超長支盤樁承載性能影響因素有限元分析

文/謝志杰、范孟華 河南大學土木建筑學院 河南開封 475004

超長支盤樁承載性能影響因素有限元分析

文/謝志杰、范孟華 河南大學土木建筑學院 河南開封 475004

利用有限元，通過改變不同因素的參數，研究了對受壓超長支盤單樁承載性能的影響。

超長支盤樁；承載性能；影響因素；有限元分析

1、引言

支盤樁以普通樁為基礎，充分利用較好土層設置承力盤，在支盤處擴大單樁局部截面，對土體進行擠密，大幅度提高單樁承載性能，在工程中廣泛應用。[1]

超長樁有較高承載性能和較小樁頂沉降，近年來在高層建筑中得到廣泛應用，而將支盤用于超長樁從而提高基礎的承載性能較少，也缺乏相關的研究；超長樁與普通樁在承載機理上差別較大。[2]

本文利用有限元，改變樁身因素、土體參數和地下水位等參數，對超長支盤單樁承載性能影響進行研究。

2、有限元計算模型及參數選取

采用軸對稱幾何模型建模，樁和土體均采用15節點三角形單元，樁土界面上設置界面單元來模擬樁土的相互作用。[3]

2.1土體

采用Mohr-Coulomb非線性模型，土體自重應力場的形成采用自重加載方案，并將自重加載工序的計算位移設為0。土體計算范圍取半徑60m，深度100m。主要參數如表1。

表1 土體性能參數

2.2樁

樁身材料由混凝土澆筑制成，其變形遠小于土體，在荷載作用下基本處于彈性狀態，故采用線彈性模型。

表2 樁體力學參數

2.3加載方式

僅考慮豎向荷載作用下樁軸向受力，施加豎向荷載時，采用分級加載。

3、超長多支盤樁承載性能影響因素的有限元模擬

3.1樁身因素的影響

（1）支盤數影響

分別對樁長60m的2盤樁（分別在地下10、40m）、4盤樁（分別在地下10、20、30、40m）、6盤樁（分別在地下5、10、20、30、40、50m）和7盤樁（分別在地下5、10、20、30、40、50、55m）加壓，得出Q-s曲線如圖所示。

當樁身由 2 支盤增加到 6 支盤時,承載力提高了將近 50%,但當 支盤數從 6 增加到 7 時,樁的 Q-s 曲線十分接近承載力幾乎不再增加。因此隨著支盤數量的增加,樁的承載力明顯增加,但當支盤增加到一 定數量時,承載力的增長幅度減小,可見支盤數量并不是越多越好, 過多設置支盤會降低支盤樁的經濟性,同時會導致施工困難、施工速 度慢等問題。

(2)盤徑影響 為方便研究,建立單支盤樁進行模擬,支盤中心位于地下 24m 處,

盤形狀為圓形,分別取承力盤直徑 D=2m、2.4m、3m 計算,Q-s 曲線 如下圖。

支盤直徑由 2m 增加到 2.6m 時,樁極限承載力明顯提高,但繼續 提高當支盤直徑到 3 倍主樁直徑時,承載力的增長幅度不大,這是因 為此時支盤樁達到極限承載力所需的沉降較大,一般都會超過正常使 用狀態下的控制的沉降量,過大的支盤直徑對提高支盤樁極限承載力 的意義不大,故盤徑應該控制在 2-3 倍樁身直徑范圍。 (3)盤間距影響取 2 盤樁進行研究,并將上盤固定在樁頂 5m 處,下盤分別設置 在 10m、20m、30m、40m 處,得到樁身軸力分布圖如圖。

盤間距不同時,距樁頂 5m 以上和 40m 以下的樁身軸力差別不大, 兩支盤間的樁身軸力差別較大。兩支盤間樁身減小的軸力,由支盤間 的土體所分擔,當盤間距較小時,在未達到極限承載力時,容易引起 盤間土體破壞,因此,超長支盤樁在設置多個支盤時,應該適當增加 支盤間的間距,防止支盤間土體的提前破壞,進而影響整個支盤樁的 承載能力。

(4)樁身模量影響

取單支盤樁研究,支盤位于地下 24m 處,樁身模量分別為 23GPa、30GPa、40GPa。

當樁身模量增加時,在實際工程中,都會引起樁的承載能力的增 加,當樁身模量增加到一定程度時,超長支盤樁的承載能力增長速度 會相對減慢,圖中當樁身模量由 30GPa 增加到40GPa 時承載能力提高 明顯低于由 23GPa 增加到 30GPa 時的增加。

3.2 土體參數及地下水位的影響

樁身設兩個承力盤,上盤距樁頂 10m,下盤距樁頂 40m 處,樁周土體均勻。

(1)土的壓縮模量的影響隨著土體壓縮模量的增大,樁身的沉降有所減小,沉降曲線變得越來越平緩,即提高土體的壓縮模量對減小樁的沉降作用越來越小, 故提高土體的壓縮模量對樁的承載性能有所提高,但是作用不是十分 明顯。

(2)土內摩擦角的影響

由圖中可以看出,內摩擦角越大,樁的承載性能就越大,對應的土體沉降就越小,這是因為土體內摩擦角增大導致土的變形模量增 大,從而由荷載引起的應變變小,故而土體沉降量變小。

(3)泊松比的影響

土體泊松比增大時,樁身沉降量隨著變小,當泊松比為 0.4 時, 樁的沉降量明顯減小,樁承載能力明顯提高,這是因為當泊松比較大 時,樁周土體避免了出現較強的塑性,能夠更多的分擔樁頂的荷載。 因此在泊松比小的土體中,應注意樁周土體出現塑性而引起的樁身沉 降。

(4)地下水位的影響

由圖中可以看出,地下水位加深時,樁的沉降明顯減小,承載能 力明顯提高,這是因為地下水位越深,產生的水壓就越小,對樁產生 的影響就越小。

4結論

本文采用有限元方法進行超長支盤樁的承載性狀模擬,分析了超 長樁在不同因素下承載性能的變化,得出了如下結論。

(1)增加樁身支盤數和支盤盤徑時,超長支盤樁承載力明顯提 高,但當達到一定限度時,增長幅度變緩,因此樁身支盤數和盤徑應 控制在合理范圍內;

(2)支盤間樁身軸力減小部分由周圍土體承擔,為避免樁體在 未達到極限承載力時引起盤間土體破壞,設置多個支盤時,應適當增 加支盤間的間距;

(3)隨樁體彈性模量和土體壓縮模量的增加,單樁承載力得到 提高,在土層條件和施工方法一定時,樁土彈性模量存在最佳值;

(4)土體內摩擦角、泊松比越大,樁的抗壓承載力越大,但是 增長的速度較慢;地下水位越深,支盤樁的承載力越高。 參考文獻: [1]姚凱駿.擠擴支盤樁在軟土地基中的引用[J].工程技術, 2009[15];54-56. [2]白偉亮.支盤應用于超長樁的有限元分析[J].工程質量, 2015[3];58-60. [3]范孟華.支盤樁承載性能的有限元分析[J].山西建筑, 2012[35];647-649.

Using the finite element , this paper analyzes the effect factors of the bearing force performance of super-long single pile with plates by changing the parameters of different factors.

s u p e r-l o n g p i l e with plates;bearing behavior;effect factors;FEA