承力盘间距对支盘桩抗拔承载特性分析★

谢子波，王柳月

(华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450011)

1 概述

支盘桩将承力盘设置于桩身不同部位的土层，使桩身变为多支点摩擦端承桩，充分发挥桩土的相互作用，极大程度地提高了桩身承载特性，众多学者主要通过室内模型试验、现场试验和数值模拟等方法对支盘桩承载性能进行研究，张敏霞[1]采用piv技术结合透明土进行桩基室内模型试验，试验结果表明支盘桩通过增大桩周土体变形位移场的范围,减小了土体变形位移场的强度,从而提高了桩基承载能力；苑辉等[2]在2003年采用数值模拟和现场试验相结合得出:在支盘桩承载的过程中,其承载规律为第一个承力盘在加荷初期承担的荷载相对比较高，第二个承力盘在加荷后期才开始慢慢发挥出作用。柯江[3]采用ABAQUS软件研究了支盘桩在上拔荷载作用下的承载特性，分析表明:在天然状态下土体对桩体的压力在支盘处最大，支盘桩达到抗拔极限承载力时，桩身轴力在支盘的上下出现突变，支盘下斜面以及桩底与土体产生了分离，塑性应变主要发生在支盘上的土体中，目前，由于受到测试手段以及桩-土作用本身的复杂性，支盘桩抗拔机理的理论研究还不够完善。因此需要研究人员进行更加深入的研究，利用有限元分析软件ABAQUS对竖向荷载作用下支盘桩的抗拔承载特性进行分析，为双支盘的设计提供一定指导意义[4-6]。

2 计算模型

桩长设为5 m，桩径为0.2 m，设置两个支盘，盘径为0.4 m，支盘高度为0.3 m，上支盘距桩顶1 m,下支盘距上支盘分别为1D，2D，3D，桩周土体为8 m。

本文采用ABAQUS有限元程序建模(见图1)，桩土模型均为轴对称四边形单元CAX4R，采用线弹性模型定义土体的弹性部分，摩尔库仑模型适用性较强，较为适合土体这种材料。故塑性部分则由摩尔库仑模型定义，桩体采用线弹性模型，由于摩尔库仑模型中黏聚力不可为0，土体采用砂土取较小值0.1 kPa，主要采用结构化网格划分，在第1个分析步中进行初始地应力平衡，考虑到轴对称性，采用轴对称模型进行分析。

桩土材料参数:桩身为线弹性材料，弹性模量28 000 MPa，泊松比为0.2，密度为2 400 kg/m3;土体密度为1 600 kg/m3，弹性模量50 MPa，泊松比0.25，剪胀角为36°，膨胀角为30°，黏聚力c=0.1 kPa，不考虑土的剪胀性，桩土间摩擦系数取0.726。

3 试验结果分析

3.1 荷载位移曲线及位移场分析

图2为不同盘间距双支盘桩承载力-位移关系图。

根据建筑桩基技术规范中支盘桩极限承载力的确定方法，结合模型承载力-位移荷载曲线可以判断出间距为1D，2D，3D，4D的支盘桩抗拔承载力为3 935 N，4 111 N，4 229 N，4 293 N，双支盘桩承力盘处于相同状态土层中，上支盘首先发挥作用带动土体，下支盘随后发挥功效，因此上下承力盘间距不同会直接影响支盘桩的承载性能，从图中可以看出荷载位移曲线可以分为三个阶段，在初始阶段，上支盘桩对承载性能起主要作用，四种支盘桩上支盘位置相同对应图中四种盘间距支盘桩在第一阶段承载力变化趋势几乎重合，由于间距为1D的双支盘距离较小，因此两个承力盘很快形成一个整体。初始阶段间距为1D的支盘桩承载力反而最大，第二阶段随着时间的增加，盘间距较大的下支盘也开始发挥功效,由于时间较短盘间距较大的支盘桩下支盘未充分发挥作用，此时盘径为2D的支盘桩承载力最大，第三阶段随着时间增长，间距为3D及以上的双支盘桩下支盘开始完全发挥作用，此时盘径为4D的支盘桩承载力最大，从图中可以看出增大承力盘间距可以增加支盘桩的承载力，由于上支盘固定的情况下，上下支盘的间距增大，盘间土体的应力叠加效应发生减弱，间距足够大的时候，上下支盘开始独立发挥作用，盘间距由3D增到为4D时承载力增长趋势放缓，存在临界盘间距，当上下支盘开始独立工作后，增大盘间距双支盘桩承载力增加变缓，同时从图中可以看出双支盘承载力的发挥与时间效应有关，由于支盘间距不同，盘间距较小时，下支盘可以更快地发挥作用，在实际工程中不仅要考虑桩体的承载性能也需要考虑桩体的位移变形，当盘间距大于3D时，承载力增长幅度明显变缓[7-9]。

3.2 峰值荷载下锚板的位移场

图3～图6分别为盘间距1D，2D,3D,4D位移场图。从图中可以看出双支盘在土体中的位移云图沿着支盘桩两侧对称分布，支盘处的位移值明显增大，承力盘土体产生压缩，在盘间距为1D时上下承力盘由于高度叠加，形成一个整体，盘间土体以整体的形式向上移动，位移场从下承力盘倾斜延伸到土体表面，位移场的形状与单支盘状形状类似，在盘间距为2D时由于盘间距增大，盘间距土体存在一定程度叠加，极限抗拔承载力时刻，以上支盘为主，下支盘刚开始发挥作用，两盘之间位移场仍存在一定程度叠加，在盘间距为3D，4D时刻，由于盘间距增大，上下承力盘开始独立发挥作用，盘间土体无影响，由于4D时下盘与桩端距离较近，下承力盘位移场与桩端处叠加，说明当下支盘设置接近桩端一定程度时会与桩端共同发挥作用。由于支盘的存在，可以将桩顶荷载分散到更大的土体中由于盘径为3D的时候，上下支盘已经开始独立发挥作用，说明存在一个最佳的盘间距，在实际工程中不可盲目增加上下支盘间距，避免造成材料浪费。

3.3 峰值荷载下锚板的应力场

通过对应力场进行分析来增强对双支盘桩的土体破坏机理认识，图7～图10分别为盘间距1D，2D,3D,4D应力场图。从图中的应力场可以看出，桩周土体剪切带沿着桩身对称分布，剪应力值由桩身向两侧逐渐减小，表现为渐进破坏，盘间距对于双支盘桩桩周土体变形具有显著影响，盘间距越大，叠加现象越不明显，下支盘的侧鼓现象越突出，应力场形状类似于拱形，为深埋破坏特征。应力值集中于下支盘处，产生现象原因是由于上下支盘具有“时间效应”，支盘桩极限承载力状态时，下支盘开始发挥作用，由于下支盘埋深较大，在相同土层中相对于上支盘来说，对桩周土体的影响更大，盘间距为3D时，上下支盘独立发挥作用，支盘桩显著承载力提高，盘间距为4D时下支盘与桩端形成整体，通过应力场还可以看出盘间距增大后，上下支盘的相互扰动减小，桩侧摩阻力增大，进一步提高承载力。

4 结语

1)存在临界盘间距，达到临界盘间距之前，盘间距较小时，下支盘承载力无法完全发挥，双支盘桩的承载性能随着支盘间距增加而变大；临界盘间距之后，上下盘开始独立发挥作用，再增大盘间距，双支盘承载性能增加幅度变缓。

2)研究发现双支盘桩上下承力盘发挥承载力的时间效应与盘距有着密切的关系，位移变形较小时盘间距较小的支盘桩承载性能更好，位移变形较大时盘间距较大的支盘桩承载性能更好，实际工程中不仅需要考虑桩基承载力还要考虑位移变形，因此需要合理设置盘间距。

3)超过一定盘间距后，下支盘与桩端形成整体，通过应力场还可以看出盘间距增大后，上下支盘的相互扰动减低，上下支盘间土体剪切力增大，桩侧摩阻力增大，进一步提高承载力。