基于 ANSYS的旋扩珠盘桩工作特性分析

叶海桃，陈 涛，陆凤池

（1.长江南京航道工程局，江苏 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市职业学院，江苏 南京 210002）

基于 ANSYS的旋扩珠盘桩工作特性分析

叶海桃1，陈 涛2，陆凤池3

（1.长江南京航道工程局，江苏 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市职业学院，江苏 南京 210002）

文章借助有限元软件 ANSYS，通过对旋扩珠盘桩的数值模拟，分析了在桩顶荷载增加的过程中承力盘的端阻力、桩端阻力和桩侧摩阻力的工作特性，并初步找出承力盘下受竖向附加应力影响的水平和垂直范围。

ANSYS；旋扩珠盘桩 ；承力盘；竖向附加应力

目前，有限元软件 ANSYS 在水电行业应用广泛。通过单元类型，模拟工程中材料和结构，进行多种分析，计算功能强大。借此技术，结合旋扩珠盘桩工作特性，分析相应各桩受力状况，可以为相关工程建设提供借鉴。

旋扩珠盘桩和DX桩以及挤扩支盘桩是属于同一类型的桩，虽然名称叫法上、成桩工艺上有所不同，但在桩型和承载机理上基本上是一致的，即通过改变桩身性状来提高桩的端承力和侧阻力，进而提高桩的承载力。但是，它们之间还存在一些细微的差别：即旋扩珠盘桩的变径处都为完整的盘；而DX桩和挤扩支盘桩的变径处根据设计需要有可能不是一个完整的盘。由于旋扩珠盘桩的承力盘的存在，使得单桩的荷载传递特性变得尤为复杂，同时也给工程实测数据带来了一定的麻烦。下文借助有限元软件 ANSYS 对旋扩珠盘桩进行数值研究，找出旋扩珠盘桩的一些工作特性。

1 基本假定及模型建立

在旋扩珠盘桩建模的过程中作了如下的基本假定：

1）单桩分析按空间轴对称问题进行分析；

2）桩体为线弹性材料，土体为弹塑性材料，其屈服准则服从 D rucker－Prager 屈服准则；

3）旋扩珠盘桩和桩周土体均采用 20 节点六面体实体单元，单元号为 solid95；

4）由于上斜面不能拉着斜面上部土体一起向下移动，故承力盘上斜面有和土体分离的可能性；

5）模拟地基土区域大小为 20m（长）×20m（宽）× 36 m（深），单桩位于长宽的对角线中心，地基土垂直边界设置水平约束，底边界设置水平和垂直约束。

旋扩珠盘桩的几何尺寸、材料性质和地基土的性质见图 1。

图1 桩的尺寸 材料性质和地基土的性质

2 结果分析

2.1 Q～S 曲线、桩身轴力的分析

旋扩珠盘桩和相同条件下常规直桩 Q～S 曲线，见图 2。从图 2 中可以很明显地看出常规直桩的 Q～S 曲线呈陡降型，而旋扩珠盘桩的 Q～S 曲线呈缓变型。当桩顶荷载比较小时，两者的沉降基本相同。这是由于荷载较小的情况下，承力盘的优势还未得到发挥。当桩顶均布荷载为 P＝6 MPa时，旋扩珠盘桩的桩顶沉降为 S＝21.98 mm，对应于常规直桩的桩顶沉降为 S＝40.6 mm。由此可以看出旋扩珠盘桩由于承力盘的存在使得单桩桩顶沉降大幅度地减小。

图2 2种桩型的 Q～S对比

不同荷载情况下桩身轴力沿桩身的分布如图3所示。由于承力盘的存在，桩身轴力在承力盘上下发生了明显的陡降，并且随着荷载增大，陡降的程度越大。

2.2 承力盘性状的分析

旋扩珠盘桩承力盘的存在会很大程度上提高单桩承载力，但是各个承力盘在荷载分担过程中所提供的端阻力是不同的，而且端阻力的发挥有一定的时间顺序。在不同荷载情况下各个承力盘荷载分担的比例，见图 4。

图4 各承力盘分担荷载比例

当桩顶荷载较小时，顶盘开始分担一部分荷载，其分担的比例均大于其它2个承力盘。随着桩顶荷载加大，其分担的荷载比例逐渐减小，但减小的幅度很小，基本维持同一水平，此阶段中其荷载分担比例均小于其它 2个承力盘。可以看出，在桩顶荷载逐渐增加的过程中，顶盘的端阻力发挥在时间顺序上有一定的先前性，先于其它2个承力盘参与工作。在顶盘端阻力充分发挥时，由于顶盘的埋深较浅，其端阻力相应较小，因而当桩顶荷载达到一定数值后时，顶盘的荷载分担比例较小。

中盘和底盘的荷载分担变化趋势很相似。当桩顶荷载较小时，两者就分担很小一部分荷载，随着荷载的加大，两者的荷载分担比例逐渐增大，当荷载增加到一定程度时两者分担的荷载比例基本维持不变，并且在一个较高的水平。这说明了中盘和底盘端阻力的发挥在时间顺序上有一定的滞后性。

由于地基土的性质不同，承力盘分担荷载比例的变化趋势、大小也是不一样的，各个承力盘不会是等幅度地减小或者增加。图5为不同荷载情况下，各承力盘所分担荷载比例减去各自 P=0.5 MPa时相应荷载比例的变化曲线。

在荷载增加过程中，顶盘荷载分担比例却相应减小，减小的幅度很小，基本维持同一水平。在荷载较小时，中盘和底盘的荷载分担比例增加的速度比较快，当荷载达到一定数值后，两者增加的速度变缓，最终基本维持不变。

图5 各承力盘分担荷载变化图

顶盘、中盘和底盘的荷载分担比例在相同荷载变化条件下变化的幅度是不一样，底盘最大，中盘次之，顶盘最小。这是由于顶盘的端阻力发挥在时间上先于其它两个承力盘，在荷载增加的过程中，中盘和底盘接着发挥作用，此时先前有顶盘独自承担的大部分荷载依次有中盘和底盘参与分担。随着荷载增加，各盘逐渐进入极限状态，从而各承力盘的端阻力充分发挥，因而埋深较深的底盘和中盘荷载分担比例增大的幅度大于顶盘。除此之外，还因为底盘下的地基土的压缩性较其它2个盘下的压缩性小，因而端阻力相应地比较大，这样底盘荷载分担比例就会迅速增大。

2.3 承力盘、端阻力及摩阻力的综合分析

图 6，图 7 和图 8 分别为 3 个承力盘总的荷载分担比例、桩侧摩阻力分担荷载比例和桩端阻力分担荷载比例。

图6 承力盘总的分担荷载比例

当桩顶荷载较小时，所有荷载基本上都有桩侧摩阻力承担，如 P＝0.5 MPa 时，3 个承力盘分担的荷载比例为 35.99%，桩侧摩阻力分担的荷载比例为 63.55%，端阻力分担荷载比例为 0.46%。随着桩顶荷载的增加桩侧摩阻力荷载分担比例逐渐减小，而3个承力盘总的荷载分担比例和桩端阻力却相应地增加，共同抵抗桩顶所加的荷载。当荷载增加到一定程度时，桩端阻力、3个承力盘端阻力的荷载分担比例也增大到一个较高水平，并且基本维持不变，与此同时桩侧摩阻力的荷载分担比例也却减小到一个较低水平，并且基本维持不变。

图7 桩侧摩阻力分担荷载比例

图8 桩端阻力分担荷载比例

2.4 承力盘下竖向附加应力分析

图 9 是在桩顶荷载 P=10 MPa情况下顶盘、中盘和底盘下竖向附加应力在水平方向和垂直方向的变化趋势图。

顶盘和中盘的竖向附加应力变化趋势比较相似。在距离桩轴线水平方向为 0.5 D(D 为盘径)的情况下，顶盘下的竖向附加应力随着离承力盘下垂直距离增大而迅 速 降 低，如 图 9（a）中 垂直距离中盘下 0.2 m 处的竖向附加应力为 19.6 kPa，而距离盘下 1.2m 处则减小为 0.47 kPa，可以认为顶盘下竖向附加应力的影响范围为盘下 1.2 m （约 1D），中盘下的竖向应力影响范围为 1.4 m（约 1D）。因此可以认为有承力盘竖向应力叠加部分的盘下竖向附加应力影响范围约为 1D。随着距离桩轴线水平方向距离的增加盘下竖向附加应力的值逐渐减小，如 9（b）中当距离桩轴线水平距离为 4D 时，中盘下的竖向附加应力大致维持同一水平，均为5 kPa左右，因此可以认为旋扩珠盘桩的水平影响范围约为 4D。

图9 竖向附加应力变化

9（c）中 ，底 盘下 的 竖向 附 加 应 力 也同 样 随 深度逐渐减小，但减小的幅度没有其它两个承力盘大，并且减小到盘下一定距离后基本维持一个较高水平（相对于其它2个承力盘情况）。这是由于底盘下无其它承力盘，因而不会发生应力重叠，并且桩端阻力所引起地竖向附加应力很小（由于桩端阻力分担荷载比例很小），因此底盘下土体的竖向附加应力衰减的较慢，并且范围也较深。如 9（c）中，底 盘 下 0.5 m 处的竖 向附加 应 力 值 为 50.7 kPa，盘下 3 m，5 m 处分别为 17.7 kPa，13.4 kPa。

3 结语

1）旋扩珠盘桩由于承力盘的存在改变了常规直桩的荷载传递特性，并且在相同条件下比常规直桩的桩顶沉降减小了很多。

2）各个承力盘在荷载分担上有一定时间效应，并且分担的比例随荷载的变化而以不同的幅度变化。

3）有竖向附加应力叠加部分承力盘的盘下竖向附加应力的影响范围约为 1D，水平影响范围约为 4D。

［1］陆凤池，高明忠，等.旋扩珠盘桩在小桩径变径桩中的应用.建筑技术，2003，35（3）：186-187.

图2 引调水方案各代表断面 NH 3-N 变化过程线

3）在满足引水的水动力条件时，即使内部水系水质已得到较大幅度的改善，仍然需要长期引水，保持水体的流动性，这是改善内部水系水环境的长效措施，应尽量避免内部水系恶化到一定程度时再引换水，改善水质。

［参 考 文 献］

［1］高程程，等.上海市青松水利片引清调水方案研究［J］.水电能源科学，2012.

［2］贾瑞华.利用水利工程调度改善水环境质量的探讨［J］.上海水利，1989.

[收稿日期]2013-08-20

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