支盘间距、数量、直径对新型支盘桩承载力的影响

夏红兵，苏晴晴

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近十几年来，众多专家学者对扩挤支盘桩的盘间距、盘数量及盘径对单桩竖向承载力的影响进行了深入的探讨研究。[1]通过对相邻2盘间破坏面形态的分析，总结了支盘桩整体破坏面形态的判断方法，推导出了基于最小抗力的支盘桩承载力和临界盘间距计算公式，并进行了验证。[2]结合工程实际，采用有限元软件ABAQUS进行分析来确定承力盘的最优盘位置和最优盘间距。[3]对支盘桩的临界盘间距进行了力学分析，并指出盘间距过小时承力盘间的土体会发生塞块式的剪切破坏。[4]设计了两组室内模型试验来研究不同土质中支盘桩单桩的合理盘问距，指出支盘桩在粉土中最合理盘问距为2.5d盘间距。[5]设计了三组室内模型试验研究多支盘桩在不同土质中的承载性能，指出在压缩性大的土层中增大盘间距对承载力提高意义不大，而在压缩性小的硬土层中增大盘间距可有效提高支盘桩的承载力。

本文所述新型扩挤支盘桩为柱形桩体，圆柱形支盘，该桩的成形工具已申请发明专利并公开，申请号：2017103779247，采用传统扩挤装置扩挤而成的支盘呈纺锤形，而新工艺所成支盘为圆柱体，支盘完全对称且厚度均匀受力更合理。新型支盘桩盘径较小，可以通过调节支盘个数来控制新型扩挤支盘桩承载力的大小，根据需要支盘个数可以设置为几个或十几个。目前新型扩挤支盘桩还未应用于工程实际，本文针对盘间距、盘数量和盘径对新型扩挤支盘桩竖向承载力影响的问题，设计了24组对比模型进行数值模拟研究，为进一步完善扩挤支盘桩的设计并应用于工程实际提供了参考。

1 基于FLAC3D的数值分析

1.1 模型的建立

结合桩土组合受力特性，确定新型扩挤支盘桩和周围土体的作用范围为6 m，模型尺寸为15 m×6 m，桩长10 m，桩径600 mm，土体只有1种类型为素土，分别模拟了支盘突出尺寸为0.2d、0.3d、0.4d、0.5d共4种工况的受力情况，每种工况按照盘间距分别为 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 划分为 6种情况，对应的盘数量N 分别为 19、12、9、7、6、5，共24组模型。由于该模型的几何尺寸对称，所施加的外荷载也呈轴对称，故而选取1/4模型计算，模型及网格划分示例如图1所示，土体和桩体参数如表1所示。

1.2 有关假设及模型参数的选取

(1)假设每层土均采用Mohr-coulomb本构关系，都为均质连续各向同性的理想弹塑性材料，挤扩支盘桩采用均质连续线弹性本构模型。

(2)接触面参数的选取由接触面的不同方式决定，本文桩土接触面的主要力学参数c、φ的值按照土体的0.6倍取值，法向刚度kn和剪切刚度ks取土体等效刚度的10倍。

(3)扩挤多支盘桩到达最大承载力时，桩身并不发生破坏，桩周土体发生破坏时，桩对地基土的影响以及施工因素对桩周土体的影响忽略不计。

图1 模型及网格划分示例

2 支盘参数对新型扩挤支盘桩竖向承载力的影响

2.1 盘间距对新型挤扩支盘桩桩竖向承载力的影响

本文模拟了支盘突出尺寸B为0.2d、0.3d、0.4d、0.5d共4种工况，每种工况按照盘间距L分别为 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 划分为 6 种情况，共24组模型，确定了每种工况的合理盘间距并做了对比分析，在支盘桩桩顶施加面荷载，荷载从200kN施加至5000kN，共25级荷载，进而得到4种不同工况下支盘桩的Q～s曲线如图2、图3、图4、图5所示。按照切线交汇法[6]判断B=0.2d时，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 桩的极限承载力分别为2800kN、3000kN、3200kN、2800kN、3000kN、3200kN；B=0.3d 时，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 桩的极限承载力分别为 3400kN、3600kN、3800kN、3200kN、3400kN、3400kN；B=0.4d 时，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d 桩的极限承载力分别为 3800kN、4000kN、4200kN、3600kN、3600kN、3800kN；B=0.5d 时，L=0.5d、L=1.0d、L=1.5d、L=2.0d、L=2.5d、L=3.0d桩的极限承载力分别为4000 kN、4200kN、4400kN、3800kN、4000kN、3800kN，以上4种工况均是在L=1.5d时桩的沉降量最小承载力最大，故可判断对于新型扩挤支盘桩的最佳盘间距为1.5d即支盘对盘下土体的作用范围约为1倍盘径。当支盘间距L=0.5d，B=0.2d时，支盘桩会出现与普通直杆桩类似的破坏特征即支盘桩的荷载-位移曲线会由缓变型转变为陡降型，此时土体处于贯通式剪切破坏的状态，这种情况下支盘桩的承载力严重降低，支盘的承力优势被大大削弱[7]；当盘间距L＞1.5d时，只有处于支盘影响范围内的土体能够完全发挥土体的受压承力作用，其余土体并不会受到支盘的影响，此时支盘桩的承载力也会降低。因此合理的盘间距对支盘桩的竖向承载力至关重要[8]。当L=2.0d时，承载力最小，均小于L=2.5d、L=3.0d时单桩的承载力，这可能是由于随着盘间距的增加，桩侧摩阻力有效长度增加即桩侧摩阻力承担了较大荷载的缘故。

表1 土体和桩体参数表

图2 B=0.2d时支盘桩Q～s曲线

图3 B=0.3d时支盘桩Q～s曲线

图4 B=0.4d时支盘桩Q～s曲线

图5 B=0.5d时支盘桩Q～s曲线

2.2 盘数量对新型挤扩支盘桩桩竖向承载力的影响

盘间距 L 分别为 0.5d、1.0d、1.5d、2.0d、2.5d、3.0d 时，对应的盘的数量 N 分别为 19、12、9、7、6、5，以B=0.5d时的计算模型诠释盘数量对新型扩挤支盘桩竖向承载力的影响情况，B=0.2d、B=0.3d、B=0.4d的情况与之类似，此处不再赘述。如图6所示，B=0.5d和B=0.4d桩顶施加的荷载Q≤2800 kN(B=0.3d桩顶施加的荷载Q≤2200 kN，B=0.2d桩顶施加的荷载Q≤2000 kN)，盘数越多，桩的沉降量越小，但沉降量减小幅度变缓，即当桩顶施加的荷载越小，支盘桩承载力增加的幅度随着支盘个数的增加而逐渐减小[9]，此时支盘下土体受到支盘影响的范围较小即支盘对土体的扰动范围较小；反之，当桩顶施加的荷载Q＞2800 kN时，盘数越多支盘桩对周围土体的扰动范围越大，各支盘间形成贯通土柱的范围越大，发生贯通式剪切破坏的程度也越大，因盘数增加时每个支盘分担的荷载减少，支盘承力的优势被削弱的程度也越严重，同时桩侧摩阻力的有效长度也越小[10]，沉降越大，支盘桩的承载力越小。因此，在工程实际中，支盘桩存在最优支盘数，支盘数过多并不能提高单桩的承载力还会降低桩的承载力，同时还会降低支盘桩的经济性，给施工带来不必要的不良后果，本文所提出的新型扩挤支盘桩的最优支盘数为9个如图7所示。盘数过少时，整个加载过程支盘桩沉降均较大，土体承压的作用并没有被充分利用，导致单桩承载力降低。

2.3 盘径对新型挤扩支盘桩桩竖向承载力的影响

新型支盘桩采用了新的成盘工艺，盘径比较小(D/d≤2，D 为盘径，d为桩径)，为说明盘径对新型挤扩支盘桩桩竖向承载力的影响，建立盘间距均为最佳盘间距即L=1.5d，盘数均为最佳盘数9个，盘径D分别为1.4d、1.6d、1.8d、2.0d的4个新型支盘桩模型和一个直杆桩模型，共5个模型进行对比分析。如图8所示，运用上文所述判断支盘桩极限承载力的方法，可判断D=1.4d、D=1.6d、D=1.8d、D=2.0d时，新型支盘桩的极限承载力为3200 kN、3800 kN、4200 kN、4400 kN，每增加 0.2倍盘径，支盘桩的极限承载力随之增加600 kN、400 kN、200 kN。在施加相同荷载的条件下，支盘直径越大，支盘桩的沉降量越小，支盘桩的极限承载力越大。可见，新型支盘桩的极限承载力增加的幅度随着支盘直径D的增加而减小。如图9所示，直杆桩的沉降量之差(1400 kN时的沉降量与1200 kN时的沉降量之差)明显大于前两级荷载沉降量之差(1200 kN时的沉降量与1000 kN时的沉降量之差)的2倍，因而可以判定直杆桩的极限承载力为1200 kN，而D=2.0d的支盘桩的极限承载力为4400 kN，支盘桩相较于直杆桩承载力提高了260%，支盘桩的沉降量比直杆桩的沉降量小得多，更加形象直观的证明了在支盘直径一定的范围内，支盘直径越大，支盘桩的极限承载力也越大的观点[11]。

图6 Q≤2800 kN时支盘桩Q～s曲线

图7 Q＞2800 k N时支盘桩Q～s曲线

图8 不同支盘直径的Q～s曲线

图9 直杆桩和D=2.0d的Q～s曲线

3 结论

(1)新型扩挤支盘桩在素土中的最佳盘间距为1.5倍桩径即盘对其下部土体的作用范围约为1倍盘径，此时单桩的沉降量最小，承载力最大。盘间距过小桩会出现刺入土体的状况，土体会出现贯通式剪切破坏；盘间距过大只有处于支盘影响范围内的土体能够完全发挥土体的受压承力作用，其余土体并不会受到支盘的影响，此时支盘桩的承载力也会降低。

(2)新型扩挤支盘桩在素土中的最优盘数为9个，此时单桩的沉降量最小，承载力最大。盘数过多，在加载初期单桩沉降量随盘数的增加而降低，但在加载后期，盘下土体会出现应力叠加的现象，对桩周土体的扰动较大，单桩承载力并不会成比例的提高，反而会使单桩承载力降低，支盘承力的优势被大幅削减；盘数过少，整个加载过程支盘桩沉降均较大，土体承压的作用并没有被充分利用，导致单桩承载力降低。

(3)在施加相同荷载的条件下，支盘直径越大，支盘桩的沉降量越小，支盘桩的极限承载力越大，但新型支盘桩的极限承载力增加的幅度随着支盘直径D的增加而减小。同时新型扩挤支盘桩相较于直杆桩，支盘桩的承载力相较于直杆桩承载力提高了260%，支盘桩的沉降量比直杆桩的沉降量小得多。