DX旋挖挤扩灌注桩不同承力盘数性能对比研究

2012-06-07张德华齐万鹏贺德新

中国工程科学 2012年1期

张德华，齐万鹏，贺德新

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2.北京中阔地基基础技术有限公司，北京 100097)

1 前言

DX桩是从普通混凝土灌注桩演变而来的一种新型变截面桩，成桩时在普通直孔桩的基础上通过液压旋挖挤扩装置在桩身不同部位设置承力盘而成。通过将承力盘布置在地基土体的坚硬土层上，使得桩身承担的荷载扩散到了周边土体，改善了周边土体的应力状况。相比于普通直孔桩，较为有效地提高了桩体的承载力，较大幅度地减小了沉降量，进而使得DX桩具备了良好技术经济效果的特征。DX桩可作为高层建筑、桥梁、一般工业与民用建筑及高耸构筑物的桩基;可在粘性土、粉土、砂土层、强风化岩、残积土、卵砾石层的上层面挤扩成盘，更适宜在粘性土、粉土或砂土交互分层的地基中使用。DX桩的桩身直径通常为800～1 500 mm，相对应的承力盘直径为1 400～2 500 mm。

目前已经有不少专家学者对DX桩进行了研究。赵明华，李微哲，单远铭等人[1]进行了DX桩抗拔承载机理及设计计算方法研究，对DX桩与普通桩的抗拔承载特性进行了对比分析，探讨了DX桩的抗拔破坏模式;陈轮、常冬冬、李广信等[2]人用有限元法对竖向桩顶荷载作用下DX桩桩周土的应力变形及桩身荷载传递特点进行了数值分析研究，给出了桩周土体的应力位移等值线，分析了扩径体数量、间距及形状对DX桩承载性能的影响;万飞[3]做了DX桩在高速公路桥梁中应用的承载机理研究，分析了不同桩间距DX群桩的承载力和沉降控制能力;张清林[4]对DX群桩的承载性能进行了模型试验和有限元数值模拟研究。这些研究都得出了很多有益的结论，但并未对具有不同承力盘数的DX桩承载力等方面进行定量深入的研究。

该研究通过数值模拟计算，考虑不同桩径和盘径以及不同承力盘数的DX桩，对其桩周土的受力状况进行分析，讨论不同盘数对DX桩承载力的影响。

2 模型建立

文章所用的数值模拟是基于有限差分软件FLAC3D上的，它能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。本次数值计算中采用的桩为实体桩，桩体和地基土为空间轴对称，桩与桩周土之间设置无厚度的Goodman接触面以模拟桩土之间的接触。

在DX单桩数值计算中，对桩身混凝土、桩周土体、桩土接触面所采用的模型及参数如表1～表4所示。图1为数值计算中4个单桩的尺寸图。

表1 桩周土体摩尔－库仑模型计算参数Table 1 Calculation parameters of soil surrounding pile for Mohr-Coulomb model

表2 桩土接触面库仑剪切模型计算参数Table 2 Calculation parameters of interface between pile and soil for Coulomb shear model

表3 桩身混凝土弹性模型计算参数Table 3 Calculation parameters of pile concrete for elastic model

表4 试桩尺寸参数表Table 4 Parameters of test piles

在DX单桩模型中，由于桩为轴对称形状，且桩顶荷载也是对称于桩轴，其地基土的应力和位移均对称于桩轴，属于空间轴对称问题，故在建立模型时将模型作简化处理，建立四分之一桩土模型如图2所示。

2.1 模型的初始平衡

模型在加载之前进行两次初始平衡计算，第一次初平衡将桩单元和土体均设置为土体的性质，在自重下进行平衡，以使土体中各点的应力状态模拟天然状态下的应力状态。第二次初平衡模拟的是成桩以后未加载时土体和桩单元的应力状态，通过将桩单元的性质设置成表1中的弹性体模型及材料参数，并在桩周土处加接触单元，分别在桩侧土和桩端土加接触单元，以更好地模拟桩端土和桩周土在荷载作用下的分离。

图1 数值计算中4个单桩的尺寸图(单位:m)Fig.1 Parameters of 4 single piles in numerical simulation(unit:m)

图2 试桩2网格模型图Fig.2 Grid model of test pile 2

2.2 加载方式选择

采用应力控制进行加载，在桩顶施加向下的法向应力，初次加载 4 800 kN，此后每次加载2 400 kN，分12级加载，总荷载为31 200 kN。

2.3 对数值计算所取参数的验证

为验证数值模拟所采用的本构模型及所取参数的合理性和可靠性，在承载力和沉降方面，分别对试桩1和试桩2进行实测试验结果与数值计算结果对比分析验证(见表5)，对比曲线图见图3。

表5 试桩1和试桩2承载力及沉降模拟与实测对比Table 5 Comparison of simulation and practice of test pile 1 and test pile 2 for bearing capacity and settlement

图3 试桩1和试桩2的荷载－沉降量(Q－s)曲线对比Fig.3 Comparison of Q －s curves of test piles between No.1 and No.2

从表5不难得出如下结论:承载力方面，数值模拟结果与实测试验结果一致;沉降方面，试桩1的模拟值比实测值大2.63 mm;试桩2的模拟值比实测值大3.83 mm。模拟值始终比试验值略大点，但基本的趋势走向一致，故完全可以认为数值计算所取的参数是合理的、可靠的。

3 数值模拟结果分析

3.1 Q －s曲线分析

试桩3(两个承力盘DX桩)和试桩4(三个承力盘DX桩)数值计算得到桩顶在各级荷载下的沉降量，由此作出相应的承载力与沉降的Q-s曲线(如图4所示)。

从结果可以看出，两根两个承力盘DX桩(即试桩3)在加载后期沉降逐渐加大，在图4中表现为Q-s曲线斜率相对增大;而两根三个承力盘DX桩(即试桩4)在加载后期仍能保持良好的、较小的沉降，Q-s曲线相对平缓。说明由于承力盘数的增加，承载力提供也在随之增加。

当两根试桩加载到21 600 kN时，两个承力盘DX桩的沉降达到了21.89 mm，而三个承力盘DX桩此时的沉降为15.56 mm，仅是两个承力盘DX桩沉降的71.1%。承载力方面，在相同直径下试桩3为21 600 kN，试桩4为26 400 kN，三个承力盘DX桩的承载力大约是两个承力盘DX桩的1.2倍。

由此可以看出，三个承力盘DX桩在沉降及承载力方面的优势比两个承力盘DX桩明显。

图4 试桩3和试桩4的Q－s曲线对比Fig.4 Comparison of Q －s curves of test piles between No.3 and No.4

3.2 桩周土塑性区的发展分析

1)试桩3。第四级荷载(12 000 kN)时，下盘及桩底塑性区发展，逐渐贯通起来呈现破坏趋势(见图5)。第八级荷载(21 600 kN)时，下盘及桩底塑性区继续发展，逐渐贯通起来呈现破坏趋势，而桩端部分产生塑性变形土体以撤出塑性变形。上盘小部分土体同时出现了抗拉破坏，说明上盘上部土体脱离桩。桩端塑性区并未贯通，桩体仍具有承载能力，该阶段为试桩3的极限承载力阶段(见图6)。第九级荷载(24 000 kN)时，下盘也出现了抗拉破坏，塑性区已与桩底塑性区连通，产生整体破坏，桩已失去承载能力，桩顶沉降猛然增大(见图7)。

图5 第四级荷载下桩周土塑性区Fig.5 Plastic zone of soil surrounding pile under the 4th level load

2)试桩4。第四级荷载(12 000 kN)时，上盘首先出现塑性区，开始出现塑性流动，周围土体整体破坏。承力盘及桩底处有小部分土体产生塑性变形，尚未产生破坏。桩端未见塑性区。说明上盘位先出现破坏，发生塑性流动，盘位承载力不再增加，下盘位承载力开始发挥(见图 8)。第十级荷载(26 400 kN)时，中盘塑性区已贯通，下盘塑性区逐渐贯通起来呈现破坏趋势，而桩端并未出现塑性变形。但桩顶沉降发展较快，桩体仍具有承载能力，该阶段为试桩4的极限承载力阶段(见图9)。第十一级荷载时，下盘及桩底塑性区均已贯通，出现了抗拉破坏，桩完全失去承载能力，桩顶沉降陡然增加(见图10)。

图6 第八级荷载下桩周土塑性区Fig.6 Plastic zone of soil surrounding pile under the 8th level load

图7 第九级荷载下桩周土塑性区Fig.7 Plastic zone of soil surrounding pile under the 9th level load

3.3 桩身轴力与扩盘阻力的发挥分析

图11和图12分别是各级荷载下模拟试桩3和试桩4的桩身轴力图。由图11和图12可以看出，在桩顶荷载下，DX桩承力岔的端阻力明显属于按顺序发挥。在加载初期，承力盘都较早承力。但自上而下，第一个承力盘先承力而其下部的承力盘要滞后些承力，待上部承力盘接近于或达到极限承载力时，桩身轴力接力一样逐渐向下部传递，使下部承力盘的承力作用逐步得到发挥。DX桩身轴力沿深度是逐渐减小的，这和模型试验得出的结论是一样的。因为桩在向地基土体中传递应力的过程中，沿深度方向上将部分轴力转化为桩侧摩阻力，使得桩身轴力沿深度方向上不断减小。

桩身承力盘处毫无疑问是桩侧摩阻力增加最多的部位，对比各级荷载下模拟试桩3和试桩4的桩身轴力图(见图11和图12)可以看出，承力盘数的增加无疑增加了桩身侧摩阻力沿深度方向减小的次数和幅度。