相邻下层土厚度对混凝土扩盘桩破坏状态分析★

钱永梅 王绍宇 王若竹

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118； 2.吉林省结构与抗震科技创新中心，吉林 长春 130118)



·岩土工程·地基基础·

相邻下层土厚度对混凝土扩盘桩破坏状态分析★

钱永梅1,2王绍宇1王若竹1

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118； 2.吉林省结构与抗震科技创新中心，吉林 长春 130118)

运用ANSYS软件建立有限元分析模型,将混凝土扩盘桩设置于不同性状土层中，在竖向压力作用下，通过改变承力盘盘下相邻粘土层的厚度，分析桩周土的破坏状态及混凝土扩盘桩抗压受力性能变化规律，确定承力盘盘下相邻粘土层的厚度对混凝土扩盘桩的影响，以进一步完善混凝土扩盘桩受压承载力计算模式，为该型桩设计提供可靠的理论依据。

混凝土扩盘桩，竖向压力，土层厚度，破坏状态，承载力

0 引言

目前进行的混凝土扩盘桩的理论研究中，多数分析模型考虑在单一土层中建立[1]。但在实际工程中，由于地质条件复杂，混凝土扩盘桩全桩经常处于不同性状土层中，在竖向压力作用下，当承力盘所在土层厚度一定的情况下，其下相邻土层厚度的变化势必会影响承力盘所在土层的破坏状态及桩盘受力性能。本文主要通过研究不同性状土层中混凝土扩盘桩盘下相邻土层为粘土时，其厚度变化对混凝土扩盘桩抗压受力性能及桩周土破坏状态的影响，以便进一步完善混凝土扩盘桩抗压承载力计算理论，并为实际工程中混凝土扩盘桩的设计提供较好的理论基础。

1 分析模型的建立

本文通过ANSYS软件进行有限元分析。为了使分析模型更加符合实际情况，保证分析结论的可靠性，对分析模型的材料属性及模型尺寸进行了合理的选取[2]。

1.1 材料属性的确定

实际工程中桩身从桩顶到桩端位于不同性状土层的组合土层中，本论文模型建立时为了符合实际情况，设置了粉土、粉质粘土、粘土等几个土层，由于主要研究盘下相邻土层粘土厚度不同时的情况，因此承力盘所在土层及上层土层基本保持固定。根据实际工程的勘测报告和文献资料给出的不同性状土层的物理力学性能指标，ANSYS建模中运用的各土层和桩身混凝土的物理力学性能指标如表1所示。

表1 不同土层及桩身混凝土的物理力学性能指标

1.2 模型尺寸规格

桩是中心对称结构，为了更直观地观察半桩面内侧桩土位移云图、应力云图等图像，该研究的模型采用了半桩模型。为了满足桩周土体的条件，根据实际工程桩的常用参数，以及课题组之前研究的成果，本文建立的抗压桩模型尺寸选取为：混凝土桩身长6 000 m，桩直径500 mm，承力盘直径1 200 mm，承力盘盘高500 mm，盘坡角为36°。周围土体模型采用多层图，同一模型土层包含粉土、粉质粘土、粘土。承力盘置于粉质粘土中，粉质粘土厚度一定，为2 500 mm；承力盘盘上相邻土层粉土厚度一定，为2 000 mm；承力盘盘下相邻土层粘土厚度分别为1 500 mm加1倍盘高(500 mm)、2倍盘高(1 000 mm)、3倍盘高(1 500 mm)、4倍盘高(2 000 mm)，即桩端以上1 500 mm桩身完全埋置在粘土中，桩段以下预留粘土土层厚度分别为1倍盘高、2倍盘高、3倍盘高、4倍盘高，桩周围土体范围要满足桩及承力盘受力时的土体的影响范围，取3 000 mm，满足要求。承力盘盘下相邻土体厚度不同时建立的模型尺寸简图如图1所示。

1.3 抗压时土层厚度不同的模型

根据前面的规定条件，建立4个不同的分析模型，并进行模型的单元格划分，由于模型较大，为了计算方便，故在承力盘所在范围单元格划分比较小，其他范围单元格划分稍微大一些，由于是抗压受力分析，为了保证和实际情况相符，承力盘上表面，桩土结合处，设置1 mm缝，保证受力后承力盘上表面与土体分离[3]。

具体单元划分如图2所示。

2 模拟计算结果分析

2.1 位移结果分析

通过ANSYS模型计算时，对土层厚度不同的模型进行加载分析，采用面荷载加载，将面荷载均匀加在半截面桩桩顶半圆面上。荷载200 kN开始加载(换算成面荷载1 000 kN/m2)，按200 kN(面荷载1 000 kN/m2)逐级递增加载。本文选取ANSYS分析结果时，分别取各模型第7步(加载到1 400 kN)时的位移云图进行分析，如图3所示。

从ANSYS模型分析结果中分析桩上某一固定点在不同荷载作用下，桩竖向位移随着荷载的递增而变化的规律。提取的桩上某一点在不同荷载作用下的竖向位移数据绘制的位移—荷载变化的曲线如图4所示。

从图4曲线中可以看出，在竖向压力作用下，模型中桩的位移都随着荷载的递增逐渐增大；在同一荷载作用下随着盘下相邻土体厚度的增加，从NT1到NT4的位移逐渐减小，NT3与NT4相同荷载作用下位移相差不大，且位移变化速率在不同荷载作用下基本相同，而NT2，NT3之间，NT1，NT2之间的变化逐渐变大，即位移变化速率逐渐增大，说明在盘下相邻土层厚度为3倍～4倍盘高时，单桩承载力较高且相差不大，因此可以得出盘下相邻土层厚度超过2倍盘高时，对承载力影响较小，较为合理。

2.2 应力应变结果分析

从ANSYS模拟结果中得出的在相同荷载作用下各种模型桩桩身及桩周土的剪切应力的变化如图5，图6所示。

从图5中可以看出，在竖向压力作用下，不同模型桩身的剪切应力都在承力盘处最大，且从NT1到NT4，承力盘处的剪切应力几乎不随着盘下土体厚度的增加而变化，只有NT1在承力盘端处的承载力略大，NT2～NT4无明显区别，说明盘下相邻土层厚度变化对桩身剪切应力的影响不大。

从图6可知，在竖向压力作用下，随盘下相邻土层厚度的增加桩周土的剪切应力变化不大(除盘上相邻土层有逐渐减小趋势)，桩端即盘下相邻土层与盘所在土层的两种土层交接处剪切应力发生突变。说明盘下相邻土层厚度变化对桩周土体剪切应力的影响不大，仅对桩端以下土体产生影响，主要因为土体总厚度不同。

另外，从模型计算结果形成的其他应力应变云图分析中可以得出[4]：模型中随着盘下相邻土体厚度的增加，从NT1到NT2Z向应力增加，从NT2到NT4Z向应力逐渐减小，说明相邻土层厚度小于2倍盘高时对桩承载力影响较大，超过3倍盘高时对桩承载力影响越来越小。模型中Z方向总应变，在桩端最大，且随着盘下相邻土体厚度的增加，从NT1到NT2Z向总应变增加，从NT2到NT4Z方向总应变最大值逐渐减小[2，4]，说明相同荷载作用下，相邻土层厚度小于2倍盘高时对桩周土体的破坏状态影响较大；盘下土体的Z方向总应变比盘上明显。模型中Z方向弹性

应变，在承力盘以下土体比盘上土体的弹性应变小；随着盘下相邻土体厚度的增加，从NT1到NT2 弹性应变增加，从NT2到NT4弹性应变逐渐减小，两种土层交接处弹性应变发生突变，NT3～NT4时盘下弹性应变云图发展完全，NT1～NT2时发展不完全。

3 结语

通过本文的研究得出，在竖向压力作用下，当盘下土层为粘土时，随着盘下土体厚度的增加，桩身及桩周土体的剪切应力几乎不受盘下相邻土层厚度影响；根据桩周土的位移、Z向应力、总应变、弹性应变等参数的变化结果可以得出：盘下相邻土体厚度小于2倍盘高时，滑移破坏线在两种土层交接处发生改变；相邻土层厚度超过2倍盘高时，能满足基本承载力要求；盘下相邻土体厚度为2倍～3倍盘高时，滑移破坏曲线比较完整，因此，设计中应尽量保证盘下相邻土层具有一定的厚度，以保证破坏状态比较稳定。

[1] 钱永梅，尹新生，钟春玲，等.挤扩多盘桩的土体极限承载力研究[J].哈尔滨工业大学学报，2005(4):568-570.

[2] 陈 轮，常冬冬，李广信.DX桩单桩承载力的有限元分析[J].工程力学,2002，19(6):67-70.

[3] 钱永梅，尹新生，王若竹.挤扩多盘桩桩土效应的计算机模拟分析[J].岩土工程界,2009,12(9):67-70.

[4] 刘晓龙.挤扩多盘桩桩盘相邻土层对破坏状态及承载力影响的研究[D].长春：吉林建筑大学，2015:6.

Analysis on thickness of adjacent soil layer for the failure behavior of concrete plates-expanded pile★

Qian Yongmei1,2Wang Shaoyu1Wang Ruozhu1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China; 2.JilinInnovationCenterforStructureandScismicScienceandTechnology,Changchun130118,China)

In this paper, the concrete plates-expanded pile will be set in soil layer with the various performance in the finite element analysis model established by ANSYS software. Under the vertical compression, through changing the thickness of adjacent soil layer under bearing plate, it is analyzed that failure behavior of soil surrounding the pile and the stress variety under compression of the concrete plates-expanded pile, determine the thickness of adjacent soil layer under bearing plate affecting for the concrete plates-expanded pile. To further improve calculation model on compression bearing capacity of the concrete plates-expanded pile, and provide a reliable theoretical basis on design for this type of pile.

the concrete plates-expanded pile, vertical compression, thickness of soil layer, failure behavior, bearing capacity

1009-6825(2016)11-0049-03

2016-01-28

★：国家自然科学基金项目(项目编号：51278224)；吉林省教育厅“十三五”科研项目(吉教科合字[2016]第151号)

钱永梅(1970- )，女，教授； 王绍宇(1992- )，男，在读硕士； 王若竹(1971- )，男，教授

TU435

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