盤數量對混凝土擴盤樁承載力影響有限元分析★

錢永梅 王希慧

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

盤數量對混凝土擴盤樁承載力影響有限元分析★

錢永梅 王希慧

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

通過ANSYS軟件利用有限元法原理建立了分析模型，得到了相同荷載不同盤數量情況下的樁及樁周土的位移曲線和在不同盤數量的情況下樁頂最大豎向位移隨荷載變化曲線，定性地分析了擴大盤數量距對混凝土擴盤樁抗壓承載力的影響，從而使混凝土擴盤樁在設計和承載力計算方面更加完善。

混凝土擴盤樁，有限元法，單樁承載力

1 概述

混凝土擴盤樁是一種新型樁，和普通直樁相比有著較高的承載力，有著非常大的潛在的推廣價值。混凝土擴盤樁單樁承載力的影響因素是多方面的，受力情況也比普通樁復雜。單純從盤的角度來講，主要因素有：承力擴大盤的直徑、高度、位置、間距及數量等，對于這些因素來講定量的分析是比較困難的，定性的分析相對比較容易些[1]。從混凝土擴盤樁單樁承載力研究中可以看出，擴大盤數量對混凝土單樁承載力有較大影響。

作為重要的影響因素之一，本文通過建立混凝土擴盤樁有限元模型，對承力擴大盤數量對單樁承載力的影響進行了理論分析，并且定性地提出了實際工程中承力擴大盤數量的合理取值范圍，以使在混凝土擴盤樁設計以及單樁承載力計算中給予其充分的考慮。

2 承力擴大盤數量對單樁承載力的影響

混凝土擴盤樁的單樁承載力主要由三部分組成：樁側摩阻力、樁端阻力、盤端承力[2]。顯然，在樁長一定的情況下，盤數量越多，盤端阻力越大，單樁承載力越高。但隨著盤數量的增加，也會隨之帶來一些問題，盤數量越多，相應的成本增加，施工難度加大。前期的試驗研究表明，摩阻力沿樁身方向的分配隨著樁土共同作用狀態的不同而變化。由于本文主要研究盤數量的影響，為了使樁側摩阻力和擴大盤的端承作用得到充分發揮，盤間距設定為合理盤間距，只改變盤數量，這樣使每個盤都能充分發揮端承作用。以下通過采用有限元分析的方法，模擬擴大盤數量對單樁承載力的影響。

3 有限元模型的建立

有限元計算模型的建立采用8節點的空間單元。樁、樁周土單元劃分及樁土結合面節點進行與實際受力情況相符的局部細化處理[3]。為了便于計算模型的比較分析，模型的構筑遵循如下的原則：

1)樁混凝土采用C30(密度2.5×10-5N/mm3，彈性模量E=3×104N/mm2，泊松比μ=0.2)，樁周土設為工程中常見的粘性(密度1.9×10-5N/mm3，彈性模量E=25 N/mm2，泊松比μ=0.35)。

2)由于主要研究承力擴大盤數量對單樁承載力的影響，因此在計算模型中，一個固定設置在樁身上部，距樁頂1 500 mm，按照合理盤間距依次增加盤數量。

3)計算模型中，為了盡量避免邊界約束條件對土的影響，樁周土直徑的取值應大于抗壓盤樁對樁周土的影響范圍，取8 m，樁端以下取5 m。

4)按上述原則建立5個計算模型，主樁直徑d=500 mm，樁長L=8 000 mm，擴大盤直徑為D=1 500 mm，承力擴大盤形式為普通的雙坡型，計算模型見圖1，L為樁長，d為樁徑，D為盤徑，h為盤高，R為盤延伸長度，s為盤間凈距，此處取合理盤間距4R(2 000 mm)。

模型及盤數量編號統計如表1所示。

表1 模型編號及盤數表

4 計算結果分析

4.1 位移結果分析

根據雙盤混凝土擴盤樁的抗壓承載力計算公式[4]：

可大體計算出每個單樁極限抗壓承載力，模型加載時按面荷載加載，每級按大約100kN遞增[4]。最后計算完成后,分別提取各個模型大約加載到1 500kN時的豎向位移云圖進行分析。0～4盤數量對應的豎向位移云圖分別為CPN0，CPN1，CPN2，CPN3，CPN4，圖2給出CPN1，CPN2和CPN3的豎向位移云圖，并將相同荷載作用下各個模型的最大位移量繪制成圖3。

從圖2中可以看出，當施加的力即將達到樁的極限承載力時，樁土發生分離并達到或接近達到最大位移[5]。從圖3中可以看出，在相同荷載作用下，隨著盤數量的增加，樁土模型產生的位移逐漸減小，從CPN0至CPN1，位移曲線產生突變，可以看出由于承力盤的存在，大大減小了樁頂位移。從曲線變化趨勢可以看出，隨著盤數量的增加位移曲線逐漸趨于平緩，表明盤數量增加到一定數量后，盤數量的增加對位移的貢獻逐漸減小，也就對單樁承載力的貢獻減小。

由以上分析可知，盤數量越多，單樁承載力越高，但是并不是盤數量越多越好，從變化趨勢可以看出，在不考慮土層性狀等因素的情況下，盤數量取1個～3個最為合理[6]。

4.2 位移荷載曲線分析

從ANSYS后處理器中提取CPN0～CPN4模型每加載100kN后的隨荷載變化的最大豎向位移數值，通過整理，繪制豎向位移隨荷載的變化曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，各個模型的豎向位移隨荷載變化規律基本一致，隨著荷載的逐漸增大而增大。前期荷載比較小時，位移曲線十分接近，幾乎重合，說明盤數量對樁承載力的貢獻不明顯，后期荷載較大時，不同盤數量的豎向位移差值逐漸增大，盤數量對單樁承載力的貢獻體現較充分。對照不同盤數量對應的曲線的曲率，可以看出盤數量越多，曲線越平緩，說明盤數量對單樁抗壓承載力的貢獻越小，如果繼續增加盤數量，既不利于節約成本，又增加施工難度。

5 結語

承力擴大盤的數量是混凝土擴盤樁設計中的一個重要參數，對混凝土擴盤樁的抗壓承載力有顯著影響，合理的盤數量對混凝土擴盤樁的設計是十分重要的。

1)從以上分析可知，要使混凝土擴盤樁具有足夠的抗壓承載力，一定要設置合理的盤數量，在不考慮土層性狀等因素的條件下，取1個～3個盤最為合理，既保證足夠的承載力，又節約成本，大大降低施工難度。

2)對于上部荷載比較大的樁基工程，宜采用混凝土擴盤樁，在荷載較大的情況下，擴大盤數量的增加對提高單樁承載力的貢獻越明顯，經濟效益越高。

[1] 錢永梅.影響擠擴多盤樁土體極限承載力的因素研究[J].吉林建筑工程學院學報,2004,21(2):14-16.

[2] 錢永梅.擠擴多盤樁承力擴大盤位置對單樁承載力影響分析[J].吉林建筑工程學院學報,2010,27(3):1-3.

[3] 錢永梅.有限元法分析擠擴多盤樁的計算模型的構筑[J].吉林建筑工程學院學報,2004,21(1):16-18.

[4] 謝新穎.擠擴多盤樁極限承載力及樁—土間剪應力和位移關系研究[D].長春：吉林大學,2011.

[5] 錢永梅，尹新生，王若竹.擠擴多盤樁土體極限承載力研究[J].哈爾濱工業大學學報，2005,37(4):568-570.

[6] 牟 楠.擠擴多盤樁承力盤參數對單樁抗拔承載力影響的研究[D].長春：吉林建筑大學碩士論文，2014:26-30.

Analyzing about the number of the bearing plate affecting the bearing capability of the concrete plates-expanded pile★

Qian Yongmei Wang Xihui

(CollegeofEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China)

The paper establishes analysis model according to finite element method on the basis of ANSYS software, obtains pile and pile surrounding soil displacement curve under same load and different plate quantity and maximum vertical displacement and load curve of top pile under different plate quantity, and qualitatively analyzes the impact of expanded-plate quantity spacing upon concrete plates-expanded pile bearing quantity, so as to better improve concrete plates-expanded pile design and bearing capacity calculation.

concrete plates-expanded pile, finite element method, single pile bearing capacity

2015-05-24★：國家自然科學基金項目(項目編號：51278224)

錢永梅(1970- )，女，教授； 王希慧(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)22-0059-03

TU473.11

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