擠擴支盤樁豎向承載性能及影響因素研究

陳嘉偉，楊耀生

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

0 前 言

支盤樁作為一種新型的變截面樁，通過液壓擠擴設備將樁周土體擠擴成盤，形成了樁和承力盤共同作用下的摩擦端承樁。在其上部施加的豎向荷載，通過樁側、承力盤和樁端共同承擔，使得支盤樁相比等直徑樁具有承載力高、沉降量小等一系列優點[1-3]，在實際工程中已經得到廣泛的應用。但目前對于擠擴支盤單樁受豎向荷載作用下的荷載傳遞機理和承載變形特性研究較少，由于采用現場靜載試驗研究擠擴支盤樁承載性能成本偏高且無法研究其影響因素，所以大多采用數值模擬的方法研究擠擴支盤樁豎向承載性能[4]。本文將采用數值模擬的方法，通過ABAQUS有限元軟件建立擠擴支盤樁模型，研究擠擴支盤樁在豎向荷載作用下的承載性能，并分析不同承力盤數量、盤間距和盤徑比對其承載性能產生的影響，為實際工程提供理論依據。

1 工程實例有限元驗證

為了驗證使用有限元方法進行模擬的準確性，需要將現場試樁試驗的結果與有限元分析的結果進行對比，以此來保證有限元建模時的合理性?，F對某一擠擴支盤單樁現場試驗進行模擬，其現場試樁場地除表層為填土外，其余土層主要以粉土、淤泥質土、黏性土為主，土層參數如表1所示。擠擴支盤樁樁頂位于地表處，設計樁長為20 m，樁徑為700 mm。在距樁底2 m和7 m處設置承力盤，盤徑為1 400 mm，盤高700 mm。

表1 土體物理參數

采用ABAQUS軟件對上述擠擴支盤單樁進行三維有限元模型的建立，模型樁尺寸與現場試驗相同，為減低邊界條件的影響，土體深度取2倍樁長，半徑取30倍樁徑進行計算。劃分網格后的有限元模型如圖1所示。

(a)樁體網格劃分圖

模型樁頂加載與現場試樁加載一致，每級荷載400 kN，共施加十級荷載，計算得到Q-s曲線與實測曲線對比見圖2。

圖2 Q-s曲線對比圖

由圖2可以看出現場實測曲線與有限元分析曲線均為緩變形曲線，二者吻合情況較好，說明可以使用有限元分析方法進行研究。

2 擠擴支盤樁豎向承載性能

本節將使用有限元軟件分別對直孔樁和擠擴支盤樁建模，其中直孔樁樁徑為0.5 m，樁長為15 m。擠擴支盤樁的樁長和樁徑與直孔樁一致，承力盤設置距樁底5 m處，盤徑為1 m。土體采用單一土層進行模擬，土層參數γ=19.5 kN·m，E=40 MPa，ν=0.3，c=15 kPa，φ=27°。對直孔樁與擠擴支盤樁施加相同的豎向荷載后進行計算分析，得到樁周土體應力和位移云圖如圖3所示。

由圖3可知，兩樁樁周土體應力和位移云圖相比存在明顯差異，其中直孔樁樁周土體應力主要集中在樁端，并以樁端為中心向四周發散，表明直孔樁在豎向荷載的作用下，沿樁身將大部分荷載傳遞至樁端，樁端阻力得到了充分的發揮。但過大的樁端荷載會導致下方土體變形量增大，使得樁頂沉降值也隨之增大，影響了樁的安全使用。而擠擴支盤樁因為在樁身處設置了承力盤這一構件，使得一部分原本集中在樁端處的應力由承力盤轉移至樁周土體中，削弱了樁端處的應力，從而改變了樁周土體原本的應力分布。這表明承力盤承擔了部分樁頂荷載，降低了傳遞至樁端的荷載，減小了樁端土體的變形，進而提升了樁的承載能力。

(a)直孔樁應力云圖

3 擠擴支盤樁影響因素研究

為進一步研究擠擴支盤樁承載特性，考慮到承力盤數量、承力盤間距和承力盤徑與樁徑之比這三種影響因素，設計了以下7種樁型進行對比分析，建立模型所采用的參數與上文一致，各樁型部分參數如表2所示。

表2 模型樁參數

對上述7種擠擴支盤單樁施加相同的豎向荷載，經計算后各樁樁周土體豎向位移云圖如圖4所示。

(a)1#樁位移云圖

3.1 承力盤數量對土體位移場的影響

1#、2#、3#樁為不同承力盤數量的擠擴支盤樁，樁周土豎向位移云圖如圖4(a)～(c)所示。三根樁的樁周土體位移存在明顯差異，其中1#樁在樁身設置一個承力盤，由樁頂傳遞下的荷載通過承力盤擴散之后大部分都傳遞至樁端土層中，造成土體嚴重變形，豎向位移達到了116.4 mm。2#樁在樁身處設置兩個承力盤，每個承力盤都能分擔一部分樁頂荷載，大幅度降低了傳遞至樁端的荷載，削弱了樁端位移場，其最大豎向位移為46.6 mm，相比1#樁豎向位移降低了59.9%。3#樁在樁身處設置了三個承力盤，極大降低了樁端阻力，使得樁端土體豎向位移降至22.5 mm，相比兩承力盤的擠擴支盤樁豎向位移降低了51.7%。

3.2 承力盤間距對土體位移場的影響

2#、4#、5#樁為不同盤間距下的雙盤擠擴支盤樁。如圖4(b)、(d)、(e)所示，4#樁的承力盤間距較小，在樁頂的豎向荷載作用下第一個承力盤下部的土體位移擴大到第二個承力盤處，兩個承力盤間位移云圖相互重疊，豎向位移程度較一致，具有整體性，最終豎向位移為72.4 mm。圖4(e)為5#樁的樁周土體豎向位移圖，兩承力盤間距離較大，上承力盤的下部土體位移有一部分擴散到下承力盤處，兩個承力盤之間的位移云圖重疊較少，整體性一般，最終豎向位移為52.8 mm。2#樁的樁周土豎向位移如圖4(b)，承力盤間樁周土體豎向位移呈現先減小后增加的規律，上承力盤受力后擠壓下方土體產生位移，隨著壓力的消散土體產生的豎向位移逐漸減小，直到下承力盤受力后再次擠壓下方土體產生豎向位移，位移值為46.6 mm。綜合上述三根擠擴支盤樁的沉降云圖發現隨著承力盤間距的增大，其豎向位移在逐漸減低。

3.3 盤徑比對土體位移場的影響

1#、6#和7#樁分別為2、3、4倍盤徑比下的擠擴支盤樁，樁周土體位移云圖如圖4(a)、(f)、(g)所示。三根樁的樁周土體位移場形狀較為相似，但大小存在明顯差異。其中1#樁設置了兩倍樁徑的承力盤，當荷載通過承力盤傳遞至周圍土層中時，影響范圍較小，削弱荷載能力有限，樁端承受較大荷載，樁整體具有較大的沉降值。6#樁采用三倍樁徑的承力盤，在受豎向荷載作用時，承力盤下側土體影響范圍明顯變大，使得土體分擔了更多荷載，降低了樁端處的受力，提高了樁的承載能力。7#樁的承力盤直徑最大，樁周土位移場范圍進一步擴大，并且有一部分擴散至樁端處，此時樁端所承受的荷載最小，單樁沉降量也達到最小。

4 結 論

通過對直孔樁和擠擴支盤樁的有限元模型進行對比分析，驗證了擠擴支盤樁具有高承載力，低沉降量的特點。此外設置了7種樁型的擠擴支盤樁進行對比分析，研究承力盤數量、承力盤間距和盤徑比等影響因素對單樁沉降量的影響，結果如下。

1)增加擠擴支盤樁身處的承力盤數目，能有效地降低樁端處所受荷載，大幅度減小群樁豎向位移，提升單樁承載力。

2)若擠擴支盤樁設置多個承力盤時，盤間距離會影響其承載性能。當盤間距離大于三倍盤徑時，盤間相互作用的影響已經小到可忽略，承力盤能充分發揮承載性能。

3)承力盤的大小對樁的承載性能有很大的影響，當承力盤直徑與樁徑之比較小時，其所能分擔的荷載較小，土體影響范圍也比較小。當盤徑比較大時，承力盤所分擔的荷載更多，但是對土體的影響范圍也較大，也需要更大的盤間距來充分發揮其承載力。

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