挤扩支盘桩竖向承载性能及影响因素研究

陈嘉伟，杨耀生

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

0 前 言

支盘桩作为一种新型的变截面桩，通过液压挤扩设备将桩周土体挤扩成盘，形成了桩和承力盘共同作用下的摩擦端承桩。在其上部施加的竖向荷载，通过桩侧、承力盘和桩端共同承担，使得支盘桩相比等直径桩具有承载力高、沉降量小等一系列优点[1-3]，在实际工程中已经得到广泛的应用。但目前对于挤扩支盘单桩受竖向荷载作用下的荷载传递机理和承载变形特性研究较少，由于采用现场静载试验研究挤扩支盘桩承载性能成本偏高且无法研究其影响因素，所以大多采用数值模拟的方法研究挤扩支盘桩竖向承载性能[4]。本文将采用数值模拟的方法，通过ABAQUS有限元软件建立挤扩支盘桩模型，研究挤扩支盘桩在竖向荷载作用下的承载性能，并分析不同承力盘数量、盘间距和盘径比对其承载性能产生的影响，为实际工程提供理论依据。

1 工程实例有限元验证

为了验证使用有限元方法进行模拟的准确性，需要将现场试桩试验的结果与有限元分析的结果进行对比，以此来保证有限元建模时的合理性。现对某一挤扩支盘单桩现场试验进行模拟，其现场试桩场地除表层为填土外，其余土层主要以粉土、淤泥质土、黏性土为主，土层参数如表1所示。挤扩支盘桩桩顶位于地表处，设计桩长为20 m，桩径为700 mm。在距桩底2 m和7 m处设置承力盘，盘径为1 400 mm，盘高700 mm。

表1 土体物理参数

采用ABAQUS软件对上述挤扩支盘单桩进行三维有限元模型的建立，模型桩尺寸与现场试验相同，为减低边界条件的影响，土体深度取2倍桩长，半径取30倍桩径进行计算。划分网格后的有限元模型如图1所示。

(a)桩体网格划分图

模型桩顶加载与现场试桩加载一致，每级荷载400 kN，共施加十级荷载，计算得到Q-s曲线与实测曲线对比见图2。

图2 Q-s曲线对比图

由图2可以看出现场实测曲线与有限元分析曲线均为缓变形曲线，二者吻合情况较好，说明可以使用有限元分析方法进行研究。

2 挤扩支盘桩竖向承载性能

本节将使用有限元软件分别对直孔桩和挤扩支盘桩建模，其中直孔桩桩径为0.5 m，桩长为15 m。挤扩支盘桩的桩长和桩径与直孔桩一致，承力盘设置距桩底5 m处，盘径为1 m。土体采用单一土层进行模拟，土层参数γ=19.5 kN·m，E=40 MPa，ν=0.3，c=15 kPa，φ=27°。对直孔桩与挤扩支盘桩施加相同的竖向荷载后进行计算分析，得到桩周土体应力和位移云图如图3所示。

由图3可知，两桩桩周土体应力和位移云图相比存在明显差异，其中直孔桩桩周土体应力主要集中在桩端，并以桩端为中心向四周发散，表明直孔桩在竖向荷载的作用下，沿桩身将大部分荷载传递至桩端，桩端阻力得到了充分的发挥。但过大的桩端荷载会导致下方土体变形量增大，使得桩顶沉降值也随之增大，影响了桩的安全使用。而挤扩支盘桩因为在桩身处设置了承力盘这一构件，使得一部分原本集中在桩端处的应力由承力盘转移至桩周土体中，削弱了桩端处的应力，从而改变了桩周土体原本的应力分布。这表明承力盘承担了部分桩顶荷载，降低了传递至桩端的荷载，减小了桩端土体的变形，进而提升了桩的承载能力。

(a)直孔桩应力云图

3 挤扩支盘桩影响因素研究

为进一步研究挤扩支盘桩承载特性，考虑到承力盘数量、承力盘间距和承力盘径与桩径之比这三种影响因素，设计了以下7种桩型进行对比分析，建立模型所采用的参数与上文一致，各桩型部分参数如表2所示。

表2 模型桩参数

对上述7种挤扩支盘单桩施加相同的竖向荷载，经计算后各桩桩周土体竖向位移云图如图4所示。

(a)1#桩位移云图

3.1 承力盘数量对土体位移场的影响

1#、2#、3#桩为不同承力盘数量的挤扩支盘桩，桩周土竖向位移云图如图4(a)～(c)所示。三根桩的桩周土体位移存在明显差异，其中1#桩在桩身设置一个承力盘，由桩顶传递下的荷载通过承力盘扩散之后大部分都传递至桩端土层中，造成土体严重变形，竖向位移达到了116.4 mm。2#桩在桩身处设置两个承力盘，每个承力盘都能分担一部分桩顶荷载，大幅度降低了传递至桩端的荷载，削弱了桩端位移场，其最大竖向位移为46.6 mm，相比1#桩竖向位移降低了59.9%。3#桩在桩身处设置了三个承力盘，极大降低了桩端阻力，使得桩端土体竖向位移降至22.5 mm，相比两承力盘的挤扩支盘桩竖向位移降低了51.7%。

3.2 承力盘间距对土体位移场的影响

2#、4#、5#桩为不同盘间距下的双盘挤扩支盘桩。如图4(b)、(d)、(e)所示，4#桩的承力盘间距较小，在桩顶的竖向荷载作用下第一个承力盘下部的土体位移扩大到第二个承力盘处，两个承力盘间位移云图相互重叠，竖向位移程度较一致，具有整体性，最终竖向位移为72.4 mm。图4(e)为5#桩的桩周土体竖向位移图，两承力盘间距离较大，上承力盘的下部土体位移有一部分扩散到下承力盘处，两个承力盘之间的位移云图重叠较少，整体性一般，最终竖向位移为52.8 mm。2#桩的桩周土竖向位移如图4(b)，承力盘间桩周土体竖向位移呈现先减小后增加的规律，上承力盘受力后挤压下方土体产生位移，随着压力的消散土体产生的竖向位移逐渐减小，直到下承力盘受力后再次挤压下方土体产生竖向位移，位移值为46.6 mm。综合上述三根挤扩支盘桩的沉降云图发现随着承力盘间距的增大，其竖向位移在逐渐减低。

3.3 盘径比对土体位移场的影响

1#、6#和7#桩分别为2、3、4倍盘径比下的挤扩支盘桩，桩周土体位移云图如图4(a)、(f)、(g)所示。三根桩的桩周土体位移场形状较为相似，但大小存在明显差异。其中1#桩设置了两倍桩径的承力盘，当荷载通过承力盘传递至周围土层中时，影响范围较小，削弱荷载能力有限，桩端承受较大荷载，桩整体具有较大的沉降值。6#桩采用三倍桩径的承力盘，在受竖向荷载作用时，承力盘下侧土体影响范围明显变大，使得土体分担了更多荷载，降低了桩端处的受力，提高了桩的承载能力。7#桩的承力盘直径最大，桩周土位移场范围进一步扩大，并且有一部分扩散至桩端处，此时桩端所承受的荷载最小，单桩沉降量也达到最小。

4 结 论

通过对直孔桩和挤扩支盘桩的有限元模型进行对比分析，验证了挤扩支盘桩具有高承载力，低沉降量的特点。此外设置了7种桩型的挤扩支盘桩进行对比分析，研究承力盘数量、承力盘间距和盘径比等影响因素对单桩沉降量的影响，结果如下。

1)增加挤扩支盘桩身处的承力盘数目，能有效地降低桩端处所受荷载，大幅度减小群桩竖向位移，提升单桩承载力。

2)若挤扩支盘桩设置多个承力盘时，盘间距离会影响其承载性能。当盘间距离大于三倍盘径时，盘间相互作用的影响已经小到可忽略，承力盘能充分发挥承载性能。

3)承力盘的大小对桩的承载性能有很大的影响，当承力盘直径与桩径之比较小时，其所能分担的荷载较小，土体影响范围也比较小。当盘径比较大时，承力盘所分担的荷载更多，但是对土体的影响范围也较大，也需要更大的盘间距来充分发挥其承载力。

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