盘间距对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响分析

钱永梅 翟镕政

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

1 概述

混凝土扩盘桩抗拔承载力的研究尚不完善，尤其对于多盘的混凝土扩盘桩，盘间距对其抗拔承载力的影响还不明确，这种影响因素的不确定性阻碍了混凝土扩盘桩在实际工程中的应用.本文应用ANSYS计算软件，通过模拟分析粘土中不同盘间距的混凝土扩盘桩在竖向拉力作用下的桩周土体破坏状态，进而确定盘间距对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响.

2 ANSYS建模

研究盘间距对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响，首先要建立不同盘间距混凝土扩盘桩的有限元计算模型.为了有利于计算模型的分析比较，模型的构筑确定了如下原则:

(1)根据混凝土扩盘桩前期的研究成果，模型桩的桩长L=8000mm，主桩直径d=500mm，承力扩大盘直径D=1 500mm，承力扩大盘坡脚θ≈37°，承力扩大盘的悬臂长度R=500mm(盘净间距的基准)，盘高H=760mm.另外计算模型中，为了尽量避免边界约束条件对土的影响，桩周土范围不能太小，取直径6 000mm，因为是抗拔所以深度取4 000mm［1］.

(2)因为主要研究盘间距对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响，所以在计算模型中(模型单元划分见图1)［2］暂时设置两个承力扩大盘，将第一个承力扩大盘的位置固定在桩底1 000mm处，其他参数不变，仅仅改变另一个扩大盘的位置［3］.由于主桩径、盘径、盘高、盘间距等参数相互之间有影响，为了准确说明相对关系，使研究参数有普遍指导意义，故盘间距取两个承载扩大盘之间的净距离，用S0表示(见图2)，其大小依次取2～7倍R，S0与R的比值用N表示，并将N=2～7的桩分别编号为CE2～CE7.以N=4即2 000mm的盘间距为例，具体模型参数见图2.为了对所建立的模型有更直观的了解，给出以N=4作为盘间距时总的桩土模型(见图3).构筑的混凝土扩盘桩模型的参数数值见表1和表2.

表1 各个模型的N，S0参数

表2 材料参数

图1 不同盘间距的混凝土扩盘桩模型

图2 N=4(CE4)参数示意图

图3 N=4(CE4)桩土模型

3 计算结果分析

3.1 位移分析

根据双盘混凝土扩盘桩的抗拔承载力计算公式［2］:

由上述公式可以初步计算出单桩抗拔承载力为1 067kN，模型加载时按面荷载加载，从约100kN开始加载，以后每级按大约100kN递增［4］.最后计算完成后，分别提取各个模型约加载到1 000kN时的竖向位移云图进行分析.N=2～7时对应的竖向位移云图分别为CE2，CE3，CE4，CE5，CE6，和CE7，图4给出 CE2，CE4和CE7的竖向位移云图，并将相同荷载(1 000kN左右)作用下各个模型的最大位移量绘制成图5.

图4 不同盘间距的竖向桩土位移云图

从图4中可以看出，当施加的力即将达到桩的极限承载力时，桩土发生分离并达到或接近达到最大位移.从图5中可以看出，在相同的荷载作用下，N=2(CE2)的桩土模型发生的位移要比N=3(CE3)，N=4(CE4)和N=5(CE5)的大，这是因为当盘间距过小时，两盘之间的土体可能整体发生了冲切破坏，此时的竖向位移值反而略大于合理间距的桩的位移.这样并不能充分发挥双盘的作用，由此桩的抗拔承载力会降低.而当N=7(CE7)时，其竖向最大位移会突然增加，这是因为当N=7的CE7模型，上面承力扩大盘的顶端距离土体表面只有1 980mm(＜4 R)，盘上土体也容易发生冲切破坏，这也不利于承力扩大盘充分发挥作用，所以这种情况也会降低混凝土扩盘桩的抗拔承载力.

由以上分析可知，盘间距对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响主要表现在两个方面:一是盘间距的大小;二是最上面的承力扩大盘到土体表面的距离.

图5 相同荷载作用各个模型的最大竖向位移值

图6 竖向位移随荷载变化曲线

3.2 位移荷载曲线分析

从ANSYS后处理器中提取CE3～CE6模型每加载100kN后的最大竖向位移数值，通过整理，绘制竖向位移随荷载的变化曲线，如图6所示.

从图6中可以看出，各个模型的竖向位移随荷载变化规律基本一致，而且每一级荷载加载后，模型的竖向上拔值大小也相差不多，这说明当盘间距大于一定的合理数值(≥3 R)时，随着荷载的增加，不同盘间距桩的竖向位移的变化非常缓慢，表明其对混凝土扩盘桩抗拔承载力的影响作用逐渐减小.

4 结论和展望

当混凝土扩盘桩承担竖向拉力时，承力扩大盘的间距(包括最上面盘距土层顶部的距离)是混凝土扩盘桩设计中的一个重要参数，对混凝土扩盘桩的桩周土体破坏状态及单桩的抗拔承载力有显著的影响，因此合理设计盘间距非常重要.本文研究结论:

(1)从分析中可知，要使混凝土扩盘桩具有足够的抗拔承载力，首先要保证最上面的承力扩大盘距离土体表面有一定的距离，一般不低于4倍R;

(2)当N≤2.5时，即承力扩大盘净间距小于盘悬臂长度的2.5倍，承力盘之间土体容易出现整体破坏，使承力盘下土体不能形成滑移破坏，会降低桩的抗拔承载力;当间距过大时，即N＞5时，桩长增加较多，而随着盘间距的增加，其抗拔承载力增长又非常缓慢，造成经济上的浪费.因此，应选取适当的盘间距;

(3)混凝土扩盘桩盘净间距(S0)的合理取值范围是盘悬臂长度R的3～5倍，即N=3～5，这样既能充分发挥承力盘的作用，又节约了工程成本.

另外，由于混凝土扩盘桩的抗拔承载力还受到土性的直接影响，本文目前只分析了粘性土中盘间距对其抗拔承载力的影响.对于不同地区、不同土层中的混凝土扩盘桩的设计参数，其对抗拔承载力的影响规律基本相同，但具体参数还需要进一步的研究.

［1］Y.M.QIAN，N.MU，R.Z.WANG:The research about the method of establishing the model of limited unit about the push－extend －multi－under－ reamed pile［J］.Construction and Urban Planning，2013(9):602 － 605.

［2］Y.M.QIAN，X.Z.CHEN，X.W.XIE:Determining the Stress Calculation Mode under Sliding Failure of Soil around the Push － extend Multiunder－ reamed Pile［J］.Engineering，2014，6(5):254 － 259.

［3］谢新颖.挤扩多盘桩极限承载力及桩－土间剪应力和位移关系研究［D］.长春:吉林大学，2011.

［4］任佳佳.挤扩多盘桩抗拔承载力及土体破坏形状研究［D］.长春:吉林建筑工程学院，2012.