豎向荷載作用下擠擴支盤樁承載性能分析

宋大明，劉飛，尚俊良，張金萌

(1.中鐵六局集團 石家莊鐵路建設(shè)有限公司，河北 石家莊 050010；2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計院 瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司，河北 石家莊 050090)

擠擴支盤樁是一種能同時體現(xiàn)摩擦樁和端承樁優(yōu)良性能的樁體，由圓柱樁身及擠擴承力盤組成。通過擠擴承力盤的設(shè)置，樁體在和土體接觸時產(chǎn)生一定擠壓作用，在發(fā)揮摩阻性能的同時提高端承作用。目前通過室內(nèi)模型試驗、軟件模擬等手段對擠擴支盤樁進行了研究，如盧成原等通過對不同工程背景下普通樁及擠擴支盤樁抗拔及抗壓承載力對比試驗，證明了擠擴支盤樁優(yōu)越的承載性能；王伊麗等采用ABAQUS有限元軟件對擠擴支盤樁進行豎向荷載下各復(fù)雜工況模擬，分析了不同因素對其承載力的影響。工程應(yīng)用上大多根據(jù)經(jīng)驗公式通過模型試驗或數(shù)值模擬對數(shù)據(jù)進行處理得出修正系數(shù)，并不適用于所有工程項目。本文以榮烏(榮成—烏海)高速公路新線樁基工程為背景，利用ABAQUS軟件建立普通圓形灌注樁和擠擴支盤樁三維樁-土模型，分析普通灌注樁與擠擴支盤樁在豎向荷載作用下的承載性能，為擠擴支盤樁的工程應(yīng)用及優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

榮烏高速公路新線京臺(北京—臺北)高速公路至京港澳(北京—香港—澳門)高速公路段上跨京九(北京—九龍)鐵路立交橋，主橋基礎(chǔ)采用直徑150 cm旋挖擠擴支盤樁，樁長60 m。每根樁豎向設(shè)置2個承力盤，分別位于37 m和47 m處，承力盤直徑2.5 m。該橋地基各土層及樁體參數(shù)見表1。

表1 地基各土層及樁體參數(shù)

2 有限元模型

分別建立土體、樁身、承力盤3個部件，再將其裝配成一個整體。由于荷載距樁身越遠影響越小，可忽略不計，土體區(qū)域徑向取20倍樁長、豎向取2倍樁長，尺寸為X×Y×Z=30 m×30 m×120 m。假定各土層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的理想彈塑性體材料，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型；普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁均為連續(xù)、均質(zhì)的彈性體，不考慮其非線性性質(zhì)，僅設(shè)置彈性參數(shù)。土體及樁身均采用C3D8R單元類型，對樁體及樁-土接觸部分進行細部劃分。樁-土間接觸分析采用有限滑動方法，接觸屬性選擇罰函數(shù)算法，法向接觸選擇硬接觸。土體四周設(shè)置X、Y方向約束，即U1=U2=0；土體底部為X、Y、Z方向完全限制，即U1=U2=U3=0?？紤]到荷載和結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/4模型。裝配后模型見圖1～3。

圖1 普通圓形灌注樁模型

圖2 擠擴支盤樁模型

圖3 土體有限元模型

對樁-土模型施加荷載前，考慮實際工況下土體受到自重應(yīng)力而產(chǎn)生自重沉降，先使樁-土模型達到地應(yīng)力平衡。模擬過程中不考慮樁體對各土層分布的作用及施工因素對樁周土體的影響。分析步驟為樁澆筑前土體地應(yīng)力平衡→樁澆筑完成后樁-土平衡→豎向荷載施加。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 沉降

分別在普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁樁頂施加豎向荷載，每級荷載為2 000 kN，提取各級荷載作用下樁頂中心節(jié)點的沉降。不同豎向載荷作用下普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁樁頂沉降分別見表2、表3。隨著荷載的增加，分級沉降值與累計沉降值均增大。

表2 普通圓形灌注樁的荷載-沉降值

表3 擠擴支盤樁的荷載-沉降值

圖4為普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁樁頂荷載-沉降關(guān)系曲線。由圖4可知：隨著荷載的施加，普通圓形灌注樁樁頂沉降變化較均勻，沉降曲線較平緩，其承載力應(yīng)按沉降量控制。荷載達到16 000 kN時，普通圓形灌注樁的累計沉降達到40.574 mm，超過40 mm，普通圓形灌注樁的極限承載力為16 000 kN。擠擴支盤樁的極限承載力為22 000 kN，比普通圓形灌注樁提高37.5%，擠擴支盤樁的單樁承載力優(yōu)于普通圓形灌注樁。

圖4 普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁的荷載-沉降曲線

3.2 樁身軸力

不同豎向載荷作用下普通圓形灌注樁及擠擴支盤樁樁身軸力分別見圖5、圖6。由圖5、圖6可知：1)隨著荷載的增加，普通圓形灌注樁樁身軸力增大。各分級荷載下，普通圓形灌注樁樁身軸力變化規(guī)律基本相同，隨著深度的增加軸力減小。2)樁頂荷載從4 000 kN增加到28 000 kN時，擠擴支盤柱樁身軸力變化與普通圓形灌注樁基本相同，在支盤處表現(xiàn)出端承樁的性質(zhì)，兩支盤分擔(dān)部分荷載，支盤位置(深度40 m和50 m附近)軸力明顯減小。由于支盤的承載作用，50 m以下樁體的承載能力有所增加，但數(shù)值很小，可忽略。

圖5 普通圓形灌注樁的樁身軸力

圖6 擠擴支盤樁的樁身軸力

支盤的設(shè)置將擠擴支盤樁分為4個部分，各部分承擔(dān)的荷載比例不同：1)上支盤以上部分。該部分的性質(zhì)與普通圓柱樁相同，通過樁側(cè)摩阻力承擔(dān)樁頂施加的豎向荷載。2)上支盤。擠擴支盤樁支盤位置的軸力明顯減小，原因是支盤的端承性質(zhì)承擔(dān)了一部分軸力，并向下傳遞，支盤部位深度處的軸力產(chǎn)生較大變化。3)兩支盤之間部分。與上支盤以上部分基本相同，不同的是該部分位于土層較深的位置，土體性質(zhì)相較于上面更穩(wěn)定，樁身的側(cè)摩阻力性能較好。4)下支盤。支盤性質(zhì)與上支盤基本無異。在非支盤部位，擠擴支盤樁樁身通過樁側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載，隨著深度的增加軸力降低，變化基本為線性關(guān)系；在上、下兩支盤處，支盤與端承樁分擔(dān)荷載的表現(xiàn)相同，通過支盤的盤底分擔(dān)荷載，因而兩個支盤深度處的樁身軸力明顯下降。

3.3 荷載承擔(dān)狀況

擠擴支盤樁樁頂施加的荷載分別由樁側(cè)、上支盤、下支盤、樁端四部位承擔(dān)，各部位承擔(dān)的荷載分布及占比分別見圖7、圖8。

圖7 擠擴支盤樁各部位承擔(dān)的荷載分布

圖8 擠擴支盤樁各部位荷載承擔(dān)比例

從圖7、圖8可看出：1)在樁頂荷載作用下，擠擴支盤樁的主要承載部位與普通圓形灌注樁相同，仍然是樁側(cè)摩阻力。但隨著荷載的增加，支盤承擔(dān)的荷載增大，下支盤承擔(dān)的荷載大于上支盤。2)樁頂荷載小于18 000 kN時，樁側(cè)摩阻力承擔(dān)大部分荷載，樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加顯著增大。樁端及上支盤承擔(dān)的荷載不足10%，未體現(xiàn)其承力性能。樁頂荷載大于18 000 kN時，樁側(cè)摩阻力的承載力有限，無法提供足夠的承載力，支盤的作用增大，承擔(dān)的荷載比例顯著增大，上、下支盤共同發(fā)揮端承作用，承擔(dān)了部分荷載。樁端承擔(dān)荷載的作用不明顯。荷載達到28 000 kN時，支盤承擔(dān)的荷載達到38.7%，體現(xiàn)出擠擴支盤樁承力盤的端承性質(zhì)，承擔(dān)荷載的性能明顯優(yōu)于普通圓形灌注樁。

樁頂荷載小于18 000 kN時，樁側(cè)摩阻力承擔(dān)的荷載占比為80%～90%，承載力遠遠大于其他三部分；隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力荷載分擔(dān)比例有所下降，部分荷載由兩支盤承擔(dān)。兩支盤承擔(dān)荷載的變化趨勢相同，均隨著荷載的增加，荷載分擔(dān)比例增大。

荷載較小時，上支盤幾乎沒有發(fā)揮作用；隨著荷載的增加，兩支盤承擔(dān)了部分荷載，其中下支盤的荷載分擔(dān)比例大于上支盤，承載性能好于上支盤。

樁端承擔(dān)的荷載比例較小，荷載小于12 000 kN時，其分擔(dān)比例小于1%，可忽略不計；隨著荷載的增加，樁端承擔(dān)了4%～6%的荷載，對整個樁體來說作用較小。

4 結(jié)論

(1)同等條件下，普通圓形灌注樁與擠擴支盤樁單樁的沉降曲線均為漸變曲線，隨著荷載的增加沉降增大，擠擴支盤樁的極限承載力比普通圓形灌注樁提高37.5%，單樁承載能力優(yōu)于普通圓形灌注樁。

(2)與普通圓形灌注樁相比，擠擴支盤樁由于支盤的設(shè)置，荷載作用下樁身軸力在支盤附近急劇減小，樁頂沉降大幅度降低。除擠擴支盤樁支盤位置的軸力急劇減小外，其他部位與普通圓形灌注樁基本相同，均由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)傳遞下來的荷載。

(3)上下支盤在荷載較小時未發(fā)揮作用，大部分荷載由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)。隨著荷載的增加，支盤作用逐漸體現(xiàn)并承擔(dān)部分荷載，荷載分擔(dān)比例為38.7%，承力效果明顯。樁端的承力效果較小，占總荷載的4%～6%。

(4)支盤的存在將擠擴支盤樁分為4個部分，不同部位分擔(dān)的荷載比例不同，下支盤承擔(dān)的荷載大于上支盤承擔(dān)的荷載。工程應(yīng)用時，下支盤部位的土層位置選擇非常重要，可結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進行比較及優(yōu)化。