盤間距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響分析

錢永梅 翟镕政

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

1 概述

混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的研究尚不完善，尤其對(duì)于多盤的混凝土擴(kuò)盤樁，盤間距對(duì)其抗拔承載力的影響還不明確，這種影響因素的不確定性阻礙了混凝土擴(kuò)盤樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用.本文應(yīng)用ANSYS計(jì)算軟件，通過模擬分析粘土中不同盤間距的混凝土擴(kuò)盤樁在豎向拉力作用下的樁周土體破壞狀態(tài)，進(jìn)而確定盤間距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響.

2 ANSYS建模

研究盤間距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響，首先要建立不同盤間距混凝土擴(kuò)盤樁的有限元計(jì)算模型.為了有利于計(jì)算模型的分析比較，模型的構(gòu)筑確定了如下原則:

(1)根據(jù)混凝土擴(kuò)盤樁前期的研究成果，模型樁的樁長(zhǎng)L=8000mm，主樁直徑d=500mm，承力擴(kuò)大盤直徑D=1 500mm，承力擴(kuò)大盤坡腳θ≈37°，承力擴(kuò)大盤的懸臂長(zhǎng)度R=500mm(盤凈間距的基準(zhǔn))，盤高H=760mm.另外計(jì)算模型中，為了盡量避免邊界約束條件對(duì)土的影響，樁周土范圍不能太小，取直徑6 000mm，因?yàn)槭强拱嗡陨疃热? 000mm［1］.

(2)因?yàn)橹饕芯勘P間距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響，所以在計(jì)算模型中(模型單元?jiǎng)澐忠妶D1)［2］暫時(shí)設(shè)置兩個(gè)承力擴(kuò)大盤，將第一個(gè)承力擴(kuò)大盤的位置固定在樁底1 000mm處，其他參數(shù)不變，僅僅改變另一個(gè)擴(kuò)大盤的位置［3］.由于主樁徑、盤徑、盤高、盤間距等參數(shù)相互之間有影響，為了準(zhǔn)確說明相對(duì)關(guān)系，使研究參數(shù)有普遍指導(dǎo)意義，故盤間距取兩個(gè)承載擴(kuò)大盤之間的凈距離，用S0表示(見圖2)，其大小依次取2～7倍R，S0與R的比值用N表示，并將N=2～7的樁分別編號(hào)為CE2～CE7.以N=4即2 000mm的盤間距為例，具體模型參數(shù)見圖2.為了對(duì)所建立的模型有更直觀的了解，給出以N=4作為盤間距時(shí)總的樁土模型(見圖3).構(gòu)筑的混凝土擴(kuò)盤樁模型的參數(shù)數(shù)值見表1和表2.

表1 各個(gè)模型的N，S0參數(shù)

表2 材料參數(shù)

圖1 不同盤間距的混凝土擴(kuò)盤樁模型

圖2 N=4(CE4)參數(shù)示意圖

圖3 N=4(CE4)樁土模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

根據(jù)雙盤混凝土擴(kuò)盤樁的抗拔承載力計(jì)算公式［2］:

由上述公式可以初步計(jì)算出單樁抗拔承載力為1 067kN，模型加載時(shí)按面荷載加載，從約100kN開始加載，以后每級(jí)按大約100kN遞增［4］.最后計(jì)算完成后，分別提取各個(gè)模型約加載到1 000kN時(shí)的豎向位移云圖進(jìn)行分析.N=2～7時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向位移云圖分別為CE2，CE3，CE4，CE5，CE6，和CE7，圖4給出 CE2，CE4和CE7的豎向位移云圖，并將相同荷載(1 000kN左右)作用下各個(gè)模型的最大位移量繪制成圖5.

圖4 不同盤間距的豎向樁土位移云圖

從圖4中可以看出，當(dāng)施加的力即將達(dá)到樁的極限承載力時(shí)，樁土發(fā)生分離并達(dá)到或接近達(dá)到最大位移.從圖5中可以看出，在相同的荷載作用下，N=2(CE2)的樁土模型發(fā)生的位移要比N=3(CE3)，N=4(CE4)和N=5(CE5)的大，這是因?yàn)楫?dāng)盤間距過小時(shí)，兩盤之間的土體可能整體發(fā)生了沖切破壞，此時(shí)的豎向位移值反而略大于合理間距的樁的位移.這樣并不能充分發(fā)揮雙盤的作用，由此樁的抗拔承載力會(huì)降低.而當(dāng)N=7(CE7)時(shí)，其豎向最大位移會(huì)突然增加，這是因?yàn)楫?dāng)N=7的CE7模型，上面承力擴(kuò)大盤的頂端距離土體表面只有1 980mm(＜4 R)，盤上土體也容易發(fā)生沖切破壞，這也不利于承力擴(kuò)大盤充分發(fā)揮作用，所以這種情況也會(huì)降低混凝土擴(kuò)盤樁的抗拔承載力.

由以上分析可知，盤間距對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是盤間距的大小;二是最上面的承力擴(kuò)大盤到土體表面的距離.

圖5 相同荷載作用各個(gè)模型的最大豎向位移值

圖6 豎向位移隨荷載變化曲線

3.2 位移荷載曲線分析

從ANSYS后處理器中提取CE3～CE6模型每加載100kN后的最大豎向位移數(shù)值，通過整理，繪制豎向位移隨荷載的變化曲線，如圖6所示.

從圖6中可以看出，各個(gè)模型的豎向位移隨荷載變化規(guī)律基本一致，而且每一級(jí)荷載加載后，模型的豎向上拔值大小也相差不多，這說明當(dāng)盤間距大于一定的合理數(shù)值(≥3 R)時(shí)，隨著荷載的增加，不同盤間距樁的豎向位移的變化非常緩慢，表明其對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁抗拔承載力的影響作用逐漸減小.

4 結(jié)論和展望

當(dāng)混凝土擴(kuò)盤樁承擔(dān)豎向拉力時(shí)，承力擴(kuò)大盤的間距(包括最上面盤距土層頂部的距離)是混凝土擴(kuò)盤樁設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)混凝土擴(kuò)盤樁的樁周土體破壞狀態(tài)及單樁的抗拔承載力有顯著的影響，因此合理設(shè)計(jì)盤間距非常重要.本文研究結(jié)論:

(1)從分析中可知，要使混凝土擴(kuò)盤樁具有足夠的抗拔承載力，首先要保證最上面的承力擴(kuò)大盤距離土體表面有一定的距離，一般不低于4倍R;

(2)當(dāng)N≤2.5時(shí)，即承力擴(kuò)大盤凈間距小于盤懸臂長(zhǎng)度的2.5倍，承力盤之間土體容易出現(xiàn)整體破壞，使承力盤下土體不能形成滑移破壞，會(huì)降低樁的抗拔承載力;當(dāng)間距過大時(shí)，即N＞5時(shí)，樁長(zhǎng)增加較多，而隨著盤間距的增加，其抗拔承載力增長(zhǎng)又非常緩慢，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi).因此，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)谋P間距;

(3)混凝土擴(kuò)盤樁盤凈間距(S0)的合理取值范圍是盤懸臂長(zhǎng)度R的3～5倍，即N=3～5，這樣既能充分發(fā)揮承力盤的作用，又節(jié)約了工程成本.

另外，由于混凝土擴(kuò)盤樁的抗拔承載力還受到土性的直接影響，本文目前只分析了粘性土中盤間距對(duì)其抗拔承載力的影響.對(duì)于不同地區(qū)、不同土層中的混凝土擴(kuò)盤樁的設(shè)計(jì)參數(shù)，其對(duì)抗拔承載力的影響規(guī)律基本相同，但具體參數(shù)還需要進(jìn)一步的研究.

［1］Y.M.QIAN，N.MU，R.Z.WANG:The research about the method of establishing the model of limited unit about the push－extend －multi－under－ reamed pile［J］.Construction and Urban Planning，2013(9):602 － 605.

［2］Y.M.QIAN，X.Z.CHEN，X.W.XIE:Determining the Stress Calculation Mode under Sliding Failure of Soil around the Push － extend Multiunder－ reamed Pile［J］.Engineering，2014，6(5):254 － 259.

［3］謝新穎.擠擴(kuò)多盤樁極限承載力及樁－土間剪應(yīng)力和位移關(guān)系研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011.

［4］任佳佳.擠擴(kuò)多盤樁抗拔承載力及土體破壞形狀研究［D］.長(zhǎng)春:吉林建筑工程學(xué)院，2012.