盘悬挑径对NT-CEP桩群桩抗拔破坏机理影响研究

（1：吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2：华东建筑设计研究院有限公司，上海 200000；3：吉林新龙房地产开发有限公司，吉林 长春 130051；4：山东泰开环保科技有限公司，山东 泰安 271000）

摘要：盘悬挑径是新型混凝土扩盘桩（New Type Concrete Expanded-Plate Pile，以下简称NT-CEP桩）群桩抗拔影响的主要因素，本文采用ANSYS有限元模拟分析的方法建立六组不同盘悬挑径的四桩模型，研究不同盘悬挑径对NT-CEP桩群桩抗拔承载能力和群桩效应的影响，根据以往单桩和双桩的研究成果，对比单桩、双桩和四桩的抗拔承载力，分析群桩效应对抗拔承载力的影响，揭示群桩桩周土体破坏机理。通过本文模拟结果得到以下结论：盘悬挑径越大，群桩的抗拔承载能力越强，但抗拔承载能力增长并不是线性变化。当盘悬挑径大于1.75倍桩径时，群桩的承载力提高不明显，盘悬挑径与桩径的比值应在1.5倍～1.75倍为最佳。此结论为NT-CEP桩群桩在工程设计及推广应用奠定理论基础。

关键词：新型混凝土扩盘桩（NT-CEP桩）；盘悬挑径；群桩；抗拔性能；有限元模拟分析

中图分类号：TU473" " " " " " "文献标志码：A" " " " " " " 文章编号：

Study on the Influence of Disc Cantilever Diameter on the Uplift Failure Mechanism of NT-CEP Pile Group

CHE Mingyue1，QIAN Yongmei1*，HE Manman2，ZHANG Shilei3，ZHANG Kai4

（1：School of civi engineering， Jilin Jianzhu university， Changchun Jilin 130118， China；2：East China Architectural Design amp; Research Institute Co.，Ltd ， Shanghai 200000， China；3：Jilin Xinlong Real Estate Development Co.Ltd，Changchun Jilin 130051，China；4：Shandong Taikai Environmental Protection Technology Co.， Ltd，Taian Shandong 271000，China）

Abstract：Disc cantilever diameter is the main factor influencing the uplift of New Type Concrete Expanded Plate Pile （NT-CEP pile），in this paper，six groups of four pile models with different disc cantilever diameters are established by using ANSYS finite element simulation analysis method，the influence of different disc cantilever diameters on the pull-out bearing capacity and pile group effect of NT-CEP piles is studied，the pull-out bearing capacity of single pile，double pile and four pile is compared according to the previous research results of single and double pile，the influence of pile group effect on uplift bearing capacity is analyzed，and the failure mechanism of soil around pile group is revealed.The following conclusions are obtained from the simulation results： the larger the disc cantilever diameter，the stronger the uplift bearing capacity of pile group，but the increase of uplift bearing capacity is not linear.When the disc cantilever diameter is greater than 1.75 times the pile diameter， the bearing capacity of pile group is not significantly improved，and the ratio of disc cantilever diameter to pile diameter should be between 1.5 times and 1.75 times.This conclusion lays a theoretical foundation for NT-CEP pile group in engineering design and application.

Keywords ：New Type Concrete Expanded-Plate Pile （NT-CEP pile）;disc cantilever diameter; pile group;pull-out resistance; finite element simulation analysis

0 引言

NT-CEP桩是一种新型灌注变截面桩型，凭借其施工成本低、承载力高、沉降量小等特点在工程实际中得到越来越广泛地应用[1]。目前国内外对普通直孔群桩[2-3]和变截面单桩[4]的研究较多，对NT-CEP桩的研究主要集中在单、双桩[5-6]，而对NT-CEP群桩的研究几乎为空白，且变截面群桩研究成果对NT-CEP群桩研究具有一定的借鉴作用[7-8]，但无法直接应用于NT-CEP群桩。在实际工程中受上部结构的类型、地形条件等因素影响，群桩在工程中的应用也非常普遍，因此必须对NT-CEP群桩在上拔荷载作用下的承载特性进行研究。“群桩效应”会对极限抗拔承载力造成影响[9]，因此对NT-CEP群桩抗拔承载性能研究能够为混凝土扩盘桩更为广泛地推广和应用起到良好的促进作用。

1 ANSYS有限元建模

1.1 材料参数

依据前期研究成果确定桩身与土体参数见表1。

1.2 模型参数

依据课题组研究成果确定模型桩尺寸数据，桩身长度设定为8 m，桩径为0.5 m，承力盘根据NT-CEP桩施工工艺设定为上下不对称形式，盘上坡角为35°，盘下坡角为20°，桩间距为3.5 m。模型桩、四桩平面布置方案，如图1～图2 所示。

在构建ANSYS有限元模型构筑时，采用映射网格划分的方法[10-11]，采用弹性模型中的非线性弹性模型建立土体模型，弹塑性模型建立桩身模型，为使研究具有普遍性并符合工程实际应用，设置六组四桩（2×2）进行模拟分析，编号为MG1～MG6，六组盘悬挑径分别取1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.25倍桩径，具体参数如表2所示。选择面荷载对桩身顶部区域施加竖向拉力。选用荷载控制加载，提取相应的荷载位移数据，当桩顶位移达到95 mm时，其荷载视为极限荷载，终止加载。

2 四桩模拟结果分析

提取模拟分析中桩身与桩周土体的位移云图。由于各组模型的位移云图及荷载-位移曲线变化趋势接近，因此本文选取具有代表性的MG4组（1.75d）桩模型和相应的模拟数据进行受力过程和破坏状态详述。

2.1 位移云图分析

分别提取竖向拉力大小分别为400 kN，4 000 kN，6 400 kN，7 600 kN时的Y方向位移云图，如图3所示。

从图3可以看出：加载初期如图3（a）所示，承力盘与下部土体初步出现分离现象，承载力主要由桩侧摩阻力提供，承力盘发挥作用小；施加荷载为4 000 kN时，承力盘对盘上土体出现压缩现象，承力盘开始发挥作用，四桩之间土体开始产生相互影响，但桩间土体发生位移较小，对四桩的承载性能影响不大，如图3（b）所示；荷载增加至6 400 kN时，桩之间土体出现贯通水平裂缝，盘上土体位移滑移现象出现，形成接近于“倒心型”的位移云图，如图3（c）所示；荷载到7 600 kN时，四桩之间土体相互影响范围增大，各桩承力盘上部位移云图出现大范围接触现象，桩顶的竖向位移数据已达到极限位移，如图3（d）所示。

2.2 荷载-位移曲线对比分析

提取六组不同盘悬挑径下的桩顶荷载-位移数据，并绘制荷载-位移曲线，如图4所示。

从图4可以看出：六组曲线变化趋势基桩顶位移达到95 mm时，视为桩周土体达到破坏状态，提取此时六组模拟桩极限荷载数值，相邻盘悬挑径极限荷载差值百分比如图5所示。

在相同荷载下，随着盘悬挑径的增大，NT-CEP群桩的竖直方向位移减小，承载能力更好。加载初期，曲线发展较为“平缓”，桩顶竖向拉力增加后，曲线呈现“轻微陡降趋势”，对比位移云图，承力盘上部土体开始压缩，荷载-位移曲线未出现较大斜率的下降，盘端刚出现水平裂缝，还未产生桩间土体相互影响；荷载继续增加，曲线开始出现下降斜率增大，对比位移云图，桩间土体产生的水平裂缝发生相互贯通现象，桩间土体产生拉裂破坏，逐渐失去承载能力。

从图5可以看出：在盘悬挑径为1.25d～1.5d时，荷载差值最大，桩身达到极限状态需要施加的荷载值增大了28.21%，群桩的承载力提升最为明显，之后随着盘悬挑径增大，荷载差值逐渐减小， 群桩承载力的效率提升逐渐降低。这说明承力盘的盘悬挑径要选取在一定合理范围内，才能有效提高承载力。

3 单桩与双桩、四桩抗拔承载性状对比分析

提取盘悬挑径为1.75倍桩径下的单桩、双桩及四桩的桩顶荷载-位移曲线数据，并绘制荷载-位移曲线如图6所示。

1） 桩顶位移值大小相同的情况下，双桩的荷载-位移曲线与单桩2倍参考线基本重合，四桩的曲线与双桩的2倍参考线基本重合，说明双桩、四桩未产生桩间相互影响现象，每根桩承载能力充分发挥。

2） 四桩的荷载-位移曲线与双桩2倍参考线间距逐渐增大，荷载值增大，间距也增大，四桩的承载力要小于双桩的2倍，是由于四桩之间土体产生相互影响，四桩中单根桩的平均承载力小于单桩承载力，并随着荷载值的增加，四桩的抗拔承载力与2倍的双桩承载力差值增大。

3） 桩顶位移值极限位移，单桩与双桩、四桩均达到破坏状态时，在盘悬挑径均为桩径的1.75倍情况下，双桩破坏荷载约为单桩破坏荷载的1.93倍，四桩破坏荷载约为双桩破坏荷载的1.916倍，说明相同盘悬挑径的情况下，四桩间群桩效应较大，对单根桩承载力发挥有所影响。

4 结论

通过对不同盘悬挑径下NT-CEP群桩抗拔破坏机理及承载性能的理论分析及数值模拟研究，得出结论如下。

1） 桩间距相同时，与单桩相似，盘悬挑径越大，群桩的抗拔承载能力越强，但抗拔承载能力增长并不是线性变化。当盘悬挑径大于1.75倍桩径时，群桩的承载力提高不明显，且混凝土用量会增大，在盘高不变的同时，盘悬挑径的增大，必定会在承力盘上发生冲切破坏。因此，盘悬挑径与桩径的比值应在1.5倍～1.75倍为最佳，能有效发挥承力盘作用。

2） 对比双桩和四桩，虽然桩数增加了一倍，但群桩总承载力并没有增加一倍。主要是受群桩效应影响，每根桩的承载力出现了不同程度的折减，具体受到桩数、桩间距、盘位置等因素的影响。

本文的研究结论在单、双桩研究成果上，完善了NT-CEP群桩抗拔承载力设计机理，为确定不同盘悬挑径下NT-CEP群桩抗拔承载力折减系数及计算模式提供了理论依据，为NT-CEP群桩在实际工程中的应用奠定了理论基础。

参 考 文 献

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编辑：王国岩

基金项目：国家自然科学基金项目（52078239）

作者简介： 车铭岳（1999～），男，吉林省吉林市人，硕士，研究方向：桩基础。

*通讯作者：钱永梅（1970～），女，吉林省长春市人，教授，博士，研究方向：桩基础，E-mail：654675316@qq.com。