抗拔支盤(pán)樁首盤(pán)深度與抗拔力的關(guān)系研究

楊治軍，謝永利，范祥，劉毅鑫

抗拔支盤(pán)樁首盤(pán)深度與抗拔力的關(guān)系研究

楊治軍，謝永利，范祥，劉毅鑫

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

基于巖土彈塑性本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值計(jì)算理論，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，建立樁土軸對(duì)稱模型。在指定樁頂位移條件下，分析支盤(pán)樁抗拔承載力的變化情況，得到首盤(pán)深度對(duì)支盤(pán)樁抗拔承載力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：對(duì)于不同首盤(pán)深度的支盤(pán)樁，隨著樁頂位移的逐步增加，在未達(dá)到極限抗拔荷載值之前，其抗拔承載力隨著首盤(pán)深度的增大而減小，在達(dá)到極限抗拔荷載之后，其抗拔承載力隨著首盤(pán)深度增加而增大；對(duì)于長(zhǎng)度不同的支盤(pán)樁，首盤(pán)深度值為樁長(zhǎng)(雙盤(pán)樁為總樁長(zhǎng)、三盤(pán)樁為次盤(pán)深度)的24%~30%時(shí)，抗拔承載力達(dá)到最大；在最優(yōu)首盤(pán)深度的條件下，無(wú)論支盤(pán)數(shù)目多少，當(dāng)樁周土為黏土且處于飽和狀態(tài)，支盤(pán)樁的單位樁長(zhǎng)所提供的抗拔承載力，相比于直樁提高了7.5%，結(jié)果可為實(shí)際工程中支盤(pán)樁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)提供理論支撐。

有限元模擬；支盤(pán)樁；抗拔承載力；首盤(pán)深度；上拔荷載-位移曲線

抗拔樁在大型地下室抗浮、高聳建(構(gòu))筑物與海上碼頭平臺(tái)抗拔、懸索橋和斜拉橋的基礎(chǔ)錨樁、大型船塢地板的樁基礎(chǔ)和靜上拔荷載試樁中的錨樁基礎(chǔ)均有應(yīng)用。工程上的抗浮或抗拔通常采用壓重法、抗浮錨桿、普通等截面抗拔樁等措施，同時(shí)，傳統(tǒng)的抗拔工程措施存在諸多不足，壓重法利用增加結(jié)構(gòu)的自重以平衡地下水的上浮力，但經(jīng)濟(jì)成本高，抗浮錨桿利用錨桿和砂漿組成的錨固體與巖土層的結(jié)合力作為抗浮力，但易受地質(zhì)條件影響，承載力不穩(wěn)定，普通等截面樁的基礎(chǔ)抗拔力是由樁側(cè)摩擦阻力及樁身自重所提供，但造價(jià)較高，抗拔力較小。支盤(pán)樁隨即應(yīng)運(yùn)而生，它在傳統(tǒng)抗拔樁的基礎(chǔ)上，通過(guò)在樁身設(shè)置支盤(pán)，使得抗拔樁不僅有樁側(cè)表面摩擦提供抗拔力，而且變截面處的承力支盤(pán)，也擴(kuò)大了樁?土間的接觸面積，最重要的是可以在樁體設(shè)置多個(gè)支盤(pán)，與擴(kuò)底樁相比大大增加了端承面積，提供了較大的端承抗拔阻力，并能充分利用盤(pán)頂以上土體的自重，因而具有很好的抗拔性能，并且其抗拔承載力十分穩(wěn)定，施工方法也比較成熟。近些年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)支盤(pán)樁的豎向受力特性和支盤(pán)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。范孟華等[1]通過(guò)分析相鄰兩盤(pán)間的破壞面形態(tài)，推導(dǎo)出基于小抗力的支盤(pán)樁承載力和臨界盤(pán)間距計(jì)算公式。夏紅兵等[2]利用FLAC3D數(shù)值軟件，模擬盤(pán)間距、盤(pán)數(shù)量和盤(pán)徑對(duì)新型擴(kuò)擠支盤(pán)樁豎向承載力影響規(guī)律，得出最優(yōu)的盤(pán)間距、盤(pán)數(shù)量和盤(pán)徑。陸鳳池等[3]利理論推導(dǎo)旋擴(kuò)珠盤(pán)樁臨界盤(pán)間距，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證并分析了不同盤(pán)間距的承力盤(pán)端阻力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的變化規(guī)律。盧成原等[4]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究不同土質(zhì)中支盤(pán)樁單樁的合理盤(pán)間距，得出不同土質(zhì)條件下的合理盤(pán)間距。盧成原等[5]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，確定出最優(yōu)的不同形狀盤(pán)體組合。KE等[6]建立三維有限元模型分析出支盤(pán)樁承載力主要取決于板的下坡和樁底。Lü等[7]從動(dòng)荷載的角度對(duì)支盤(pán)樁進(jìn)行研究，承載板位置不同決定最大承載力。隨著工程實(shí)際需求變化，由于支盤(pán)樁的抗拔性能顯著，在工程中的應(yīng)用也逐步廣泛，部分學(xué)者對(duì)支盤(pán)樁的抗拔特性也作了一定的研究，錢德玲[8]基于三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)支盤(pán)樁的受力機(jī)理、荷載傳遞性狀和上拔荷載作用下應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出支盤(pán)樁的最佳盤(pán)間距、樁間距，為擠擴(kuò)支盤(pán)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的量化依據(jù)。趙明華等[9]對(duì)擠擴(kuò)灌注樁的樁抗拔承載機(jī)理、抗拔破壞形式以及拔承載力計(jì)算方法進(jìn)行理論探究，為抗拔樁設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。肖琦等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)支盤(pán)的存在對(duì)樁身軸力影響規(guī)律及其上拔荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行研究，提出承力盤(pán)間距的合理值。目前主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或數(shù)值模擬對(duì)支盤(pán)樁的承載特性、破壞形式研究，進(jìn)行合理的支盤(pán)設(shè)計(jì)。目前，支盤(pán)樁在工程中的應(yīng)用較廣，主要是以提供豎向承載力為主，大量的學(xué)者[1?7]對(duì)支盤(pán)樁的豎向承載特性進(jìn)行研究，分析支盤(pán)樁的單樁豎向承載力特性，從支盤(pán)位置、支盤(pán)大小、支盤(pán)形狀、支盤(pán)間距以及支盤(pán)數(shù)量等方面得出使其單樁豎向承載力達(dá)到最大時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)。支盤(pán)樁除了提高豎向承載力外，對(duì)抗拔承載力也有極大的提高，部分學(xué)者[8?11]基于支盤(pán)樁抗拔承載特性，探討了支盤(pán)大小、形狀、間距和數(shù)量等參數(shù)與單樁極限抗拔承載力之間的關(guān)系，但對(duì)于支盤(pán)抗拔樁的設(shè)計(jì)中涉及到地表與其最近支盤(pán)的距離設(shè)計(jì)，即首盤(pán)深度設(shè)計(jì)，由于目前對(duì)這方面的研究較少，故對(duì)其認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致在抗拔工程上的應(yīng)用較少，因此對(duì)支盤(pán)樁進(jìn)行上拔荷載作用下最優(yōu)盤(pán)距的研究是非常必要的。由于支盤(pán)樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)非常困難，造價(jià)極高，然而數(shù)值模擬可操作性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際非常接近，故本文主要通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同樁長(zhǎng)的支盤(pán)樁設(shè)置不同的首盤(pán)位置，探討出支盤(pán)深度對(duì)極限抗拔承載力的影響規(guī)律，從而確定出最優(yōu)首盤(pán)深度范圍，為實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 支盤(pán)樁有限元模型建立

采用雙盤(pán)樁和三盤(pán)樁作為計(jì)算模型[12]，樁的截面取為圓形，直徑=0.5 m，樁土模型兩側(cè)設(shè)置水平向位移約束，底端設(shè)置水平向和豎直向位移約束。承力盤(pán)形狀選擇時(shí)，由于支盤(pán)截面為錐形與矩形2種形狀的軸向應(yīng)力基本相同，其抗拔承載特性也基本一致[13]。為使計(jì)算模擬方便，將三盤(pán)樁的底盤(pán)與次盤(pán)以最優(yōu)盤(pán)距固定[1, 3]，如圖1所示，對(duì)雙盤(pán)、三盤(pán)樁模型進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。將樁設(shè)置在一密實(shí)黏土地基中，在不排水條件下對(duì)樁的工作性狀進(jìn)行探究。試驗(yàn)?zāi)M支盤(pán)樁和樁周土的材料參數(shù)見(jiàn)表1[14]。

為提高模擬數(shù)據(jù)的可靠性，采用不同長(zhǎng)度的雙盤(pán)樁和三盤(pán)樁進(jìn)行數(shù)值分析，通過(guò)模擬不同首盤(pán)深度的支盤(pán)樁所對(duì)應(yīng)的極限抗拔承載力，研究首盤(pán)深度與樁極限承載力之間的變化規(guī)律，采用控制變量的方式進(jìn)行研究，具體參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

單位：m

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

表2 雙盤(pán)樁模型參數(shù)

在數(shù)值模擬過(guò)程中，將樁考慮為線彈性材料，土體根據(jù)實(shí)際情況考慮為彈塑性材料，并采用Mohr-Coulomb非線性彈塑性模型模擬土的塑性性質(zhì)[12]。建立軸對(duì)稱幾何模型。通過(guò)設(shè)置樁土界面上黏結(jié)接觸面來(lái)模擬樁土之間的相互作用，并對(duì)樁和土分別賦予屬性參數(shù)；通過(guò)裝配使樁與土形成整體；為了和初始應(yīng)力相適應(yīng)，對(duì)模型全體施加體力荷載；根據(jù)土性參數(shù)設(shè)置初始地應(yīng)力場(chǎng)；通過(guò)指定樁頂位移，對(duì)樁頂施加上拔荷載力；設(shè)置模型邊界條件，如圖2所示。采用軸對(duì)稱四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元(CAX4)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部集中受力區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示。

表3 三盤(pán)樁模型參數(shù)

圖2 模型荷載及邊界條件

圖3 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 樁土受力特性

抗拔支盤(pán)樁采用鋼筋混凝土樁，利用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔灌注方式成樁，支盤(pán)處利用擠擴(kuò)成型，填入素混凝土。對(duì)于樁，數(shù)值模擬采用線彈性模型，相比于土體變形，樁的變形可以忽略不計(jì)。樁體豎向力分布如圖4所示，豎向力沿著樁身呈遞增整狀態(tài)，樁頂?shù)呢Q向力與位移最大，當(dāng)樁頂施加上拔荷載的初期，此時(shí)在樁身中下部樁土相對(duì)位移等于0處，其樁摩阻力因尚未開(kāi)始發(fā)揮作用而等于0，而對(duì)于樁周土，第1個(gè)盤(pán)先受力，隨著樁頂上拔荷載增加，樁身混凝土拉伸量和樁土相對(duì)位移量逐漸增大，樁側(cè)中下部土層的摩阻力隨之逐步發(fā)揮出來(lái)。支盤(pán)處的軸力相比樁身較小，這與樁身的材料剛度和加載過(guò)程有關(guān)。

單位：kPa

樁周土體假定為均勻土，指定土體參數(shù)模擬實(shí)際受力，采用Mohr-coulomb模型模擬不排水黏結(jié)強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角取為0，Mohr-coulomb模型退化為T(mén)resca模型[14]，數(shù)值模擬分析均勻土的Tresca應(yīng)力如圖5所示。土在支盤(pán)處的受力最大，產(chǎn)生的“應(yīng)力泡”符合土體實(shí)際受力情況，主要是樁在受到上拔力作用時(shí)，除了樁土側(cè)摩阻力提供抗拔承載力外，支盤(pán)所承受的上拔荷載更大程度的分配給周圍土體，大大提高了抗拔承載力。

單位：kPa

3 極限抗拔承載力確定

將樁頂節(jié)點(diǎn)豎向應(yīng)力S22的平均值作為樁頂應(yīng)力代表值，乘以樁身曲線出現(xiàn)明顯彎折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上拔荷載作為極限抗拔荷載，從而確定出不同首盤(pán)深度條件下支盤(pán)樁的極限抗拔承載力。

4 支盤(pán)樁抗拔承載力隨首盤(pán)深度的變化規(guī)律

以雙盤(pán)樁和三盤(pán)樁模型為例，通過(guò)分析上拔荷載?位移曲線對(duì)不同樁長(zhǎng)支盤(pán)樁的抗拔承載力進(jìn)行分析，進(jìn)一步得出支盤(pán)樁的極限抗拔承載力隨首盤(pán)深度的變化規(guī)律，從而確定首盤(pán)深度的最優(yōu)值。

4.1 雙盤(pán)樁的上拔荷載變化曲線

雙盤(pán)樁模型主要是通過(guò)固定樁底盤(pán)，對(duì)不同首盤(pán)深度支盤(pán)樁分別進(jìn)行承載力模擬，得出不同首盤(pán)深度對(duì)應(yīng)的上拔荷載?位移曲線，如圖6所示。上拔荷載?位移曲線曲線呈緩慢變化型，上拔荷載隨著位移的增大而增大，由線性變化轉(zhuǎn)為非線性，斜率逐漸減小，其-曲線呈緩慢變化型[15]。

(a) L=15 m；(b) L=25 m；(c) L=35 m；(d) L=45 m

對(duì)比圖6(a)~6(d)，不同長(zhǎng)度支盤(pán)樁的樁頂位移在0.005 m范圍內(nèi)，上拔荷載值均隨位移呈線性增大，且不同首盤(pán)深度對(duì)應(yīng)的上拔荷載位移曲線幾乎重合，這是由于此階段支盤(pán)還未受力，承載力由樁側(cè)摩阻力提供。在樁頂位移大于0.005 m時(shí)，曲線斜率產(chǎn)生差異，此時(shí)首盤(pán)深度=1 m的曲線斜率最大，其原因主要是樁在上拔荷載作用下，距地面最近的支盤(pán)先受力，從而導(dǎo)致在出現(xiàn)極限抗拔承載力之前的上拔荷載位移曲線，在相同樁頂位移條件下，其上拔荷載值隨首盤(pán)深度的增大反而減小。對(duì)比不同長(zhǎng)度的支盤(pán)樁，直樁的上拔荷載超過(guò)峰值后，上拔荷載位移曲線斜率幾乎為零，這是由于直樁主要依靠樁側(cè)摩阻力承受上拔荷載，樁在上拔荷載作用下，使樁土之間的錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到極限位移，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力，其值保持不變，最終使得抗拔承載力值保持不變。而對(duì)于相同長(zhǎng)度的支盤(pán)樁，隨著首盤(pán)深度的增大，峰值后的上拔荷載位移曲線斜率均隨首盤(pán)深度呈正比例增加。通過(guò)對(duì)比不同樁長(zhǎng)的極限上拔荷載對(duì)應(yīng)的位移值，極限上拔荷載值下的位移值隨樁長(zhǎng)的增加而增加，驗(yàn)證了樁長(zhǎng)是決定樁基承載力的因素之一，與實(shí)際規(guī)律符合。對(duì)于長(zhǎng)度一定的樁，在樁底固定一個(gè)支盤(pán)的單盤(pán)樁，其抗拔承載力極限值較直樁有大幅度提高，而雙盤(pán)樁的極限抗拔承載力較單盤(pán)樁的增加幅度有所降低，由于支盤(pán)的逆端承作用，盤(pán)數(shù)的增加必然使得抗拔承載力提高，但其盤(pán)數(shù)存在合理值使得承載力最大[3]。當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)45 m，無(wú)論首盤(pán)深度大小，荷載位移曲線較集中，抗拔承載力隨首盤(pán)深度的影響變化幅度不大，故而樁長(zhǎng)對(duì)首盤(pán)深度的選擇有一定的影響，即樁的支盤(pán)設(shè)計(jì)在一定程度上受樁長(zhǎng)的限制。

通過(guò)對(duì)比雙盤(pán)樁在不同首盤(pán)深度條件下的上拔荷載位移曲線，利用各個(gè)曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的極限上拔荷載值，得出與雙盤(pán)樁極限上拔荷載隨首盤(pán)深度的變化曲線，如圖7所示。

根據(jù)雙盤(pán)樁的首盤(pán)深度?上拔荷載曲線圖，得出峰值上拔荷載對(duì)應(yīng)得首盤(pán)深度值，即使得支盤(pán)樁抗拔承載最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的首盤(pán)深度，對(duì)比不同樁長(zhǎng)的首盤(pán)深度?上拔荷載曲線圖。對(duì)于樁長(zhǎng)=15 m的樁，上拔荷載峰值達(dá)到3 092 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=4.25 m，占總樁長(zhǎng)的28.3%；樁長(zhǎng)=25 m的樁，上拔荷載峰值達(dá)到4 871 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=6.08 m，占總樁長(zhǎng)的24.5%；樁長(zhǎng)=35 m的樁，上拔荷載峰值達(dá)到6 573 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=8.78 m，占總樁長(zhǎng)的25.1%；樁長(zhǎng)=45 m的樁，上拔荷載峰值達(dá)到8 316 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=10.9 m，占總樁長(zhǎng)的24.2%。對(duì)比4組相同盤(pán)數(shù)、不同長(zhǎng)度的支盤(pán)樁，其上拔荷載峰值對(duì)應(yīng)的首盤(pán)深度占樁長(zhǎng)的比例，分布范圍大致在24%~30%之間，對(duì)于樁長(zhǎng)45 m的支盤(pán)樁，首盤(pán)深度對(duì)其上拔荷載峰值影響不是太明顯，樁的支盤(pán)設(shè)計(jì)在一定程度上受樁長(zhǎng)的限制。

試驗(yàn)?zāi)M得出上拔極限荷載值隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律，如圖8所示，當(dāng)樁周土為黏土且處于飽和狀態(tài)時(shí)，直樁的極限抗拔承載力隨樁長(zhǎng)呈線性增加，樁長(zhǎng)每增加單位長(zhǎng)度，上拔極限荷載值約增加 160 kN。

圖7 雙盤(pán)樁的首盤(pán)深度?上拔荷載曲線

圖8 直樁樁長(zhǎng)?上拔極限荷載曲線

4.2 三盤(pán)樁的上拔荷載變化曲線

三盤(pán)樁支盤(pán)布置主要以最優(yōu)間距將底盤(pán)與次盤(pán)進(jìn)行固定，對(duì)樁長(zhǎng)20 m和25 m的支盤(pán)樁分別進(jìn)行不同首盤(pán)深度的抗拔承載力模擬，得出不同支盤(pán)深度對(duì)應(yīng)的上拔荷載?位移曲線，如圖9所示。對(duì)于樁長(zhǎng)為25 m的支盤(pán)樁，直樁在上拔荷載作用下，極限上拔荷載約為3 800 kN，樁底設(shè)置一個(gè)支盤(pán)時(shí)，極限上拔荷載約為4 460 kN，利用最優(yōu)盤(pán)距設(shè)置兩個(gè)盤(pán)時(shí)，極限上拔荷載約為4 900 kN，設(shè)置3個(gè)盤(pán)時(shí)，最大極限上拔荷載約為5 225 kN。支盤(pán)樁承載力相比直樁有所提高，隨著盤(pán)數(shù)的增加，樁基承載力也隨之增加，但增加幅度逐漸較小，故而支盤(pán)樁盤(pán)數(shù)存在一個(gè)合理值[3]。與雙盤(pán)樁類似，樁長(zhǎng)對(duì)首盤(pán)深度的選擇有一定的影響，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)45 m，抗拔承載力隨首盤(pán)深度的影響變化幅度不大，故而樁的支盤(pán)設(shè)計(jì)在一定程度上受樁長(zhǎng)的限制。

(a) L=15 m；(b) L=25 m；(c) L=35 m；(d) L=45 m

與雙盤(pán)樁類似，繪制三盤(pán)樁的首盤(pán)深度?上拔荷載曲線，如圖10所示。

根據(jù)三盤(pán)樁首盤(pán)深度?上拔荷載曲線中的峰值坐標(biāo)，得出上拔荷載峰值對(duì)應(yīng)的首盤(pán)深度，即使得支盤(pán)樁抗拔承載最大所對(duì)應(yīng)的首盤(pán)深度。對(duì)于樁長(zhǎng)=15 m的樁，次盤(pán)深度為10 m，上拔荷載峰值達(dá)到3 597 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=3.0 m，占總樁長(zhǎng)的20.0%，占次盤(pán)深度的30.0%；樁長(zhǎng)=25 m的樁，次盤(pán)深度為20 m，上拔荷載峰值達(dá)到5 220 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=5.81 m，占總樁長(zhǎng)的23.2%，占次盤(pán)深度的29%；樁長(zhǎng)=35 m的樁，次盤(pán)深度為30 m，上拔荷載峰值達(dá)到7 047 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=8.425 m，占總樁長(zhǎng)的24.1%，占次盤(pán)深度的28.1%；樁長(zhǎng)=45 m的樁，次盤(pán)深度為40 m，上拔荷載峰值達(dá)到8 736 kN，對(duì)應(yīng)首盤(pán)深度=11.438 m，占總樁長(zhǎng)的25.4%，占次盤(pán)深度的28.6%。與雙盤(pán)樁類似，對(duì)比4組相同盤(pán)數(shù)、不同長(zhǎng)度的三盤(pán)樁，其上拔荷載峰值對(duì)應(yīng)的首盤(pán)深度占次盤(pán)深度的比例，分布范圍大致在28%~30%之間。根據(jù)支盤(pán)樁的抗拔破壞形式，破壞過(guò)程中將底盤(pán)與次盤(pán)視為整體，則相對(duì)與首盤(pán)位置而言，等效樁長(zhǎng)便是次盤(pán)深度。

圖10 三盤(pán)樁的首盤(pán)深度?上拔荷載曲線

4.3 對(duì)比分析

通過(guò)研究雙盤(pán)樁與三盤(pán)樁的抗拔承載力變化規(guī)律，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相比直樁，單盤(pán)樁抗拔承載力提高了10%，雙盤(pán)樁抗拔承載力提高了15%，三盤(pán)樁抗拔承載力提高值達(dá)到20%以上。主要是支盤(pán)的端承作用能有效改善支盤(pán)樁的承載性能，充分發(fā)揮地基土的承載力，在一定支盤(pán)數(shù)量下，以及合理的盤(pán)距與首盤(pán)位置，使得支盤(pán)樁相比直樁，抗拔承載力提高將近30%。對(duì)于長(zhǎng)度不同的支盤(pán)樁，首盤(pán)深度值為樁長(zhǎng)(雙盤(pán)樁為總樁長(zhǎng)、三盤(pán)樁為次盤(pán)深度)的24%~30%時(shí)，對(duì)于雙盤(pán)樁與三盤(pán)樁，其抗拔承載力達(dá)到最大不同首盤(pán)深度條件下，隨著樁頂位移的逐步增加，在未達(dá)到極限上拔荷載值之前，支盤(pán)樁抗拔承載力隨著首盤(pán)深度的增大而減小，在超過(guò)極限上拔荷載之后，其抗拔承載力隨著首盤(pán)深度增加而增大。

對(duì)比雙盤(pán)樁和三盤(pán)樁極限上拔荷載隨樁長(zhǎng)的變化曲線，如圖11所示，在最優(yōu)首盤(pán)深度的條件下，其曲線呈線性變化，且雙盤(pán)樁與三盤(pán)樁對(duì)應(yīng)的曲線近乎平行，雙盤(pán)樁與三盤(pán)樁上拔極限承載力均隨著樁長(zhǎng)的增加呈線性增長(zhǎng)，每單位樁長(zhǎng)提供最大抗拔承載力均為172 kN左右。圖8與圖11對(duì)比得出，無(wú)論支盤(pán)數(shù)目多少，當(dāng)樁周土為黏土且處于飽和狀態(tài)，支盤(pán)樁的單位樁長(zhǎng)所提供的抗拔承載力，相比于直樁提高了7.5%。

圖11 支盤(pán)樁樁長(zhǎng)?上拔極限荷載曲線

5 結(jié)論

1) 相比直樁，單盤(pán)樁抗拔承載力提高了10%，雙盤(pán)樁抗拔承載力提高了15%，三盤(pán)樁抗拔承載力提高值達(dá)到20%以上。支盤(pán)的端承作用能有效改善支盤(pán)樁的承載性能，充分發(fā)揮地基土的承載力，在一定支盤(pán)數(shù)量下，以及合理的盤(pán)距與首盤(pán)深度，使得支盤(pán)樁相比直樁，抗拔承載力提高將近30%。

2) 樁長(zhǎng)超過(guò)45 m時(shí)，抗拔承載力隨首盤(pán)深度的影響變化幅度不大，故而樁的支盤(pán)設(shè)計(jì)在一定程度上受樁長(zhǎng)的限制。

3) 對(duì)于雙盤(pán)樁，最優(yōu)首盤(pán)深度占總樁長(zhǎng)的比例范圍大致分布在24%~30%之間。對(duì)于三盤(pán)樁，最優(yōu)首盤(pán)深度占“等效樁長(zhǎng)”(次盤(pán)深度)的比例范圍大致也在24%~30%之間。

4) 不同首盤(pán)深度條件下，隨著樁頂位移的逐步增加，在未達(dá)到極限上拔荷載值之前，支盤(pán)樁抗拔承載力隨著首盤(pán)深度的增大而減小，在超過(guò)極限上拔荷載之后，其抗拔承載力隨著首盤(pán)深度增加而 增大。

5)在最優(yōu)首盤(pán)深度的條件下，無(wú)論支盤(pán)數(shù)目多少，當(dāng)樁周土為黏土且處于飽和狀態(tài)，支盤(pán)樁的單位樁長(zhǎng)所提供的抗拔承載力，相比于直樁提高了7.5%，為實(shí)際工程中支盤(pán)樁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)提供理論支撐。

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A study on the relationship between first disk depth and pullout resistance of uplift branch pile

YANG Zhijun, XIE Yongli, FAN Xiang, LU Yixin

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

The determination of the first plate depth has great practical significance in the actual engineering, with the extensive application of the anti-drawing branch pile in the engineering field. Based on the numerical calculation theories of elastoplastic constitutive relation of rock and soil, ABAQUS finite element software was used to establish the model of pile and soil axis symmetry. Considering the initial stress field, the model of pile-soil interface bonding was defined. Under the condition of specified displacement of pile top, the variation of uplift bearing capacity of the pile support pile was analyzed, and the influence of the first plate depth on the uplift capacity of the pile support pile was obtained. The comparative analysis of the up-and-down load-displacement curves of different pile lengths shows that: With the increase of displacement which occur on pile top for the branched piles with different depths of first plate, the uplift bearing capacity decreases with the increase of the first plate depth before the ultimate uplift load is reached, and when the ultimate uplift load is reached, the uplift bearing capacity increases with the increase of the first plate depth; For the branch piles with different lengths, the first plate depth value is 24%~30% of the pile length (the double plates pile is the total pile length and the three plates pile is the secondary depth), and the uplift bearing capacity reaches the maximum; Under the optimal first plate depth, regardless of the number of branch plates, when the soil around the pile is clay and saturated, the uplift bearing capacity provided by the unit pile length of the branch-plate pile is 7.5% higher than that of the straight pile. It provides theoretical support for the length design of branch-plate pile in practical engineering.

finite element analysis; branch pile; uplift bearing capacity; depth of first plate; uplift load- displacement curve

TU473

A

1672 ? 7029(2019)10? 2442 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.009

2018?11?25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41807241)；浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2019043)

謝永利(1961?)，男，山西芮城人，教授，博士，從事公路巖土與隧道工程研究；E?mail：xieyl@263.net

(編輯 涂鵬)