旋扩珠盘桩受力机理有限差分分析

郭红英

(河南城建学院 建筑工程管理系，河南 平顶山 467044)

随着岩土工程技术的不断发展，桩基技术日趋成熟。在市场经济体制下，建筑工程向着质量高、进度快、造价低等方面提出了更高的要求，桩基技术人员先后设计出结点桩、扩底桩、多级扩径桩等，以提高桩的承载力满足各种工程建设的需要。而旋扩珠盘桩是萧守让先生在多年桩基基础实践中总结发明的一种新型桩基形式。它的诞生给桩基工程带来了新的生命力，也为桩基技术的发展注入了新的活力［1-3］。

旋扩珠盘桩施工工艺和受力机理不同于原有的普通等截面灌注桩，而是介于摩擦桩和端承桩之间的变截面桩型。因为承力盘的存在提高了桩端阻力，从而使桩承载力大幅度增加。也使得单桩的受力机理和荷载传递变得复杂，同时也给实测工程数据带来了一定的难度，设计时对单桩承载力的估算，目前还需更进一步的分析确定，因此对旋扩珠盘桩的受力机理和荷载传递特性进行分析研究就显得尤为必要，并且具有十分积极的意义［4-10］。

本文以洛阳某工程为背景，采用有限差分方法，对旋扩珠盘桩的受力机理进行了力学分析，为该类桩型在更大范围内推广提供一定的理论依据。

1 桩的模型建立和基本假定

本次数值模拟计算采用了实测资料数据，桩长14 m，沿桩身共设置3个承力盘，盘径1.2 m，桩径0.4 m，尺寸见图1。桩体四周按10 m计算，桩端以下延伸16 m;模型的坐标轴原点位于桩顶，Z轴平行于轴线，方向向上。模型的顶部，z=0，是一个自由面;计算域为20 m×20 m×30 m，模型的竖向边界在两个水平方向设有约束，底边界在一个垂直方向和两个水平方向设有约束。桩和土之间用命令INTERFACE来定义接触面，接触面上允许滑动或者分离，按静载试验时用的荷载逐级加载，建立的数值分析模型见图2。

图1 桩的几何尺寸(单位:mm)

图2 桩体有限差分网格

在建模的过程中作了如下的基本假定:

1)单桩按空间轴对称问题进行分析，过桩轴线的一个垂直面是对称面;

2)桩体采用线弹性材料，土层为匀质体，土体为弹塑性材料，服从摩尔—库仑屈服准则;

3)整个数值模拟不考虑地下水影响。

土体参数及桩体参数见表1、表2。

表1 土体的模型参数

表2 桩的模型参数

2 模拟过程简述

整个过程是运用有限差分软件FLAC3D针对旋扩珠盘桩与土的相互作用进行的数值模拟。模型根据君临广场现场实际桩型进行设计，并建立有限差分FLAC3D模型，网格划分如图3所示。

图3 桩土有限差分网格

在桩设置之前，模型首先在重力作用下达到应力平衡状态。然后，模型在设置桩之后达到新的平衡状态，这是通过将桩所在位置处的土性质改变为混凝土的性质来模拟桩的设置。

3 结果分析

3.1 荷载—沉降分析

将试桩363#，476#的试验结果与数值模拟结果共同绘成Q—s曲线(图4)。由图4可看出，随着荷载的增加桩顶沉降也相应变大，在荷载＜1 750 kN前，桩顶沉降随荷载呈线性增加，表现在Q—s曲线上为一条以一定斜率增加的直线段。模拟桩的Q—s曲线与实测Q—s曲线两者在桩顶荷载2 500 kN之前基本重合，说明用有限差分软件Flac模拟旋扩珠盘桩是比较可靠的。

图4 Q—s曲线

因为旋扩珠盘桩的Q—s曲线为“渐进破坏”的缓变型，无明显拐点，此时桩的极限承载力主要由桩顶最大沉降量来控制，一般为40～60 mm。旋扩珠盘桩Q—s曲线没有明显的比例界限点也无明显的陡降段。这是因为桩侧摩阻力与各盘端承载力在桩的受荷过程中，按变形协调原理在变化中交替发挥作用，使各盘下被压密的持力层土体沉降变形减小。

3.2 位移场分析

图5、图6给出了桩顶荷载为2 500 kN时旋扩珠盘桩桩周土体和桩体位移图。

图5 桩周土体位移(单位:m)

图6 桩体位移(单位:m)

图5、图6显示桩周土体和桩体的竖向位移均是向下的。由图5可知，桩周土体竖向沉降是由桩周边向外逐渐减小，如桩周边竖向沉降为0.012 m，桩周较远处土体竖向沉降为0.004 m。在较远处随着土体深度的增加，竖向沉降减小。这和常规直桩土体沉降相似。

从图6可见，位移最大值出现在桩顶位置，沿桩身从上向下位移逐渐减小，桩顶 z=0处位移值为-11.55 mm，沿桩身向下 8 m处位移值为 -10.75 mm，桩端处为-11.05 mm。桩顶位移大于桩端位移表明桩体本身也产生了材料压缩。从各承力盘上的竖向位移看，第一盘即上盘位移最大，中盘次之，下盘最小。

桩基静载荷试验在2 500 kN竖向荷载下实测试桩363#，476#的最大沉降量分别为11.50 mm和11.07 mm，数值模拟桩最大沉降量为11.55 mm，可见旋扩珠盘桩的数值模拟结果与实测值较接近，能够较为真实地反映单桩在竖向荷载作用下位移场的分布规律 。

图7给出了旋扩珠盘桩中盘上下土体X方向的位移等值线图。由图7可见，在桩顶竖向荷载作用下，中间承力盘上下土体的X方向位移呈对称形状，盘上土体较盘下土体侧向位移小，X方向最大位移发生在盘端斜下方土体中，位移值为0.298 mm，可见位移值很小。由于承力盘上斜面的桩体竖向位移大于土体位移，致使桩土相互脱离，形成空隙。同时，斜面上脱开的土体起着拱的作用，从而导致土体产生横向位移。如果空隙过大，则承力盘斜上方土体就有塌落到空隙中的可能。图中显示未发生土体塌落现象。

图7 中盘X方向位移等值线

4 结论

数值模拟结果同试验结果相比有一点误差。这是由于数值模拟中采用了一些不完全符合实际情况的基本假设;数值模拟中划分单元较大，内密外疏。模拟结果同试验结果虽有些差值，但总体来说吻合较好，能真实地反映旋扩珠盘桩受力性能，以及不同荷载情况下桩体沉降和承力盘盘周土体的位移情况，是工程试桩静载荷试验的一个有益补充。数值分析结果表明，采用有限差分法来数值模拟桩土共同作用是切实可行的。

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