗(yàn)的一個(gè)有益補(bǔ)充。數(shù)值分析結(jié)果表明，采用有限差分法來數(shù)值模擬樁土共同作用是切實(shí)可行的。

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