错盘布置下挤扩支盘单桩承载性状有限元分析

张贯鑫　徐世杰　刘　甲

（河南大学土木建筑学院　河南开封　475001）

引言

挤扩支盘桩是根据仿生学原理[1]，利用根系结构的承力特点，在普通圆桩桩体适当位置设置承力盘，将普通的摩擦端承桩的承载性能转变为摩擦多点端承桩从而大幅提高了其承载能力[2]，同时具备了更好的水平抗力和抗拔能力。

1　工程实例

此试验为河南焦作东区热电厂扩建工程项目[3]，现场使用双盘挤扩支盘桩进行试验。其地区地质条件为第四系冲洪积的黏性土、粉土与卵砾石构成，具体土层分布情况见图1。桩型为挤扩双盘支盘桩，其中桩的参数分别如下：桩径为700mm，有效桩长32m（桩长38m，包括6m空桩），2个盘直径为1400mm，高为700mm，上盘位于桩顶以下17.5m，下盘位于桩顶以下37.3m（以支盘的最大直径处计）.桩身混凝土为c40，此次试验采用振弦式钢筋计来对桩体进行应变测量，其埋设位置主要分布在支盘位置上下，以及桩侧土体性质变化的位置，这些位置都是应变产生明显变化的关键控制点，布置图如图1。

图1　挤扩支盘桩土层分布及应力计位置图

2　有限元模拟对比分析

有限元模型是按照工程实例进行复刻模拟，土体模型按照现场土层的实际情况进行参数设置，土体采用Mohr-Coulomb模型、桩体采用线弹性模型，设置合理的边界条件和相互作用并去掉自重产生的位移，得到了桩身沉降、轴力对比图。

从沉降和轴力曲线对比图可知数值模拟和原位试验有十分高的吻合度。沉降曲线为缓变形，即桩周土体表现为渐进压缩作用而非土体整体剪切破坏，其中因数值模拟并未能模拟出盘周土体的挤压密实作用而使其沉降略大于实测值。轴力曲线很好的反应了支盘桩的整体承力性能，即在支盘位置有明显的轴力突变，在非支盘位置表现为摩擦桩的特点，部分轴力由支盘承担减小了桩端轴力，从而提高了支盘桩的整体承载能力。

3　错盘布置下挤扩支盘桩的承力性状

本节在试验复刻数值模拟的基础上，通过对上、下承力盘位置的调整拟得到错盘布置下挤扩支盘桩的承载力性状。具体为上盘错盘，即在原模型基础上保持下盘不动分别将上盘向上、向下移动700mm（一个桩径）。因下盘位置距桩底较近，因此下盘错盘是在原模型基础上保持上盘不动将下盘向上移动700mm和1400mm。

3.1　上盘错盘对比分析

分别将上盘上移、下移下的沉降、轴力、上盘分担荷载、下盘分担荷载、侧摩阻分担荷载与原模型桩进行了对比分析，发现上盘的上下调整其沉降曲线、上下盘及侧摩阻分担荷载曲线基本重合，只是轴力曲线中的轴力突变点因上盘的盘位调整而上下移动。因此，上盘在适当幅度调整位置时并不影响桩体的整体承力性状，在实际工况中应根据地质情况将上支盘设置在承力性能较好的土层中。

3.2　下盘错盘对比分析

分别将下盘上移700mm、上移1400mm下的沉降、轴力、上盘分担荷载、下盘分担荷载、侧摩阻分担荷载与原模型桩进行了对比分析，发现下盘的承力性状明显不同于上盘。在沉降对比曲线中，原桩的沉降明显大于下盘上移下的沉降，其中上移700mm时的沉降较其他两个更小；在轴力对比曲线中，在上盘位置以上表现相同的减小幅度，但从上盘以下下盘上移情况下的轴力减小幅度略小于原桩，但下盘上移情况下的下盘突变量明显大于原桩，最后使得下盘上移下的桩端轴力小于原桩；在下盘分担荷载对比曲线中，下盘上移下的下盘承担荷载量在桩顶荷载大于4000kN后明显高于原桩，同时上移700mm时下盘的载荷量略高于上移1400mm的载荷量；同时上移情况下的侧摩阻分担荷载小于原桩，其减小的部分转变为由下盘承担，上盘分担荷载量不变。因此，下盘位置的调整对桩体的承力性状有较大的影响，其合理的盘位应在距桩端两个盘径的位置。

4　结论

（1）通过有限元数值模拟与原位试验对比分析，验证了有限元模拟的可靠性。挤扩支盘桩因支盘的承力作用将桩体变为摩擦多点端承桩，大幅提高了桩的承载力，并拥有便于施工的特点。

（2）对于细长双盘支盘桩，上盘在适当幅度调整位置时并不影响桩体的整体承力性状，在实际工况中应根据地质情况将上支盘设置在承力性能较好的土层中。

（3）对于细长双盘支盘桩，下盘位置的调整对桩体的承力性状有较大的影响，其合理的盘位应在距桩端两个桩径的位置。

[1]张清林，陈立宏.DX桩群桩承载性状的数值分析[J].中国工程科学，2012，14（1）：51～59.

[2]王伊丽，徐良英，李碧青，徐长节.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.

[3]王有凯，丰晓灿，张敏霞.挤扩支盘灌注桩承载性状的试验研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014，33（06）：799～803.