多壁座支撑桩承载特性数值模拟研究

夏红兵，郭 玉

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

为了提高单桩的承载力，诸多研究显示，扩大头桩[1-3]和支盘桩[4-7]相比于普通桩的极限承载力得到较大提高。文献[8]采用数值模拟的方法，通过研究扩底抗拔桩上拔过程中扩大头抗拔阻力的变化规律，得出扩大头对抗拔桩的抗拔承载力有很大提高作用。文献[9]通过在沙土中进行抗压桩与抗拔桩的试验模型研究，在桩身轴力分布方面，抗压桩与抗拔桩具有相似的特性，且两者的桩侧摩阻力都具有从上部逐渐向下传递并随着荷载的增加，桩侧摩阻力在桩身上部分变化不大，下部分则快速增长。文献[10-11]采用数值模拟与模型试验相结合的方式，对抗拔桩进行单桩承载力特性的研究。通过研究结果绘制抗拔桩相关力学曲线图，可以得出桩基础在上拔荷载作用下摩阻力的发挥和桩身轴力的特点。根据工程实际情况，也可以得出抗拔桩在地下建筑结构物中抗浮作用显著[12]。

为提高桩的承载能力，本文提出一种多壁座支撑桩，利用FLAC3D建立数值模型，并对其抗压与抗拔能力等承载特性及桩身荷载传递规律进行了研究。以期为多壁座支撑桩的设计与施工提供理论依据和参考。

1 多壁座支撑桩介绍

多壁座支撑桩作为一种新型桩，用专用工具在钻孔壁上形成凹窝，按照正常工序浇筑混凝土，即可在桩的外侧形成壁座。桩身段有规律的分布着多对横向凸块即为壁座，同一平面的壁座呈中心对称布置。相邻上下段的壁座呈90°十字交叉布置。壁座侧向伸长量约与桩半径等长，壁座厚度或高度不小于桩半径的1/2，壁座上下净间距为桩直径的2倍。

2 数值模型建立

2.1 计算模型

该多壁座支撑桩采用新的成桩工艺，多壁座支撑桩桩长L=15m，桩径D1=0.8m，总共设6对圆柱形壁座支撑。壁座1、壁座2、壁座3、壁座4、壁座5、壁座6位置分别为2.4m、4.5m、6.6m、8.7m、10.8m、12.9m，壁座厚度h=0.2m，壁座直径D2=1.6m。针对该多壁座支撑桩进行数值模型建立(桩底坐标为0)，本模型中桩土作用范围为0～15m，模型取值为16.5m×15.0m，模型采用四周水平约束和底部法向约束，土体表面则处于自由状态。本模拟用到的等截面桩是直径为0.8m，长度为15m的由水泥混凝土浇筑而成的圆柱体。

2.2 数值模拟有关假设

为解决数值模拟所存在的问题，在岩土力学求解假设的基础上忽略一些次要的因素，再提出适合于多壁座支撑桩承载特性问题的假设，从而解决所研究的数值模拟所存在的问题[13]。

1)多壁座支撑桩为均质连续的弹性材料；土体为均质连续的弹塑性材料，且符合Mohr-Coulomb屈服准则。

2)桩体与周围土体间采用接触面单元(interface)模拟桩体与土体间的接触，桩土界面之间的摩擦角是影响摩擦桩接触面摩擦参数(主要是c、φ)取邻近土体摩擦参数的0.6倍进行折减[14]。

3)施工因素对土体和桩体的影响忽略不计

基于上述假设，土体和桩体的物理力学参数如表1所示。

表1 土体和桩体参数

3 抗拔承载力研究

3.1 Q-S曲线

对于抗拔承载力的研究，在多壁座支撑桩顶端进行竖直向上的荷载施加，从500kN开始加载，采用每级加载200kN(面荷载)的逐级加载方式，进而得到桩体在各荷载作用下的位移分布规律。

图1为抗拔荷载作用下等截面桩、多壁座支撑桩位移分布情况。由图1可知，等截面桩的极限抗拔承载力为2 200kN； 多壁座支撑桩加载到3 200kN时，桩体位移发生骤变，所增加的位移差远大于前两级荷载位移差的5倍，与文献[15]得到的桩体位移分布规律相似，说明模拟结果是合理的。此外，由图1可知，多壁座支撑桩的极限抗拔承载力为3 000kN，其极限抗拔承载力较等截面桩的极限抗拔承载力提高了37%。对比可知，由于壁座支撑的存在，不仅使得多壁座支撑桩的极限抗拔承载力得到大幅度提高，而且控制了桩体产生较大的位移量，说明多壁座支撑桩具有较好的抗拔性。

图1 抗拔荷载作用下Q-S曲线图

3.2 桩身的荷载传递特性

本文提取不同抗拔荷载作用下桩体各单元的平均应力σ，并通过公式(1)计算得出相应截面的轴力值。

Ni=∑σiAi

(1)

式中：Ai为单元的截面面积；σi为单元截面对应的应力值。

桩体各单元的轴力值，按公式(2)计算得出桩体各壁座支撑的侧摩阻力。

Fi，j=Ni，j+1-Ni，j

(2)

式中：Ni，j+1、Ni，j为在i级荷载作用下所得到的j和j+1位置处的轴力值。

图2为抗拔荷载作用下多壁座支撑桩中各壁座支撑的受力情况。随着桩体埋置深度的增加各壁座承受的荷载依次减小，该分布规律并不随着抗拔荷载的增加而发生改变。远离土体表面且位于桩体最下部的壁座1所分担的荷载最小，桩体最上部的壁座6所分担的荷载则最大。每个壁座所分担荷载的增加幅度有所不同可能是每个壁座所在的土体性质以及壁座的所在位置不同所引起的。随着荷载的增大，壁座1、壁座2所分担的荷载呈现先增大后减小的分布规律。当荷载为2 600kN时，壁座1所分担的荷载达到峰值，当荷载为2 800kN时，壁座2所分担的荷载达到峰值，而后各壁座所分担的荷载逐渐下降，直至趋于稳定值。壁座3、壁座4、壁座5、壁座6则是随着荷载的增加，所承担的荷载随之增加。

图2 抗拔荷载作用下各壁座支撑分力图

图3为抗拔荷载作用下多壁座支撑桩的轴力分布情况。由图3可知，在分级荷载作用于下，桩身轴力随着埋置深度的增加而减小，桩顶处轴力最大，桩底处轴力最小。壁座上下端位置处轴力发生了突变，轴力降低。因为陡降的轴力主要由各壁座所承担，并将荷载传递到壁座周围的土体，增强了桩体与周围土体的相互作用。当施加的荷载较小时，绝大部分荷载是由侧摩阻力所承担的，壁座发挥的作用并不明显。但是随着施加荷载的增加，壁座的作用就十分显著。正是由于多壁座支撑桩具有这种特殊的受力特性，才使得多壁座支撑桩具有高承载力、低位移的特点。

图3 抗拔荷载作用下桩身轴力分布图

3.3 桩身侧摩阻力

图4为抗拔荷载作用下多横双支撑桩桩身侧摩阻力曲线图。由图4可知，桩身侧摩阻力随着荷载的增加呈现先增大后减小的分布规律，施加的荷载为2 600kN时桩身侧摩阻力达到峰值。各段的桩身侧摩阻力均呈现出小幅度的下降，原因可能是桩土之间的负摩阻力，桩周土体对桩身产生的摩阻力的动态变化用土拱原理可加以解释。

图4 抗拔荷载作用下桩身侧摩阻力分布图

4 抗压承载力研究

4.1 Q-S曲线

图5为等截面桩、多壁座支撑桩在抗压荷载作用下的位移分布情况。由图5可知，桩体在顶部受到竖直向下荷载作用后，桩身发生沉降，同时，桩侧表面受到土向上的摩擦力，桩身荷载通过侧摩阻力传递到桩周的土层中，桩身荷载与轴向变形随深度递减[16]。

图5 抗压荷载作用下Q-S曲线图

由图5可知，等截面桩的抗压极限承载力为3 400kN。如图5所示，多壁座支撑桩在6 800kN抗压荷载作用下沉降量增幅是前两级抗压荷载作用下的2倍左右，可认为多壁座支撑桩的抗压极限承载力为6 600kN，约为等截面桩抗压极限承载力的2倍。对比图1和图5可知，多壁座支撑桩抗压极限承载力大于多抗拔极限承载力。同时随着荷载的增加，多壁座支撑抗拔桩的轴向位移大于多壁座支撑抗压桩。

4.2 桩身的荷载传递特性

图6为抗压荷载作用下多壁座支撑桩中各壁座支撑的受压情况。对比图2和图6可知，抗压和抗拔状态下桩体各壁座支撑受力规律大致相同，但也存在些许差异。不同之处在于当荷载达到3 400kN后，壁座1所承担荷载的增幅增大，超过壁座2和壁座3的。

图6 抗压荷载作用下各壁座支撑分力图

图7为抗压荷载作用下多壁座支撑桩的轴力分布情况。由图7可知，荷载作用于下，桩身轴力随着埋置深度的增加而逐渐减小，桩顶处轴力最大，桩底处轴力最小。这与抗拔荷载作用下，桩身的轴力分布规律相同。

图7 抗压荷载作用下桩身轴力分布图

4.3 桩身侧摩阻力

图8为抗压荷载作用下多壁座支撑桩桩身侧摩阻力曲线图。由图8可知，荷载在4 000～6 400kN间时，桩身最底段侧摩阻力相比于其他段而言呈小幅上升趋势，而其他段侧摩阻力保持不变。对比抗拔和抗压荷载作用下桩身侧摩阻力分布情况可发现，无论桩身承受抗拔或抗压荷载，桩底段起到决定性作用。且多壁座支撑桩抗压侧摩阻力大于其抗拔侧摩阻力。

图8 抗压荷载作用下桩身侧摩阻力分布图

5 结论

(1)相同情况下，多壁座支撑桩的抗压极限承载力比等截面桩提高近1倍，多壁座支撑桩的抗拔极限承载力比等截面桩提高了37%。相同荷载作用下多壁座支撑桩的位移也大幅度减小，说明多壁座支撑桩具有良好的承载特性。

(2)多壁座支撑桩在荷载作用下，壁座周边的土体先受到挤压密实，减少了土体承力后的压缩量，提高了土体的竖向承载力和多壁座支撑桩的承载力。