支盘桩承载性能的有限元分析

范孟华

(河南大学土木建筑学院，河南开封 475001)

0 引言

支盘桩可充分利用较好土层设置承力盘(岔)，单桩承载力高，并具备良好的承压、抗水平力和抗拔能力;与普通混凝土灌注桩相比，可缩短桩长，减小桩径，减少桩数，从而可缩短工期;设计灵活、适应性强;低噪声，低振动，泥浆排放量小，符合环保要求;机械化程度高［1］;特别是承受动荷载的性能较高［2］。正是因为支盘桩有如上所述的很多优点，且其应用时间较短，理论研究相对落后，因此有必要对支盘桩进行深入研究。

1 有限元分析

1．1 计算模型及计算参数的选取

采用轴对称几何模型建模，桩和土体均采用15节点三角形单元，在桩土界面上设置界面单元来模拟桩土的相互作用，桩体采用线弹性模型，土体采用Mohr-Coulomb非线性模型，土体自重应力场的形成采用自重加载方案，并将自重加载工序的计算位移设为0。桩干直径1 m，桩长15m，承力盘直径为2m，承力盘高为1 m(标准2盘桩，在地面下3 m处和12 m处各设有支盘);根据试算，土体计算范围半径取25 m，深度取30 m。桩的计算参数如下:γ =25 kN/m3，Eref=2．3 ×104MPa，泊松比为0．25，界面强度折减因子Rinter=1。粉砂的计算参数如下:γ=17 kN/m3，内粘聚力cref=1 kPa，内摩擦角为 31°，Eref=13 MPa，泊松比为 0．3，界面强度折减因子Rinter=0．6。不考虑地下水影响。

1．2 桩身荷载传递规律

对标准2盘桩采用分级加载，由计算后得出各级荷载作用下的桩身轴力可知(见图1)，对每级荷载，桩身轴力从上往下逐渐减小，在支盘处轴力减小较多，其原因本文认为是支盘分担了部分荷载并传递给周围土体;对每个支盘而言，盘顶处轴力变化较大，盘底处轴力变化较小。当桩顶荷载较小时，上、下盘分担的荷载相差不大，下盘分担的相对较大(见图2)，并不像某些文献上介绍的上盘的承载力达到极限后，荷载才向下盘传递，而是从一开始下盘就承受着较大的荷载;随着桩顶荷载的增加，上、下盘分担的荷载都相应增加，但下盘分担的荷载增长速度要快一些，下盘的承载潜力大得多。由于下部盘的承载潜力较大，故对均质土，随荷载增大，上部盘承载达极限后，下部盘才会逐渐进入极限状态，即承力盘一般是按照自上而下的顺序屈服的，非均质土中的承力盘则不一定按此顺序屈服。

图1 各级荷载下的桩身轴向应力

图2 支盘承担荷载情况

2 影响支盘桩承载力的因素

2．1 盘的位置

为了分析盘的不同深度对桩的承载性能影响，取单盘桩分别在地面下3m，7．5m和12m处设支承盘。由图3可知，在线性工作阶段，其Q—s曲线几乎相同;在破坏阶段，处于最低处的支承盘承载力最大，其Q—s曲线较平缓。一般较低支承盘处的土体较密实，承载力较高。由此可知:支承盘的位置越低，其承载力越大，支承盘越靠近地面，其承载力越小。故从承担竖向受压荷载而言，应将支承盘尽量设在地面下较深处。

图3 盘在不同深度的Q—s曲线

2．2 盘的间距

CECS 192∶2005挤扩支盘灌注桩技术规程规定:挤扩支盘桩竖向最小盘间距不应小于2D;通过上述分析，本文认为支盘桩竖向最小盘间距不应小于临界盘间距［3］，否则上、下盘的传力会相互影响，降低承载性能。对于其他土(粘性土、粉土)，经验算发现该结论同样成立。

2．3 盘的形状

取盘的形状如图4所示，单盘桩盘的中心位置在地面下12 m处。经计算当桩顶荷载较小时，各种不同形状支盘桩的Q—s曲线几乎完全相同，在破坏阶段，才有细微的差别，增量剪应变云图也基本相同。故盘的形状对支盘桩的承载性能影响很小，可忽略不计。可推荐采用图4a)的支盘形状。

图4 盘的不同形状

2．4 盘的尺寸

1)盘径的影响。取单盘桩盘中心位于地面下12 m处，盘的截面形状为矩形，如图4b)所示，分别取承力盘直径 D=2 m，2．4 m，3 m进行计算。盘径越大，其承载力越高，Q—s曲线也越平缓(见图5)。

图5 不同盘径的Q—s曲线

2)盘高的影响。盘高是指支盘根部的高度。为便于研究，还是取单盘桩，盘的中心位于地面下12 处，盘的截面形状为矩形，盘径均为2m，如图4b)所示，分别取承力盘高度为1m，2m进行计算。经计算发现盘高越大，其承载力越高，Q—s曲线也越平缓。

2．5 盘的数量

分别对桩长32 m的2盘桩(2盘分别在地面下20 m和29 m处)、4盘桩(4盘分别在地面下2 m，11 m，20 m和29 m处)、6盘桩(6 盘分别在地面下2m，11m，15．5m，20m，24．5m和29m处)和7 盘桩(7 盘分别在地面下2 m，6．5 m，11 m，15．5 m，20 m，24．5 m和29 m处)加压，当桩顶被压入土中0．1 m时的Q—s曲线如图6所示，由图6可知，随着盘数的增多，支盘桩的承载力越来越大，但增长的幅度逐渐减慢。

图6 盘数不同时支盘桩的Q—s曲线

2．6 土的性质

为了研究土体性质对支盘桩抗压性能的影响，以2盘桩(两盘分别在地面下3 m和12 m处)为例，研究某参数影响时假定其他参数不变。

随着土体重度、模量、内摩擦角、内粘聚力、泊松比、土体界面强度折减因子的增大、地下水位的加深，支盘桩的抗压承载力随之增大，但增长的速度越来越慢。

3 结语

1)从一开始下部承力盘就承受着较大的荷载;随着桩顶荷载的增加，下部承力盘承受的荷载越来越多。下部盘的承载潜力较大;均质土中的承力盘一般是按照自上而下的顺序屈服，非均质土中的承力盘则不一定按此顺序屈服。2)在荷载作用下，桩身轴向应力从上往下逐渐减小，在支盘处轴向应力减小得较多;对每个支盘而言，盘顶处轴向应力变化较大，盘底处轴向应力变化较小。3)支承盘的位置越低，其承载力越大，支承盘越靠近地面，其承载力越小。故应将支承盘尽量设在地面下较深处。支盘桩竖向最小盘间距不应小于受压临界盘间距，否则上、下盘的传力会相互影响，降低承载性能。4)盘形状对支盘桩的受力影响较小，盘径和盘高越大，其承载力越高，Q—s曲线也越平缓，盘径比盘高的影响要大一些。随盘数的增加，支盘桩的承载力增大。5)随着土体模量、内摩擦角、界面强度折减因子的增大，支盘桩的抗压承载力增大，但增长的速度越来越慢。土体内粘聚力、泊松比、土体重度越大，地下水位的加深，支盘桩的抗压承载力越高。

［1］张宗胜，李兆坤，何其正．挤扩多支盘的混凝土灌注桩简介［J］．天津城市建设学报，2005，11(2):81-85．

［2］卢成原，王珊珊，孟凡丽．非饱和粉土中模型支盘桩在重复荷载作用下的试验研究［J］．岩土工程学报，2007(4):603-607．

［3］范孟华．基于最小抗力的支盘桩承载力和临界盘间距［J］．岩土工程学报，2011(S2):295-298．