旋擴珠盤樁受力機理有限差分分析

郭紅英

(河南城建學院 建筑工程管理系，河南 平頂山 467044)

隨著巖土工程技術的不斷發展，樁基技術日趨成熟。在市場經濟體制下，建筑工程向著質量高、進度快、造價低等方面提出了更高的要求，樁基技術人員先后設計出結點樁、擴底樁、多級擴徑樁等，以提高樁的承載力滿足各種工程建設的需要。而旋擴珠盤樁是蕭守讓先生在多年樁基基礎實踐中總結發明的一種新型樁基形式。它的誕生給樁基工程帶來了新的生命力，也為樁基技術的發展注入了新的活力［1-3］。

旋擴珠盤樁施工工藝和受力機理不同于原有的普通等截面灌注樁，而是介于摩擦樁和端承樁之間的變截面樁型。因為承力盤的存在提高了樁端阻力，從而使樁承載力大幅度增加。也使得單樁的受力機理和荷載傳遞變得復雜，同時也給實測工程數據帶來了一定的難度，設計時對單樁承載力的估算，目前還需更進一步的分析確定，因此對旋擴珠盤樁的受力機理和荷載傳遞特性進行分析研究就顯得尤為必要，并且具有十分積極的意義［4-10］。

本文以洛陽某工程為背景，采用有限差分方法，對旋擴珠盤樁的受力機理進行了力學分析，為該類樁型在更大范圍內推廣提供一定的理論依據。

1 樁的模型建立和基本假定

本次數值模擬計算采用了實測資料數據，樁長14 m，沿樁身共設置3個承力盤，盤徑1.2 m，樁徑0.4 m，尺寸見圖1。樁體四周按10 m計算，樁端以下延伸16 m;模型的坐標軸原點位于樁頂，Z軸平行于軸線，方向向上。模型的頂部，z=0，是一個自由面;計算域為20 m×20 m×30 m，模型的豎向邊界在兩個水平方向設有約束，底邊界在一個垂直方向和兩個水平方向設有約束。樁和土之間用命令INTERFACE來定義接觸面，接觸面上允許滑動或者分離，按靜載試驗時用的荷載逐級加載，建立的數值分析模型見圖2。

圖1 樁的幾何尺寸(單位:mm)

圖2 樁體有限差分網格

在建模的過程中作了如下的基本假定:

1)單樁按空間軸對稱問題進行分析，過樁軸線的一個垂直面是對稱面;

2)樁體采用線彈性材料，土層為勻質體，土體為彈塑性材料，服從摩爾—庫侖屈服準則;

3)整個數值模擬不考慮地下水影響。

土體參數及樁體參數見表1、表2。

表1 土體的模型參數

表2 樁的模型參數

2 模擬過程簡述

整個過程是運用有限差分軟件FLAC3D針對旋擴珠盤樁與土的相互作用進行的數值模擬。模型根據君臨廣場現場實際樁型進行設計，并建立有限差分FLAC3D模型，網格劃分如圖3所示。

圖3 樁土有限差分網格

在樁設置之前，模型首先在重力作用下達到應力平衡狀態。然后，模型在設置樁之后達到新的平衡狀態，這是通過將樁所在位置處的土性質改變為混凝土的性質來模擬樁的設置。

3 結果分析

3.1 荷載—沉降分析

將試樁363#，476#的試驗結果與數值模擬結果共同繪成Q—s曲線(圖4)。由圖4可看出，隨著荷載的增加樁頂沉降也相應變大，在荷載＜1 750 kN前，樁頂沉降隨荷載呈線性增加，表現在Q—s曲線上為一條以一定斜率增加的直線段。模擬樁的Q—s曲線與實測Q—s曲線兩者在樁頂荷載2 500 kN之前基本重合，說明用有限差分軟件Flac模擬旋擴珠盤樁是比較可靠的。

圖4 Q—s曲線

因為旋擴珠盤樁的Q—s曲線為“漸進破壞”的緩變型，無明顯拐點，此時樁的極限承載力主要由樁頂最大沉降量來控制，一般為40～60 mm。旋擴珠盤樁Q—s曲線沒有明顯的比例界限點也無明顯的陡降段。這是因為樁側摩阻力與各盤端承載力在樁的受荷過程中，按變形協調原理在變化中交替發揮作用，使各盤下被壓密的持力層土體沉降變形減小。

3.2 位移場分析

圖5、圖6給出了樁頂荷載為2 500 kN時旋擴珠盤樁樁周土體和樁體位移圖。

圖5 樁周土體位移(單位:m)

圖6 樁體位移(單位:m)

圖5、圖6顯示樁周土體和樁體的豎向位移均是向下的。由圖5可知，樁周土體豎向沉降是由樁周邊向外逐漸減小，如樁周邊豎向沉降為0.012 m，樁周較遠處土體豎向沉降為0.004 m。在較遠處隨著土體深度的增加，豎向沉降減小。這和常規直樁土體沉降相似。

從圖6可見，位移最大值出現在樁頂位置，沿樁身從上向下位移逐漸減小，樁頂 z=0處位移值為-11.55 mm，沿樁身向下 8 m處位移值為 -10.75 mm，樁端處為-11.05 mm。樁頂位移大于樁端位移表明樁體本身也產生了材料壓縮。從各承力盤上的豎向位移看，第一盤即上盤位移最大，中盤次之，下盤最小。

樁基靜載荷試驗在2 500 kN豎向荷載下實測試樁363#，476#的最大沉降量分別為11.50 mm和11.07 mm，數值模擬樁最大沉降量為11.55 mm，可見旋擴珠盤樁的數值模擬結果與實測值較接近，能夠較為真實地反映單樁在豎向荷載作用下位移場的分布規律 。

圖7給出了旋擴珠盤樁中盤上下土體X方向的位移等值線圖。由圖7可見，在樁頂豎向荷載作用下，中間承力盤上下土體的X方向位移呈對稱形狀，盤上土體較盤下土體側向位移小，X方向最大位移發生在盤端斜下方土體中，位移值為0.298 mm，可見位移值很小。由于承力盤上斜面的樁體豎向位移大于土體位移，致使樁土相互脫離，形成空隙。同時，斜面上脫開的土體起著拱的作用，從而導致土體產生橫向位移。如果空隙過大，則承力盤斜上方土體就有塌落到空隙中的可能。圖中顯示未發生土體塌落現象。

圖7 中盤X方向位移等值線

4 結論

數值模擬結果同試驗結果相比有一點誤差。這是由于數值模擬中采用了一些不完全符合實際情況的基本假設;數值模擬中劃分單元較大，內密外疏。模擬結果同試驗結果雖有些差值，但總體來說吻合較好，能真實地反映旋擴珠盤樁受力性能，以及不同荷載情況下樁體沉降和承力盤盤周土體的位移情況，是工程試樁靜載荷試驗的一個有益補充。數值分析結果表明，采用有限差分法來數值模擬樁土共同作用是切實可行的。

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