新型扩挤支盘桩竖向承载特征FLAC3D数值分析

苏晴晴 夏红兵

摘 要：针对新型扩挤支盘混凝土灌注桩的竖向承载力、沉降、桩侧摩阻力等竖向承载特性及桩身荷载传递规律的问题进行了数值模拟研究。研究表明：相对于等截面桩，扩挤多支盘混凝土灌注桩具有承载力高、沉降量小的特性，支盘桩的极限承载力相较等截面桩竖向承载力提高了100%，沉降量大幅减小，两者最大沉降差可达19.781mm。桩身轴力在支盘处变化突出，支盘分担竖向力效果显著；适当增加支盘的个数可以大幅减小桩底荷載，减缓桩侧摩阻力的增加速度。

关键词：扩挤多支盘桩；承载力；沉降；桩侧摩阻力；FLAC3D

中图分类号：TU473.1 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）06-0071-05

Abstract： In this paper， FLAC3D numerical study on the axial bearing behaviors and the load transfer behavior of the squeezed branch pile in terms of the vertical bearing capacity， the settlement and the lateral friction resistance of the new type of reinforced concrete filling pile. The results showed that compared with the common piles， the squeezed branch pile had the characteristics of higher bearing capacity and smaller settlement. The vertical bearing capacity was improved by 100%， the settlement was reduced greatly，with the maximum settlement difference up to 19.781mm.The axial force of the pile prominently changed at the support branches and the supporting branches shared the vertical force obviously； moreover increasing the number of the supporting branches could significantly decrease the pile bottom load and retard the lateral friction resistance of the squeezed branch pile.

Key words：squeezed branch pile； bearing capacity； settlement； lateral friction resistance； FLAC3D

近几年来，许多国内外学者对扩挤支盘桩的承载力特性进行了深入的研究，主要方法有现场载荷实验、室内试验和数值模拟。文献[1]通过扩挤支盘桩现场原位测试试验，并对单桩静载试验和桩身轴力测试结果进行分析，表明扩挤支盘桩的荷载-沉降曲线为缓变型，在加载初期，桩侧摩阻力发挥较好，加载后期，摩阻力以发挥到极致，所加荷载主要由支盘承担，并且支盘承担的荷载可以达到施加的总荷载的50%。文献[2]设计了室内模型试验装置来研究在不同土质中模型支盘桩在重复荷载作用下承载力特征和桩-土的相互作用机制。文献[3]除了对扩挤支盘桩进行理论研究外，还进行了大量的数值模拟讨论了扩挤支盘桩的承载力特性与盘径、盘距之间的关系，并提出了扩挤支盘桩在不同的破坏形势下，该桩的承载力和沉降量的计算公式[4]。支盘的存在和复杂的现场试验因素使得现场和室内试验结果难以精确控制，文献[5]将研究手段转向了便捷且贴合实际的数值模拟方法。

本文中的多支盘桩，有别于以前成盘工艺，采用一种新的扩挤成盘工艺（现已申请发明专利）。基于FLAC3D建立模型对扩挤支盘桩在竖向荷载作用下的承载力、轴力沿桩身变化情况、桩侧摩阻力进行模拟分析，为进一步完善扩挤支盘桩的设计并应用于工程实际提供了参考。

1 基于FLAC3D模拟的工程实例

1.1 工程概况

某公司拟建两栋34层住宅楼，采用桩基础工程。地质概况：人工处理后的地面标高，基本保持在784. 056～784. 848m之间。基坑开挖至一定深度后，开始桩基础的施工，故在建立模型时将z=0作为基坑底部标高。土层和桩体参数如表1所示。

1.2 FLAC3D模拟

1.2.1 计算模型及网格划分

该桩采用新的扩挤成桩工艺，因为有支盘的存在，在本模型中桩土作用范围取为10m，模型取10m×28.10m，桩长24.60m，桩径700mm， 盘径1 000mm， 盘高200mm， 总共设置六个圆柱形盘， 盘1、 盘2、 盘3、 盘4、 盘5、 盘6分别设置在-2.2m、 -6.1m、 -10.0m、 -13.9m、 -17.8m、 -21.7m处。由于该模型的几何尺寸对称，所施加的外荷载也呈轴对称，故而选取1/4模型计算，模型及网格划分如图1所示。

1.2.2 有关假设及模型参数的选取

1） 假设每层土均采用 Mohr-coulomb 本构关系，都为均质连续各向同性的理想弹塑性材料，挤扩支盘桩采用均质连续线弹性本构模型。

2）现场浇筑的桩，桩土接触面比较粗糙，桩邻近土层的c、值进行适当折减后可作为接触面的主要力学参数c、的值，本文取折减系数为0.6，也可以根据现场静载荷试验进行适当的调整。

3）由于桩身刚度远大于土体刚度，扩挤多支盘桩到达最大承载力时，桩身并不发生破坏，桩周土体发生破坏时，桩对地基土的影响以及施工因素对桩周土体的影响忽略不计。

2 竖向承载力特征

2.1 Q～s曲線

对支盘桩进行桩顶竖直向下15级加载，从3 000kN（面荷载）开始加载，每级加载600kN（面荷载）并将模拟结果与文献[6]的模拟结果进行对比。根据Q～s曲线（见图2），按照切线交汇法[7]判断该桩的极限承载力为10 800kN，在增加4个盘的情况下承载力提高了50%，表明适当增加支盘数量可以大幅提高支盘桩的极限承载力。如图3所示，可以看到支盘桩的沉降量明显小于等截面桩的沉降量，且施加的外荷载达到6 000kN时，等截面桩的沉降量之差明显大于前两级荷载沉降量之差的2倍，因而可以判定等截面桩的极限承载力为5 400kN，支盘桩相较于等截面桩承载力提高了100%，表明支盘可以大幅提高桩的承载力[8]。当外荷载加至10 800kN时，多支盘桩的沉降量仅为5.044mm，而等截面桩的沉降量早已到达最大承载力，两者沉降差达19.781mm。可见，相较于等截面桩，支盘桩能大幅降低桩体的沉降量[9]。

2.2 桩身轴力

模型在各级荷载作用下，可用相关命令流提取各单元的平均应力值σ，可用下面公式计算出相应截面的轴力值Ni

图4所示为6个支盘各自分担荷载的情况，盘1分担的荷载始终比盘2的大，其他支盘所分担的荷载与施加外荷载值的大小成正比，但每个支盘所分担荷载的增加幅度有较大不同，可能是因为每个支盘所处的土体性质以及支盘的所处位置不同。

图5为在不同荷载下桩身轴力分布图，图6为等截面桩的桩身轴力分布图，等截面桩的桩身轴力呈直线上升，轴力向下传递速率比支盘桩的快，支盘桩在6个支盘处的轴力均出现了陡降现象。当施加的外荷载较小时，桩土之间的摩擦力分担了大部分外荷载，其余少量外荷载由支盘分担，此时支盘还未真正发挥作用，但随着施加的荷载的增加侧摩阻力接近最大值，支盘下部的土体开始分担剩余的大部分荷载，6个支盘分担轴力效果显著。6个支盘增加了桩体与土体的接触面积，这使得荷载能够很好的传递给桩体周围的土体，增强了桩土共同作用效果[10-11]，桩顶的竖向位移会明显减小，因此，支盘桩的沉降量比等截面桩的沉降量小，支盘作用显著。

2.3 桩侧摩阻力

图7为等截面桩的桩侧摩阻力分布图，在侧摩阻力达到最大值之前，等截面桩的桩侧摩阻力呈直线上升。图8为支盘桩桩体各部分分担荷载图，表明施加的外荷载小于8 400kN时，桩底阻力值较小且只是小幅增长，相反桩侧各段摩阻力之和、支盘分担的荷载之和增幅较大；当施加的荷载大于8 400kN时，侧摩阻力趋于稳定，而支盘分担荷载之和还在大幅增加，桩端阻力增幅远远小于支盘所分担的荷载[12]，支盘作用明显；当外荷载加至10 800kN时，支盘分担的荷载之和已接近总荷载的50%。

图9为支盘桩侧摩阻力分布图，当施加的外荷载达到8 400kN时， 0～-2.2m、 -2.4～-6.1m、 -6.3～-10.0m、 -14.1～-17.8m侧摩阻力数值趋于稳定，说明这四部分的摩阻力已经到达最大值，-18.7～-21.7m、-21.9～-24.6m部分桩侧摩阻力数值还存在小幅变化，-18.7～-21.7m段的侧摩阻力变化量较之前的多级外荷载作用下的变化量要小的多，说明此时该部分的侧摩阻力接近最大值，而施加的外荷载达到9 600kN时-21.9～-24.6m部分的侧摩阻力到达最大值[13]。9 600kN以后，各段的侧摩阻力均有小幅度的下降，桩土之间的负摩阻力可能是其中的原因之一，桩周土体对桩身产生的摩阻力的动态变化用土拱原理可加以解释。

3 结论

1）相同条件下，相较于等截面桩，扩挤支盘桩极限承载力是等截面桩的将近2倍，桩顶沉降量大幅减小，同级荷载下两种桩的沉降差可达19.781mm。

2）在承担外荷载时，支盘以及支盘下部的土体分担了大部分荷载，支盘增加了桩体与土体的接触面积，这使得荷载能够很好的传递给桩体周围的土体，大幅提高了支盘桩的极限承载力，支盘作用显著。

3）相较于等截面桩，由于支盘的存在，支盘桩的桩侧摩阻力增长的更为缓慢，支盘作用再次得到突显。

参考文献：

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[13] 王伊丽，徐良英，李碧青，等.挤扩支盘桩竖向承载力特性和影响因素的数值研究[J].土木工程学报，2015，48（S2）：158-162.

（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）