盘形式对水平力作用下扩盘桩土体破坏状态理论研究★

钱永梅 梁松廷

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130012； 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·

盘形式对水平力作用下扩盘桩土体破坏状态理论研究★

钱永梅1，2梁松廷1

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130012； 2.吉林省结构抗震技术创新中心，吉林 长春 130118)

通过ANSYS软件建立了有限元模型，对比分析了在实际工程中和理想状态下的盘截面形式对水平力作用下混凝土扩盘桩的桩周土体破坏的影响，为实际设计中综合考虑影响混凝土扩盘桩单桩承载力因素提供了依据。

混凝土扩盘桩，有限元，盘截面，水平荷载

1 概述

在现代社会中，随着跨海大桥、外海开敞式码头和海上采油平台的不断兴建，导致桩基础不可避免地承受水平荷载的作用，例如地震作用、汽车制动力、风力、波浪、潮流、轮船的作用等，所以水平荷载作用下桩基的研究日趋迫切[1]。近年来，桩基基础工程技术的不断发展，桩基基础的形式也变的多种多样。混凝土扩盘桩作为一种新式的桩基础，自从其出现以来，由于其优良的承载性能在工程中得到了广泛地应用。对于混凝土扩盘桩，竖向荷载作用下的研究已经比较成熟，而对于水平荷载作用下的研究还处于初级阶段。研究表明，影响混凝土扩盘桩承载力的因素较多，主要因素有：主桩直径、承力盘的悬挑径、坡角、形式、高度、位置、数量等。在基于滑移线理论对混凝土扩盘桩单桩承载力研究的过程中发现，由于承力盘的形状对单桩承载力具有一定的影响，是单桩承载力主要影响因素之一[2]。因此，本文在前人研究的基础上，利用ANSYS软件模拟分析不同盘形式对水平力作用下混凝土扩盘桩土体破坏状态研究的影响，以便在实际工程中桩设计的过程中给予其充分的考虑。

2 运用ANSYS建立分析模型

2.1 材料参数

根据以往的试验研究，桩周土体的影响范围大约在5倍的承力盘悬挑径的宽度，为了使模拟分析与实际相符，因此，在构筑的土体模型中，桩周土体横向宽度设为12 m，桩端下预留土体深度为4 m。在计算模型的模拟分析中，桩和土属于不同类型的材料，其具体的材料参数见表1。

表1 桩土材料参数表

2.2 模型尺寸

为了与实际相符合，在模拟分析中其计算模型均采用实际尺寸，确定主桩直径d=500 mm，桩长L=7 500 mm，承力盘直径D=2 000 mm，承力盘截面形式为双坡型，其计算模型如图1所示，其中,L为桩长;D为承力盘直径;d为主桩直径;h为盘高;α为上盘坡角;β为下盘坡角。

由于在混凝土扩盘桩承力盘悬挑径相同的情况下，承力盘坡角在30°～35°的范围内，其抗压承载力最佳[3]，且在实际工程中由于施工机具和施工工艺的影响，承力盘盘端实际为圆角曲线形状(见图2)，而理想状态下的盘端设计为尖角直线形状(见图1)，为对比分析两者之间的差异对单桩承载力的影响，因此根据实际工程以及理想状态中的承力盘形状和盘坡角的不同，将承力盘截面形式分为四种：尖角对称，即盘端为尖角，盘上、下坡角相同，盘上边线为直线型；尖角非对称，与尖角对称不同的是盘上、下坡角不同；圆角曲线对称，即盘端为曲线圆角，盘上、下坡角相同，盘上边线为直线型；圆角曲线非对称，与圆角曲线对称不同的是盘上、下坡角不同，盘上边线为曲线型。各模型桩承力盘放大图见图3，其桩模型编号依次为：CP1，CP2，CP3，CP4。具体尺寸见表2。

表2 模型桩尺寸

编号参数桩长Lmm主桩径dmm盘径Dmm盘高hmm上盘坡角α(°)下盘坡角β(°)CP1750050020008993030CP27500500200010634030CP3750050020008993030CP47500500200010634030

2.3 有限元模型的建立

有限元模型的建立采用8节点的空间单元,见图4(以CP1桩为例)。桩、桩周土网格划分及桩土结合面节点进行与实际受力情况相符的局部细化处理[4],见图5(以CP1桩为例)。混凝土扩盘桩与土体的接触是刚性体和柔性体的接触，在绝大多数情况下，要考虑桩土之间的相对滑动、摩擦和分离。因此，桩土之间的接触采用面—面滑移接触，即在作用过程中，接触点可沿接触面相对滑动，在接触面法线方向上两接触面坐标值相同[5]。

2.4 施加边界约束及荷载

在ANSYS模拟的计算模型中，桩与土合并的模型是半截面圆柱体形状。因此，在模型正面和底面施加垂直于表面的约束，在其背面曲面施加X,Y,Z三个方向的约束。考虑到在实际工程中，桩单独承受水平荷载的情况极少，而大多数的桩除了承受自重及上部荷载等之外，还要承受地震作用、风荷载等水平荷载。因此，在模拟分析中，先在桩顶半截面圆上施加0.5 MPa的竖向面荷载，然后在半截面圆桩顶形心位置施加水平方向的集中荷载，荷载从10 kN开始，以10 kN逐级递增加载，直至桩周土体完全破坏。

3 模拟计算结果分析

由桩基基础规范规定，一般单桩桩顶水平位移允许值为6 mm～10 mm[6]，超过10 mm即认为桩周土体已发生破坏。通过有限元模拟分析形成的应力、应变和位移等数据及云图，选取具有代表性的数据进行分析。桩顶某点的位移(如表3所示)及最大水平力作用下各个模型桩的最大水平位移见图6，表4。

表3 桩上某一点在不同荷载作用下的水平位移数据

水平荷载/kNCP1CP2CP3CP400000105．98256．05295．96135．9881207．82677．8757．74887．7513309．71469．75789．59669．58094011．77511．80811．63111．5825013．99114．03713．82913．77

表4 相同荷载作用下各个模型桩的最大水平位移值

1)由表3及图5可以看出，当桩顶水平荷载较小时，其荷载作用主要由靠近地面的土承担，此时桩周土体处于弹性压缩阶段；随着水平荷载的不断增大，靠近地面的桩周土体逐渐产生塑性变形，其荷载作用向更深处的土层传递；当荷载增大到桩周土体所不能容许的程度时，桩土体系失去稳定，发生破坏。

2)由表4可以看出，通过CP1与CP3，CP2与CP4对比，在相同盘径、盘高，不同盘截面形式的情况下，理想模型的桩体与实际工程中桩体的桩顶最大水平位移值相差不大，最大相差0.31 mm，相差为2%，最小相差0.258 mm，相差为1.7%，说明不同盘截面形式对混凝土扩盘桩的单桩承载力影响不大。

4 结语

混凝土扩盘桩的承力盘截面形式是其设计中的一个重要参数，由此次模拟分析可知：通过CP1，CP2，CP3，CP4四种模型桩的桩顶某点的荷载—位移数据及桩顶最大水平位移的对比，在相同荷载作用下，水平位移相差不大，理论计算的盘端尖角桩在桩体最大位移上要略大于实际的盘端曲线形式的桩型，且桩顶最大水平位移最大相差0.31 mm，最小相差0.258 mm，相差均在2%以内。这也就说明了运用理论模式所推出的桩体承载力计算公式在实际的桩型中是可应用的。

[1] 高笑娟，李跃辉，吕 冰，等.水平周期荷载作用下支盘桩受力性状的模型试验[J].煤田地质与勘探，2015(3)：72-76.

[2] 王若竹，钱永梅，尹新生.挤扩多盘桩承力扩大盘形状对单桩承载力影响的理论分析[J].建筑技术与开发，2010，37(12)：25-29.

[3] 陈学哲.盘径及坡角对混凝土扩盘桩抗压破坏影响原状土试验研究[D].长春：吉林建筑大学硕士论文，2016.

[4] 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.

[5] 李自林，姚 军，李拥军，等.水平受荷桩性能的有限元分析[J].天津城市建设学院学报，2011，17(2):86-89.

[6] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

Analyzing about the plate shape affecting the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load★

Qian Yongmei1,2Liang Songting1

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130012，China；2.JilinStructureandEarthquakeResistanceTechnologyInnovationCenter，Changchun130118,China)

In order to analyze the cross section of the plate affecting the the failure state of the soil around the concrete plates-expanded pile under horizontal load between the practical engineering and ideal state, the paper establishes the finite element model on the basis of the ANSYS soft ware, and it is put forward the theoretical basis of considering the factors affecting the single pile capacity of the concrete plates-expanded pile in the practical design.

concrete plates-expanded pile, finite element, cross section, horizontal load

2017-04-08★:国家自然科学基金项目(51678275)

钱永梅(1970- )，女，博士，硕士生导师，教授； 梁松廷(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2017)18-0039-02

TU470

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