相鄰下層土厚度對混凝土擴盤樁破壞狀態分析★

錢永梅 王紹宇 王若竹

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118； 2.吉林省結構與抗震科技創新中心，吉林 長春 130118)

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·巖土工程·地基基礎·

相鄰下層土厚度對混凝土擴盤樁破壞狀態分析★

錢永梅1,2王紹宇1王若竹1

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118； 2.吉林省結構與抗震科技創新中心，吉林 長春 130118)

運用ANSYS軟件建立有限元分析模型,將混凝土擴盤樁設置于不同性狀土層中，在豎向壓力作用下，通過改變承力盤盤下相鄰粘土層的厚度，分析樁周土的破壞狀態及混凝土擴盤樁抗壓受力性能變化規律，確定承力盤盤下相鄰粘土層的厚度對混凝土擴盤樁的影響，以進一步完善混凝土擴盤樁受壓承載力計算模式，為該型樁設計提供可靠的理論依據。

混凝土擴盤樁，豎向壓力，土層厚度，破壞狀態，承載力

0 引言

目前進行的混凝土擴盤樁的理論研究中，多數分析模型考慮在單一土層中建立[1]。但在實際工程中，由于地質條件復雜，混凝土擴盤樁全樁經常處于不同性狀土層中，在豎向壓力作用下，當承力盤所在土層厚度一定的情況下，其下相鄰土層厚度的變化勢必會影響承力盤所在土層的破壞狀態及樁盤受力性能。本文主要通過研究不同性狀土層中混凝土擴盤樁盤下相鄰土層為粘土時，其厚度變化對混凝土擴盤樁抗壓受力性能及樁周土破壞狀態的影響，以便進一步完善混凝土擴盤樁抗壓承載力計算理論，并為實際工程中混凝土擴盤樁的設計提供較好的理論基礎。

1 分析模型的建立

本文通過ANSYS軟件進行有限元分析。為了使分析模型更加符合實際情況，保證分析結論的可靠性，對分析模型的材料屬性及模型尺寸進行了合理的選取[2]。

1.1 材料屬性的確定

實際工程中樁身從樁頂到樁端位于不同性狀土層的組合土層中，本論文模型建立時為了符合實際情況，設置了粉土、粉質粘土、粘土等幾個土層，由于主要研究盤下相鄰土層粘土厚度不同時的情況，因此承力盤所在土層及上層土層基本保持固定。根據實際工程的勘測報告和文獻資料給出的不同性狀土層的物理力學性能指標，ANSYS建模中運用的各土層和樁身混凝土的物理力學性能指標如表1所示。

表1 不同土層及樁身混凝土的物理力學性能指標

1.2 模型尺寸規格

樁是中心對稱結構，為了更直觀地觀察半樁面內側樁土位移云圖、應力云圖等圖像，該研究的模型采用了半樁模型。為了滿足樁周土體的條件，根據實際工程樁的常用參數，以及課題組之前研究的成果，本文建立的抗壓樁模型尺寸選取為：混凝土樁身長6 000 m，樁直徑500 mm，承力盤直徑1 200 mm，承力盤盤高500 mm，盤坡角為36°。周圍土體模型采用多層圖，同一模型土層包含粉土、粉質粘土、粘土。承力盤置于粉質粘土中，粉質粘土厚度一定，為2 500 mm；承力盤盤上相鄰土層粉土厚度一定，為2 000 mm；承力盤盤下相鄰土層粘土厚度分別為1 500 mm加1倍盤高(500 mm)、2倍盤高(1 000 mm)、3倍盤高(1 500 mm)、4倍盤高(2 000 mm)，即樁端以上1 500 mm樁身完全埋置在粘土中，樁段以下預留粘土土層厚度分別為1倍盤高、2倍盤高、3倍盤高、4倍盤高，樁周圍土體范圍要滿足樁及承力盤受力時的土體的影響范圍，取3 000 mm，滿足要求。承力盤盤下相鄰土體厚度不同時建立的模型尺寸簡圖如圖1所示。

1.3 抗壓時土層厚度不同的模型

根據前面的規定條件，建立4個不同的分析模型，并進行模型的單元格劃分，由于模型較大，為了計算方便，故在承力盤所在范圍單元格劃分比較小，其他范圍單元格劃分稍微大一些，由于是抗壓受力分析，為了保證和實際情況相符，承力盤上表面，樁土結合處，設置1 mm縫，保證受力后承力盤上表面與土體分離[3]。

具體單元劃分如圖2所示。

2 模擬計算結果分析

2.1 位移結果分析

通過ANSYS模型計算時，對土層厚度不同的模型進行加載分析，采用面荷載加載，將面荷載均勻加在半截面樁樁頂半圓面上。荷載200 kN開始加載(換算成面荷載1 000 kN/m2)，按200 kN(面荷載1 000 kN/m2)逐級遞增加載。本文選取ANSYS分析結果時，分別取各模型第7步(加載到1 400 kN)時的位移云圖進行分析，如圖3所示。

從ANSYS模型分析結果中分析樁上某一固定點在不同荷載作用下，樁豎向位移隨著荷載的遞增而變化的規律。提取的樁上某一點在不同荷載作用下的豎向位移數據繪制的位移—荷載變化的曲線如圖4所示。

從圖4曲線中可以看出，在豎向壓力作用下，模型中樁的位移都隨著荷載的遞增逐漸增大；在同一荷載作用下隨著盤下相鄰土體厚度的增加，從NT1到NT4的位移逐漸減小，NT3與NT4相同荷載作用下位移相差不大，且位移變化速率在不同荷載作用下基本相同，而NT2，NT3之間，NT1，NT2之間的變化逐漸變大，即位移變化速率逐漸增大，說明在盤下相鄰土層厚度為3倍～4倍盤高時，單樁承載力較高且相差不大，因此可以得出盤下相鄰土層厚度超過2倍盤高時，對承載力影響較小，較為合理。

2.2 應力應變結果分析

從ANSYS模擬結果中得出的在相同荷載作用下各種模型樁樁身及樁周土的剪切應力的變化如圖5，圖6所示。

從圖5中可以看出，在豎向壓力作用下，不同模型樁身的剪切應力都在承力盤處最大，且從NT1到NT4，承力盤處的剪切應力幾乎不隨著盤下土體厚度的增加而變化，只有NT1在承力盤端處的承載力略大，NT2～NT4無明顯區別，說明盤下相鄰土層厚度變化對樁身剪切應力的影響不大。

從圖6可知，在豎向壓力作用下，隨盤下相鄰土層厚度的增加樁周土的剪切應力變化不大(除盤上相鄰土層有逐漸減小趨勢)，樁端即盤下相鄰土層與盤所在土層的兩種土層交接處剪切應力發生突變。說明盤下相鄰土層厚度變化對樁周土體剪切應力的影響不大，僅對樁端以下土體產生影響，主要因為土體總厚度不同。

另外，從模型計算結果形成的其他應力應變云圖分析中可以得出[4]：模型中隨著盤下相鄰土體厚度的增加，從NT1到NT2Z向應力增加，從NT2到NT4Z向應力逐漸減小，說明相鄰土層厚度小于2倍盤高時對樁承載力影響較大，超過3倍盤高時對樁承載力影響越來越小。模型中Z方向總應變，在樁端最大，且隨著盤下相鄰土體厚度的增加，從NT1到NT2Z向總應變增加，從NT2到NT4Z方向總應變最大值逐漸減小[2，4]，說明相同荷載作用下，相鄰土層厚度小于2倍盤高時對樁周土體的破壞狀態影響較大；盤下土體的Z方向總應變比盤上明顯。模型中Z方向彈性

應變，在承力盤以下土體比盤上土體的彈性應變小；隨著盤下相鄰土體厚度的增加，從NT1到NT2 彈性應變增加，從NT2到NT4彈性應變逐漸減小，兩種土層交接處彈性應變發生突變，NT3～NT4時盤下彈性應變云圖發展完全，NT1～NT2時發展不完全。

3 結語

通過本文的研究得出，在豎向壓力作用下，當盤下土層為粘土時，隨著盤下土體厚度的增加，樁身及樁周土體的剪切應力幾乎不受盤下相鄰土層厚度影響；根據樁周土的位移、Z向應力、總應變、彈性應變等參數的變化結果可以得出：盤下相鄰土體厚度小于2倍盤高時，滑移破壞線在兩種土層交接處發生改變；相鄰土層厚度超過2倍盤高時，能滿足基本承載力要求；盤下相鄰土體厚度為2倍～3倍盤高時，滑移破壞曲線比較完整，因此，設計中應盡量保證盤下相鄰土層具有一定的厚度，以保證破壞狀態比較穩定。

[1] 錢永梅，尹新生，鐘春玲，等.擠擴多盤樁的土體極限承載力研究[J].哈爾濱工業大學學報，2005(4):568-570.

[2] 陳 輪，常冬冬，李廣信.DX樁單樁承載力的有限元分析[J].工程力學,2002，19(6):67-70.

[3] 錢永梅，尹新生，王若竹.擠擴多盤樁樁土效應的計算機模擬分析[J].巖土工程界,2009,12(9):67-70.

[4] 劉曉龍.擠擴多盤樁樁盤相鄰土層對破壞狀態及承載力影響的研究[D].長春：吉林建筑大學，2015:6.

Analysis on thickness of adjacent soil layer for the failure behavior of concrete plates-expanded pile★

Qian Yongmei1,2Wang Shaoyu1Wang Ruozhu1

(1.JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China; 2.JilinInnovationCenterforStructureandScismicScienceandTechnology,Changchun130118,China)

In this paper, the concrete plates-expanded pile will be set in soil layer with the various performance in the finite element analysis model established by ANSYS software. Under the vertical compression, through changing the thickness of adjacent soil layer under bearing plate, it is analyzed that failure behavior of soil surrounding the pile and the stress variety under compression of the concrete plates-expanded pile, determine the thickness of adjacent soil layer under bearing plate affecting for the concrete plates-expanded pile. To further improve calculation model on compression bearing capacity of the concrete plates-expanded pile, and provide a reliable theoretical basis on design for this type of pile.

the concrete plates-expanded pile, vertical compression, thickness of soil layer, failure behavior, bearing capacity

1009-6825(2016)11-0049-03

2016-01-28

★：國家自然科學基金項目(項目編號：51278224)；吉林省教育廳“十三五”科研項目(吉教科合字[2016]第151號)

錢永梅(1970- )，女，教授； 王紹宇(1992- )，男，在讀碩士； 王若竹(1971- )，男，教授

TU435

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