水平荷载作用下弯曲型和倾覆型混凝土钻扩桩破坏状态对比分析

李祖杰，徐丽娜，牛 雷，钱永梅

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

1 概述

近年来,桩基础工程应用越来越多,桩基基础的形式也在发生变化.混凝土钻扩桩就是一种新式的桩基础,混凝土钻扩桩就是在直孔灌注桩桩身的特定位置设置承力盘,以此来提高钻扩桩桩基础的承载性能.自从混凝土钻扩桩出现以来,因承力盘的存在,使其具有更高的承载性能,所以在实际工程中被广泛应用[1].桩基础不仅要承受建筑物自重等所产生的竖向荷载作用,而且还要承受风荷载等所产生的水平荷载作用[2].现阶段,国内外对水平荷载作用下混凝土钻扩桩的研究内容相对匮乏,课题组前期研究中对倾覆型钻扩桩的抗倾覆承载力进行了研究[3].但是,由于混凝土钻扩桩的主桩径变化范围较大,桩身刚度有所不同,当主桩径偏小时,刚度较小,在水平荷载作用下会发生桩身的弯曲,因此不能完全用倾覆型钻扩桩的倾覆计算理论进行计算.一般情况下,当钻扩桩桩径较大,桩长较短,且桩周土体性质较差时,就认为混凝土钻扩桩为倾覆型钻扩桩,反之,为弯曲型钻扩桩[4].本文采用课题组独创的半面桩模型有限元分析和原状土模型试验方案进行研究,该试验方案解决了原有试验对桩基础破坏不可视化的问题,通过特定的取土装置可实时观测桩土之间随荷载的变化而变化.通过对模型试验和模拟分析结果的对比分析,研究不同强度的混凝土钻扩桩桩身及桩周土体破坏状态,进而提出承载力计算模式的不同.

混凝土钻扩桩因其结构的特殊性,所以对混凝土钻扩桩承载力的影响因素较多,诸如盘坡角、盘形式和盘位置等,本文研究中所选取的钻扩桩盘坡角及盘形式均为最优状态下数据.试验分为两组进行,总共选择4个试件进行对比分析,其中两组模型试件的盘位置设置不同高度,即Q3,W3和Q4,W4.在每组中包含两种试件,一种为倾覆型试件Q3,Q4,另一种为弯曲型试件W3,W4,实际的模型桩如图1所示.有限元模拟分析采用ANSYS软件进行分析,有限元模型分别为QM1,WM1和QM3,WM3,在有限元模拟中,所采取的桩土材料属性均与实际试验数据大致吻合,规格与试验模型相同[5].

图1 倾覆型桩和弯曲型桩模型

2 弯曲型桩与倾覆型桩破坏状态对比分析

2.1 弯曲型桩试验与有限元对比分析

通过试验研究和有限元模拟分析中得到的土体破坏状态[6]如图2所示.模型试验选取弯曲型桩W3与模拟中的WM1模型进行对比,通过图像观察可知,对倾覆型桩来说,当在桩顶部施加水平荷载时,混凝土钻扩桩会因自身刚度较大的原因出现整体倾覆现象,钻扩桩的桩身围绕一点产生刚体转动,桩顶与桩底位移均发生变化,根据试验图像可知,桩底位移略小于桩顶位移,而弯曲型桩由于桩身强度原因,会在水平荷载作用下,桩身上半部出现明显的桩身弯曲变形,桩顶位移要明显大于桩底位移,当承力盘距桩顶较近时,承力盘端随桩身发生偏移.

图2 试验和有限元分析的桩土破坏模式

通过有限元模拟结果可以看出,混凝土钻扩桩在桩顶发生较大位移,其中盘端和桩侧也有应力分布,因此证明在混凝土钻扩桩承受水平荷载时,主要由盘端、桩身、桩侧3个部分承担,而且试验结果也充分印证了该结论,即在盘下位置及桩侧因受力原因而出现“水印”.与传统的混凝土直孔灌注桩相比,直孔灌注桩主要靠桩侧和桩身承受外部水平荷载,进一步验证了混凝土钻扩桩承载能力要高于普通直孔灌注桩.本文试验与模拟对比分析的主要研究内容为不同强度的混凝土钻扩桩在承受水平荷载时桩周土体的破坏形态,在有限元模拟分析中,对土体材料性能分配时的参数均为理想状态下结果,而实际试验中所取土壤存在不均匀性的问题,致使有限元模拟结果与实际试验结果存在一点差异,但桩土发生位移后图形的变化规律和实验室模型试验所得桩土破坏形式是一致的,由此说明,有限元模拟结果与试验结果之间可以得到相互验证.

2.2 倾覆型桩与弯曲型桩在承受水平荷载时桩周土体破坏状态对比分析

分别选取两组弯曲型桩和倾覆型桩与有限元模拟结果进行对比分析,对比分析图片如图3所示.

(Q3) (QM1) (W3) (WM1)

(1)根据图3中实验室模型试验及有限元模拟结果可知,此时桩顶水平荷载为定值,对比倾覆型桩Q3与模拟图QM1、弯曲型桩W3与模拟图WM1,实验室模型桩试验结果与有限元模拟的结果基本相似,桩周土体破坏形式也大都相同,有限元软件模拟与实验室模型试验结果也有不同之处:① 根据实验室模型试验结果得,倾覆型模型桩本身围绕桩身刚体转动,桩身整体沿承力盘下某一点进行转动,由于桩体刚度足够大,所以桩体本身发生的弯曲变形较小,承力盘右侧下部土体受压,说明承力盘在加载过程中参与受力;而QM1在模拟分析时桩身采用混凝土单元,其刚度要小于试验时所选用的桩体材料刚度,所以在桩顶水平力作用下,桩身会出现部分形变,同时承力盘右侧下部也是受压状态.② 通过对弯曲型桩W3的桩土破坏状态观察可知,弯曲型桩的桩身上部因刚度较小,导致桩身上部产生局部弯曲,而承力盘下桩体变形程度较小,所以承力盘下端桩周土体并没出现明显形变;此种状态下,有限元模拟分析结果与实际试验所产生的钻扩桩桩周土体的作用情况基本相同.

(2)对于两个倾覆型桩Q3与Q4来讲,两个模型桩在水平荷载作用下均发生了明显的刚体转动,但在水平荷载作用下桩顶产生的位移不同.倾覆型桩Q3桩周土体在水平荷载作用下所产生的的裂缝要明显大于倾覆型桩Q4所产生的裂缝,对于倾覆型混凝土钻扩桩来说,承力盘所在位置的不同,对钻扩桩的水平极限承载能力会产生很大的影响,当承力盘位置偏上且接近桩顶时,混凝土钻扩桩的极限承载能力很高,同时承力盘的布置也不宜太接近桩顶,当承力盘位置过高时,则会在水平荷载的作用下,盘上土体会发生破坏,进而失去承载能力,所以承力盘的设置要在合理的范围内取接近桩顶位置处.同时,根据有限元模拟分析结果容易得出:倾覆型桩QM1与QM3由于承力盘所处位置不同,两个桩产生的位移云图效果也有很大的差别,倾覆型桩QM3的承力盘下部土体并没有出现明显移动,承力盘在此过程中只是承担了少部分的弯矩作用,承力盘在混凝土钻扩桩上的效果和优势没有得到充分发挥.

(3)通过观察弯曲型桩W3与W4可知,弯曲型桩均出现了桩身弯曲现象,其中弯曲型桩W3绕承力盘下某一点发生转动,而弯曲型桩W4的承力盘位置偏下,所以承力盘盘端未发生转动,在水平荷载作用下,因弯曲型桩W4承力盘设置位置偏低,所以并不处于水平荷载的影响范围内,承力盘只承担了小部分弯矩作用;在有限元模拟中弯曲型桩WM1与WM3的桩土作用效果和实验室模型试验的桩周土体破坏效果基本相同.

2.3 对比分析试验与模拟中桩顶的位移-荷载曲线

对以上模拟分析中所得数据进行整理,两组模拟曲线的对比情况如图4所示.

图4 有限元模拟位移-荷载曲线对比

根据图4可以发现:

(1)两组模拟试验得到的位移-荷载曲线在整体趋势上基本相同,钻扩桩桩顶的水平位移都是随施加水平荷载的增大而增大,但增长趋势由快到慢.通过分析原因可以得出,当混凝土钻扩桩承受水平荷载时,钻扩桩桩周土体先是处于弹性压缩阶段,此时承力盘还未参与受力,随着水平荷载增大,桩周土体逐渐被压缩,承载能力达到极限值,盘上土体处于塑性变形状态.对于倾覆型钻扩桩而言,当混凝土钻扩桩承受水平荷载时,若钻扩桩本身刚度较大,那么钻扩桩桩顶产生的位移就会比较小,所以对于倾覆型的混凝土钻扩桩,其承受水平荷载能力更大.

(2)无论是弯曲型桩还是倾覆型桩,在合理的桩身范围内,盘位置靠上比盘位置靠下的承载力高.分析原因可知,承力盘位置越高,在承受荷载时,承力盘越早发挥作用,主桩桩身的弯曲变形和倾覆越小,因此承载力越高,而当承力盘位置靠近桩底,承受到水平荷载作用时,盘上部桩身会先发生变形破坏,承力盘在加载过程中未参与受力或只是承担了小部分弯矩,所以在承受水平荷载时,混凝土钻扩桩的承力盘的设置不宜过低.

3 倾覆型和弯曲型钻扩桩单桩水平极限承载力计算模式

根据上述破坏状态分析,基于滑移线破坏理论,通过数值分析,确定了倾覆型和弯曲型桩的承载力计算公式[3]:

F=F盘端+F桩侧且F≤F桩身

(1)

(2)

(3)

(4)

但是,由于倾覆型和弯曲型桩的破坏状态不同,弯曲型桩在倾覆之前,会发生桩身的弯曲,因此,F桩身和F桩侧的计算公式中参数有所不同,在设计中应分别根据实际破坏桩进行选取.

4 结论

本文主要针对倾覆型和弯曲型混凝土钻扩桩进行分析,通过原创的小比例半面桩原状土模型试验与ANSYS有限元模拟,对不同强度的混凝土钻扩桩在水平荷载作用下钻扩桩桩周土体的破坏状态以及钻扩桩的承载机理进行研究,得出如下结论:

(1)将实验室小比例半截面模型试验与ANSYS有限元模拟分析进行对比可得,模拟与实际试验所得桩周土体的破坏状态基本一致;将试验中钻扩桩所得受力情况与有限元分析结果进行对比,二者所得曲线基本保持一致.

(2)对于承力盘位置设置高度相同时,倾覆型桩因其本身刚度大的原因,所以倾覆型桩在水平荷载作用下所产生的水平位移较小,其水平荷载作用下承载能力也就越强.

(3)对于不同强度的混凝土钻扩桩,当承力盘设置位置偏上时,承力盘才得以发挥更好的承载性能.但需将盘位置与桩顶的距离控制在合理范围之内,否则盘上土体会发生剪切破坏,失去承载能力,无法起到抵抗弯矩的作用.

(4)通过对水平力作用下倾覆型和弯曲型混凝土钻扩桩的破坏状态分析,提出不同强度混凝土钻扩桩的承载力计算模式及计算模式的不同之处.