盘数量对水平力作用下扩盘桩破坏状态影响分析★

钱永梅 黄子轩 翟 莲

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130000； 2.吉林省结构抗震技术创新中心，吉林 长春 130118)



·岩土工程·地基基础·

盘数量对水平力作用下扩盘桩破坏状态影响分析★

钱永梅1，2黄子轩1翟 莲1

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130000； 2.吉林省结构抗震技术创新中心，吉林 长春 130118)

通过ANSYS软件，建立了计算模型，在与同桩长同直径的直孔桩对比的基础上，研究了混凝土扩盘桩在水平荷载作用下，承力盘数量对桩周土体破坏状态的影响，并确定了合理承力盘数量，为混凝土扩盘桩的设计及推广应用提供理论依据。

混凝土扩盘桩，承力盘，水平荷载，破坏状态

1 概述

土木工程中，桩基础可以用于承受压力、上拔力和水平力三种荷载形式。随着地下空间的开发和利用，港口工程、海洋工程等建设事业的发展，工程水深的增加，桩的水平荷载承载能力引起人们的重视，并已经成为重要的控制要素。从目前的研究成果来看，国内外对混凝土扩盘桩在竖向力状态下的承载力及土体破坏情况已经有了比较完善的理论和试验研究，但对水平荷载作用下混凝土扩盘桩的性能及桩周土体破坏状态的影响研究还处于初级阶段，试验研究资料较少，没有专门的计算该桩型水平承载力的方法，无法为该桩型的设计提供理论依据，在各种技术规范中少有体现，从而影响了其在工程中的应用。

混凝土扩盘桩在水平力作用下，承载力影响因素是多方面的。单纯从盘的角度来考虑，国内外的研究可知，承力盘对混凝土扩盘桩的承载能力有显著影响。如钱德玲等人对桩的承载机理，挤密效应、荷载传递性状以及孔隙水压的消散[1]等方面都进行了一定的研究。研究表明：大部分荷载都由承力扩大盘承担，超过了极限荷载的60%。钱永梅、王希慧在对竖向力的作用下混凝土扩盘桩的承载力的影响的研究中表明：盘数量越多，盘端阻力越大，单桩承载力越高，合理盘数为1～3[2]。其主要因素有:承力扩大盘的直径、坡角、位置、间距及数量等。本文通过控制单一变量，并在尹新生教授、钱永梅教授等人[3-5]已经对混凝土扩盘桩在竖向受力状态下承载力及土体破坏情况研究方法的基础上，采用有限元数值模拟，研究相同荷载作用下，不同承力盘数量对桩周土体的位移变化的影响，以及桩顶最大水平位移随荷载变化曲线，定性地分析水平力作用下盘数量对混凝土扩盘桩承载力的影响，确定合理的盘数量，从而满足工程设计和施工的进一步需要。

2 运用ANSYS软件建立分析模型

2.1 材料参数

采用ANSYS软件建立有限元模型，对在水平荷载作用下的混凝土扩盘桩进行模拟研究分析。桩土模型采用半空间对称体系,为了保证计算的精度,桩周围的土体应该有足够大的范围,桩的径向取14 000 mm,桩底土厚度取4 000 mm，桩身垂直入土。桩土模型有桩身混凝土和原状土这两种材料，分别对这两种材料选用不同的本构模型及其模型参数，如表1所示。

2.2 模型尺寸

根据实际工程桩型选择上的基本要求，确定主桩直径d=500 mm,桩长L=11 100 mm，扩大盘直径为D=1 500 mm，承力扩大盘形式为普通的双坡型，计算模型如图1所示，L为桩长，d为桩径，D为盘径，h为盘高，R为盘延伸长度，s为盘间净距，此处取合理盘间距4R(2 000 mm)。具体模型桩尺寸如表2所示。

表1 桩土材料参数表

表2 模型桩尺寸

综合各土层性质和混凝土扩盘桩前期的研究成果[9-11]：将承力扩大盘尽量设在较浅土层方能发挥承力扩大盘抵抗水平荷载的能力。选择将第一承力盘设置在距离桩顶1 500 mm处,在其他参数不变的情况下，按盘间距为2 000 mm，依次增加盘数量来建立模型CP1,CP2,CP3,CP4，同时将直孔桩模型编号CNP0,详见图2。

2.3 有限元模型的建立

由ANSYS建立的桩土模型简图如图3所示(以2个盘为例)。桩土模型的网格划分，遵循大小合适、划分均匀的原则，但为了更好的观察承力盘处土体的破坏形态，则在承力盘这一特殊部位进行一定程度的网格加密，详细划分，如图4所示(以2个盘为例)。桩土采用接触对来模拟桩—土接触面的接触—滑动—脱开，如图5所示(以2个盘为例)。

2.4 加载方式

实际工程中，桩基础只单一承受竖向力或水平力的情况很少，通常情况下桩基同时承受两种方向荷载的作用，例如桩基础承受建筑物的自重，同时承受地震荷载、风荷载等作用。因此为了真实的模拟桩的受力情况，本模拟对加载方式进行考究。GUO W D等人通过模型试验研究了上层土体横向运动对桩的弯矩、土反力的影响，发现当桩顶有竖向荷载作用时，上层土体运动所引起的桩身最大变形、桩身最大弯矩及土反力均小于桩顶没有竖向荷载的情况[6]。郑刚利用非线性有限元方法研究了成层土中倾斜荷载作用下桩侧土压力分布，指出倾斜荷载的竖向分量在土中的扩散可以增加桩周土的竖向应力，减小水平荷载作用下桩周土体单元的主应力差，从而提高土体强度，减小桩身侧移[7]。

因此，为更真实的模拟实际桩的受力情况，本模型选择的加载方式为竖向荷载加载采用面荷载加载，将面荷载4.4 MPa均匀加在桩顶半圆上,待竖向荷载保持稳定后，施加水平荷载，集中作用在桩顶半截面的形心,荷载从10 kN开始加载，逐级按10 kN递增加载,形成了位移、应力、应变等参数的云图和曲线，通过选取有代表性的计算结果进行分析。

3 有限元模拟计算结果的分析

对于主要承受水平荷载的混凝土扩盘桩，规范中规定，一般单桩桩顶水平位移允许值为6 mm～10 mm[8]。所以模拟将桩顶水平位移为10 mm视为单桩发生破坏。通过有限元模拟混凝土扩盘桩与土之间的相互作用,从ANSYS模型分析结果中，提取在不同荷载作用下桩顶的水平位移值，如表3所示。

表3 桩上某一点在不同荷载作用下的水平位移数据

由表3可知：盘数量不同的各桩，在桩顶水平荷载作用下，随着桩顶水平荷载的增加桩顶的水平位移值逐渐增加。与直孔桩相比，在相同的水平荷载作用下混凝土扩盘桩较直孔桩有较高的承载力。在相同荷载作用下，桩顶水平位移随盘数量增加，桩顶水平位移减小。换言之，合理设置承力扩大盘对混凝土扩盘桩承受水平荷载有显著的帮助。

下面给出有限元分析中在桩顶施加荷载后,经计算分析,从ANSYS后处理中提取CP0～CP4各个模型在水平荷载作用下不同盘数量的水平方向桩土位移云图,如图6所示，并绘制出相同荷载(110 kN)作用下各个模型的最大位移量图，如图7所示。

从上述的云图及最大水平位移曲线的分析中可以得出：混凝土扩盘桩较直孔桩桩周土位移云图分布的影响十分显著。

本模型具有不同数量承力盘的混凝土扩盘桩，在相同荷载作用下，桩顶最大水平位移分别是11.906 mm,11.451 mm,11.124 mm,10.888 mm,较直孔桩的水平位移13.694 mm，承载力分别提高了15.02%,19.59%,23.10%,25.77%。由此得出结论：在水平力作用下，混凝土扩盘桩较直孔桩的水平承载能力有显著提高，混凝土扩盘桩水平承载能力随盘数量增加而逐渐提高。当盘数量由1～2的水平位移减小0.030 7 mm,由2～3减小0.029 6 mm,由3～4减少0.005 5 mm。也就是说当盘数量不小于3时位移减小幅度缩小。结合混凝土扩盘桩承载力的影响因素来看，如果盘位置选择恰当的情况下，不需要盘数量越多越好，综合经济和施工方便，设置1个～3个承力盘就能有效的提高水平承载力。

4 结语

根据前面的分析可知，承力扩大盘的数量是混凝土扩盘桩设计时考虑的一个重要参数。在水平力作用下，混凝土扩盘桩与直孔桩相比具有更好的水平承载力。合理设置承力扩大盘对混凝土扩盘桩水平承载能力有显著的帮助。

对于混凝土扩盘桩来说，承力扩大盘的数量对减小桩顶水平位移有显著影响。混凝土扩盘桩水平承载能力随盘数量增加而逐渐提高。桩顶竖向荷载对混凝土扩盘桩水平承载性状有显著影响。竖向荷载的存在有利于减小水平位移，提高混凝土扩盘桩的承载能力。对于荷载比较大的桩基工程，宜采用混凝土扩盘桩，选择恰当的盘位置的情况下，综合经济和施工方便的考虑，设置1个～3个承力盘就能有效的提高水平承载力。

[1] 钱德玲.支盘桩—地基相互作用及有限元法模拟的研究[J].土木工程学报,2004(8)：26.

[2] 钱永梅,王希慧.盘数量对混凝土扩盘桩承载力影响有限元分析[J].山西建筑，2015，41(22)：59-61.

[3] 钱永梅.挤扩多盘桩的桩土效应及土体极限承载力研究[D].长春:古林大学,2002.

[4] 钱永梅,王 洁.水平荷载作用下混凝土扩盘桩的工作机理及研究现状[J].山西建筑，2016，42(13):62-63.

[5] 牟 楠.挤扩多盘桩承力盘参数对单桩抗拔承载力影响的研究[D].长春：吉林建筑大学硕士论文，2014.

[6] GUO W D,GHEEEH.Behavior of axially loaded pile groups subjected to lateral soil movement [M].Foundation Analysis and Design:Innovative Methods,2006.

[7] 郑 刚，王 丽.竖向及水平荷载加载水平、顺序对单桩承载力的影响[J].岩土工程学报,2008(9)：26.

[8] JGJ 94—2,建筑桩基技术规范[S].

[9] 陈宏利，彭 文.DX旋挖挤扩灌注桩水平承载性状的理论与数值分析[D].北京:北京交通大学，2014.

[10] 高笑娟,刘丰军，李跃辉，等.桩的水平承载力若干问题的探讨[J].工程力学，2009(4):39.

[11] 卢成原,王科元.支盘桩在水平荷载作用下的承载性状试验研究[D].杭州：浙江工业大学，2009.

Analysis on the impact of expanding pile damage state under the horizontal force from plate quantity★

Qian Yongmei1,2Huang Zixuan1Zhai Lian1

(1.JilinUniversityofArchitecture,Changchun130000,China;2.JilinStructureSeismicTechnologyInnovationCenter,Changchun130118,China)

Through establishing the calculation model with ANSYS software, based on comparing with the direct-hole-pile with similar pile length and same diameter, the thesis studies the impact of bearing plate upon pile surrounding soil damage state under the horizontal load of concrete expanding pile, determines rational bearing plate quantity, which has provided some theoretical basis for designing and promoting concrete expanding pile.

concrete expanding pile, bearing plate, horizontal load, damage state

1009-6825(2017)11-0058-03

2017-02-07★:国家自然科学基金项目(51678275)

钱永梅(1970- )，女，博士，教授; 黄子轩(1991- ),女，在读硕士

TU473

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