（岩土工程专业论文）挤扩支盘桩的有限元模拟与承载特性分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 挤扩支盘桩的有限元模拟与承载特性分析 摘要 挤扩支盘桩是在原有等截面混凝土灌注桩的基础上研发成功的，这种 桩型的显著特点是单桩承载力高，沉降量小，具有良好的社会和经济效益。 在支盘桩的研究中，众多学者着重分析了桩在承受竖向荷载或承受水平荷 载作用下的承载力特性。然而在实际工程中，桩基往往是同时承受竖向和 水平商两种藉载，在港豳、道褥工程中尤其如此。本文就支盎桩的承载特 性阀题采用通用工程有限元分孝斤软件a n s y s ，对支盘桩的承载特性进彳亍了数 值模拟，深入分析了支盎桩在承受水平荷载和竖向荷载作用下的工彳乍性状。 主要工作包括： 首先，运用a n s y s 软件，建立了适用于挤扩支盘桩和直孔桩( 以下简称 直孔桩) 的三维有限元模型，设计出比较合理的竖向承载力模拟方案和水平 承载力模拟方案。计算中桩体材料采用线弹性模型，土体采用d - p 模型， 桩之闻采用蟊一面接触单元来模拟土体与桩体交界面处的开裂与滑移。 其次，对支盘桩与童孔桩在耩圊条件下熊鳖淘承载特性帮永平承载特 性分另进行了三维有限元对比分析。利用有限元模拟计算得蕊的主要结论 有：由于在桩的适当部位设嚣了大于桩截面的支盘，使支盘附近土层中的 应力值增大，相当于在承受荷载前对土体进行“预压 作用，因此使支盘 桩的承载力提高的同时，桩基的沉降量有显著的降低。支盘桩在水平荷载 的作用下，当支盘设置的离地面越近，支盘间距较小时，支盘桩的水平承 载力越大。 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 再次，分析了支盘桩和直孔桩分别在竖向荷载和水平荷载作用下的最 大主应力场、最小主应力场、竖向剪应力场和位移场的分布规律。并将支 盘桩的大小主应力场，位移场和直孔桩的大小主应力场、位移场进行了对 比分析。根据有限元模拟结果，对所设计的支盘桩模型的两个承力支盘在 加载初期的应力变化情况单独做了分析，对支盘的承载特性有了比较全面 的了解。另外，对支盘桩桩周土体的应力场进行了全面的分析，并与直孔 桩桩周土体的应力场作了对比，总结出桩周土体的塑性区域发展的规律。 最后，对比分析了支盘桩与直孔桩在设置接触单元和无接触单元时的 应力与位移，验证了使用接触单元的模型的合理性。对支盘桩和直孔桩接 触单元的开裂、滑移和应力情况作了对比分析，分析结果表明在水平荷载 作用下支盘桩桩土之间的开裂与滑移均比普通桩小。 关键词：挤扩支盘桩，承载特性分析，有限元模拟，接触单元，a n s y s 太原理王大学硕士研究生学位论文 f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n db e a r i n g c a p a c i t ya n a l y s i s0 fc a s t - i n s i t up i l e s w i t he x p a n d e d b r a n c h e sa n dp l a t e s a b s t r a c t c a s t - i n s i t up i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sw h i c hw a sd e v e l o p e d o nt h eb a s i so fc o n s t a n ts e c t i o nb o r e dp i l ei san e w t y p eo fp i l e t h eo u t s t a n d i n g p o i n t s o ft h i sk i n d o fp i l ea r eb o t hh i g h e rb e a r i n g c a p a c i t ya n dl o w e r d i s p l a c e m e n tt h a nt h ep i l ew i t hc o n s t a n ts e c t i o n0 1 1t h es a m ec o n d i t i o n s ，o f f e r i n g b o t hw e l le c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s m u c ha t t e n t i o nh a v eb e e np a i do nt h e b e a t i n gc a p a c i t yp r o p e r t y u n d e rl a t e r a ll o a do rv e r t i c a ll o a d i n f a c t ，o v e r w h e l m i n gp i l e sf o u n d a t i o nw o r ku n d e rb o t hl a t e r a la n dv e r t i c a ll o a da t t h es a m et i m e ，e s p e c i a l l yi no c e a ne n g i n e e r i n ga n db r i d g ee n g i n e e r i n g 。t h i s p a p e rm a k e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eb e a r i n gc a p a c i t yp r o p e r t yo ft h e c a s t - i n - s i t up i l e w i 也e x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sb yu s i n gt h ea n s y s s o f t - w a r e ，m a k i n go v e r a l la n a l y s i so fw o r k i n gp r o p e r t yu n d e ro n l yl a t e r a ll o a d a n dv e r t i c a ll o a d m u c ha n a l y s i so nt h eb e a r i n gc a p a c i t yp r o p e r t yh a v eb e e n m a d ei nt h i sp a p e r t h em a i no r i g i n a lw o r ki n c l u d e s ： f i r s t ，b yu s i n ga n a s y ss o f t w a r e ，t h et h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n t m o d e l so ft h ec a s t - i n - s i t up i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h ep i l e w i t hc o n s t a n ts e c t i o nw e r e d e v e l o p e d ，a n dt h er a t i o n a lb e a r i n gc a p a c i t y i i i p r o g r a m sh a v eb e e nd e s i g n e dw h i c ha r en e e d e di nt h ea n a l y s i so f t h i sp a p e r i n t h ec a l c u l a t i o n ，t h el i n e a re l a s t i cm o d e li sc h o s e nt oc o n s i d e rt h ep i l em a t e r i a l ， a n dt h ed pm o d e li sc h o s e nt oc o n s i d e rt h es o i la r o u n dt h ep i l e t h e s u r f a c e s u r f a c ec o n t a c t i n ge l e m e n tw a sa d o p t e dt oc o n s i d e rt h eg a pa n ds l i d i n g d i s t a n c eb e t w e e np i l ea n ds o i li n t e r f a c e s e c o n d l y , b a s e do nt h er e s u l t s o f3 一df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e c a s t i n s u i tp i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h ep i l ew i t hc o n s t a n t s e c t i o nu n d e ro n l yl a t e r a ll o a da n dv e r t i c a ll o a d ，s o m en u m e r i c a lc o n c l u s i o n s c a nb ed e v e l o p e d t h e yi n c l u d e ：a sar e s u l to fb r a n c h e sw i t hl a r g e rs e c t i o nt h a n p i l es e c t i o na r ep l a c e da tp r o p e rl o c a t i o no fp i l e ，w h i c hc a ne x e r tp r e p u n c hl o a d o nt h es o i la r o u n dt h ep i l eb o d y , h i g h e rb e a r i n g c a p a c i t ya n dl o w e rd i s p l a c e m e n t a r eo f f e r e db yc a s t - i n - s i t up i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n d p l a t e st h a np i l ew i m c o n s t a n ts e c t i o n w h e nb r a n c h e sa n dp l a t e sw e r ep l a c e dc l o s e rg r o u n d ，o rt h e d i s t a n c eb e t w e e nb r a n c h e si so n et i m e st h ed i a m e t e ro ft h eb r a n c h e s ，t h el a t e r a l l o a dc a p a c i t yo fp i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e si sl a r g e rt h a no t h e r d i s t a n c eb e t w e e nb r a n c h e s t h i r d l y , a n a l y s i so nt h ef i r s ts t r e s sf i e l d ，t h et h i r ds t r e s sf i e l d , v e r t i c a l s h e a rs t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l do ft h ep i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n d p l a t e sa n dt h ep i l ew i t hc o n s t a n ts e c t i o nu n d e r v e r t i c a ll o a da n dl a t e r a ll o a dw e r e m a d e r e l a t e dc o m p a r i n ga n a l y s i so np r i n c i p a ls t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l d o ft h ep i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h ep i l ew i t hc o n s t a n ts e c t i o n w e r ea l s om a d e o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i so ns t r e s sp r o p e r t ya tt h ee a r l yp r o c e s so fl o a de x e r t e dt ot h et w o b r a n c h e sw h i c hb e l o n gt ot h em o d e lo ft h ep i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n d p l a t e sd e s i g n e db yt h i sp a p e rw e r em a d e ，s o m el a wo ns t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h e b r a n c h e sw e r ed e v e l o p e d 。f u r t h e r m o r e ，b yc o m p a r i n ga n a l y s i so ns t r e s sf i e l do f s o i la r o u n dt h ep i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h ep i l ew i t h c o n s t a n ts e c t i o n ，s o m el a wa b o u tt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f p l a s t i ca r e ao fs o i l a r o u n dt h ep i l ew e r ed e v e l o p e d a t l a s t ，b yc o m p a r i n ga n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o n so fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to ft h ec a s t - i n - s u i tp i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h e p i l ew i t hc o n s t a n ts e c t i o nw i t hc o n t a c t i n ge l e m e n ta n dw i t h o u ti t ，w ef o u n dt h a t t h em o d e lw i t h c o n t a c t i n g e l e m e n ti sb e a e r b y c o m p a r i n ga n a l y s i s o n g a p ，s l i d i n gd i s t a n c ea n dc o n t a c t i n gs t r e s so fc o n t a c t i n ge l e m e n to ft h e c a s t - i n 。s u i tp i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h ep i l ew i t hc o n s t a n t s e c t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tg a pa n ds l i d i n gd i s t a n c eo ft h ec a s t i n - s u i tp i l e w i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa r ef e w e rt h a nt h ep i l ew i t hc o n s t a n ts e c t i o n u n d e rl a t e r a ll o a d k e yw o r d s ：c a s t - i n s u i t p i l ew i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e s ，a n a l y s i s o fb e a r i n gc a p a c i t y , f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，c o n t a c t i n g e l e m e n t ，a n s y s v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄董堕。日期：星丝星：室z ：! 墨 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学梭可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名彗牡嗍型幽址 导师签名： 缉乏二垒 日期： 丕竺绥辜笸宜主直 太服理工大学硕士研究生学位论文 。1 引言 第一章绪论 桩是种古老的处理不良地基的有效方法“，我困早在新石器时代就有使用木桩的 记录。从桩的受力特征和俸用形式而言，可以给桩一个简单的定义：桩一垂直或顿斜堙 置于主体或嵌阂子岩石孛的受力秆彳牛。遮定义卺食了鞋酶三要素：设要方岛、包豳介 质、结构特性。桩结梅本身是受力耔件，“释件”的计算在结构力学孛是较为简单的。 我们在计算桩身强度时，出于杆件的结构特性，无论是受压、受上拔力作用( 拉力) 或 压弯等分析都较为方便。 桩虽然具有最简单的结构特性一“杆件”，但由于和桩发生作用的周围介质一( 岩) 土的复杂性构成了单桩承载力这个困扰工程设计入员的“难题 。历经多年的工程实践 和理论研究，桩的材料、糖径、桩型、施工方法都有了长足的发展，其中应用最广泛， 当蔫钴孔灌注摭，箕影构长达半个多整纪。进入2 世纪9 g 年代戳来，新桩型和薪工避 豹飞速发展，带动了桩枧技术发展进步。我鬓岩科技工作者在这一领域开展了大量的 科研工作。将体加固技术融入桩工技术以提离单桩承载力成为新桩型、新工艺开发的 主流。新型挤扩支盘桩就是这一时期的产物，挤扩支盘桩乃是利用静力挤扩技术，即加 密增强土体又扩大桩的承载截面积，从而大幅度提高桩的承载力，这种桩型是多级钻孔 桩( 糖葫芦桩) 技术的延伸和发展。 挤扩支盘灌注桩由于其多级扩头的存在改变了黄统直孔摭的蘅载传递和交形性状， 桩侧土层的蘅载分撼率和应力扩敖度提高，桩端薄载溅小，桩周屡的性质对于桩的承 载力期沉降的影螭加大。隧此，承载力和沉降的计算、挤扩支盘的布置与闻距、桩的最 小中心矩、群桩效应等都成为设计应用的新课题。 1 。2 挤扩支盘桩的主要特点及地质适用范围硷1 。2 。 揍扩支盘桩蓊主要特点 ( 1 ) 单桩承载力随。挤扩支盘桩是通过在援身不嗣断面设置承力盘，变相的扩大了 桩身截面的同时还对桩周部分土层进行挤密，这样改变了桩的受力机理，就单桩承载力 而言，比同尺寸条件下的普通灌注桩高许多，单方混凝土贡献的承载力也相应的提高。 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 对不同土质的适应性强。在内陆冲积和洪积平原及沿海，河口等部位的海陆交 替层及三角洲平原下的硬塑性粘土层，密实粉土、粉细砂层或中粗砂层等均适合做支盘 桩的持力层。且不受地下水位高低的限制。 ( 3 ) 可以利用沿桩身不同部位的硬土层来设置承力盘，将摩擦桩改为变截面的多 支点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。这样的基础会使建筑物稳定，抗震性好， 沉降变形更小。 ( 4 ) 成桩工艺适用范围广。可用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成孔工艺、水泥注 浆护壁成孔工艺和重锤挤扩成孔工艺。 ( 5 ) 施工环境环保化。与打入式预制桩相比，施工噪声低、无振动；与普通水泥 浆护壁直孔桩完成等值承载力相比，泥浆排放量显著减少。 ( 6 ) 由于单桩承载力较大，在相同的情况下，可比普通直孔桩缩短桩长，减少桩 径或减少桩数，作为高层建筑物及重要构筑物的基础，可供设计灵活使用，既可作柱下 单桩方案以减少承台施工量，又可沿箱基墙下或筏基柱下布桩以减少底板厚度及配筋 量。这样可达到节省投资，而且施工方便，工期短、造价低、质量优。 1 2 2 挤扩支盘桩的主要缺点 ( 1 ) 施工场地狭小时，不利于成型器的摆放。 ( 2 ) 设计参数及承载力计算公式尚需进一步完善。 ( 3 ) 因是多节桩，用低应变检测其完整性难度较大。 ( 4 ) 挤扩力还需增大，以便在硬土层中挤扩。 1 2 3 挤扩支盘桩的地质适用范围 挤扩支盘桩独特的优点是桩的承载力比直孔桩高，但也不是“万能桩”，是否采用 挤扩支盘桩还要根据地质条件来决定。根据工程实践经验和挤扩支盘桩的成桩工艺，该 桩型在下列地质条件下宜用或不宜用。 ( 一) 地下水位对挤扩支盘桩选用的规定 1 在地下水位以上，干作业成桩的情况 适宜设计支盘的土层为粘性土、粉土，不适宦设置支盘的土层为砂性土，砂性土在 干作业情况下难以挤扩成盘，而且易引起塌孔。 2 太缀理工大学硕士研究生学位论文 2 在地下水位以下，泥浆护壁成桩的情况 这种湿法成孔豫业适宜设置支盘的土层为砂性，粉士、劈石层以及强、中风化岩 层等，不适宜设置支盘的层为饱和性粘。 3 承力盘与分支的设爱原则 承力盘应设置在可塑硬塑状态的粘性土中，或稍密密实状态( n u ) ，有效应力将迫使土体产生塑性变形，原状结构被破坏对于砂土， 迫使土颗粒在移动过程中重新排列组合，达到紧密堆积状态，土体的密度、强度增大；对 于粘性土，由于挤压应力大于土颗粒粒问吸附能，天然结构被破坏，并产生较大的孔隙水 压力，但随着时间的推移，孔隙水压力逐渐消散，其强度逐渐恢复，并高于原状土。 ( 2 ) 固结阶段 挤扩过程结束后，上体中仍保持一定的孔隙水压力，土体在此压力作用下排水固结。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 对予砂土，孔隙永压力消散很快，在挤压过程中基本完成排水固结作震，砂土进一步密 实；丙对手粘性土，孔隙水莲力消教很慢，在消散过程中，粒闯重薪形成新的水膜和结构 连接，土的强度逐渐恢复和提高。在整个挤扩过程中，土体的运动方向及位移量是一种复 杂的动态过程，与挤压力0 、弓压臂张开角a 及土体的压缩模量& 、泊松比v 等有关，其 关系可用下式表达： k a = 0 ( 1 1 ) 式中： k 卜一地基土的刚度凝聚； 土体的位移； 0 一挤燕应力； 正是幽于这种挤密效应，支盘上下端土体才得到了压密，土体的内摩擦角、内聚力、 压缩模量、侧压力系数均有所增加，压缩性减小，其物理力学性质都高于原状土。 1 4 1 2 孔隙水压力消散过程 当扩孔完成后，随即下钢筋笼和浇注混凝土。随后，挤扩时所产生的超孔隙水压力也 逐渐随时闯消散。在支盘黯周的界面上超孔隙水压力的瀵敬近似于凰球面扩教，相应于 球对称固结课题根据t e r z a g h i 的固结理论，假设土是均质备向同性线弹性介质，土为完 全饱和的，土粒和水的压缩可忽略不计，中水的渗流服从达西定律：在固结过程中总压 力为恒定的，土的渗透系数保持常数t e r z a g h i 的孔隙水压力消散的固结微分方程为： c f 軎+ 剖= 詈 江2 ， 式中：e 为土的固结系数。 当桩闵为粘性土时，扩孔孳| 起的瞬时超孔隙水压力超过竖囱或侧向有效应力时便 会在粘土层中产生劈裂作用两消散，因此扩孔过程的超孔压一般稳定在土的有效自重压 力范围内扩孔后，超孔压消散较快。虽然在挤扩时土体受到扰动，强度瞬时显著降低，但 由于挤压力大，超孔压逐渐消散，其强度随时i 只j 逐渐增长，最终大于天然状态。 1 4 2 挤扩支盘桩破坏枧理 挤扩支盘桩的破坏机理类似子大直径扩底桩基础，当桩项受荷较小时，桩底承力盘 下部土体被挤密，当蕊载继续加大，承力盘底下土层被压密。由于施i f t 童通过液压装嚣挤 扩成孔，对桩闯压密，故盘底承载力高f 原状土，扩底盘的上部斜瓶出于桩体向下缱 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 移会出现临空面，如在适宜土层处设多个承力盘，则挤扩支盘桩的极限承载力会明显高 于大直径桩基础，而且可以解决水下砂土不易形成扩大头的困难。当有两个挤扩盘时，如 果其间距大于最小临界间距，则各承力盘周围的土体，在成桩时被挤密加固，承力盘能提 供较大的承载力。如果盘问距太近，则承力盘间的土体就可能被剪裂，甚至塌落到下面承 力盘的临空面缝隙中，从而破坏了这一段桩土间的摩擦力。当调置两个以上承力盘时，合 理的盘间距是设计多支盘桩的一个重要因素，因为盘间距太近，盘之间土层将会被剪坏， 根据大量的室内模型实验成果以及大量工程桩的工程实践，总结出盘间距与土层的关系， 在粘性土中承力盘最小临界间距小于砂性土中最小临界间距。分支的破坏机理与承力盘 的不同之处在于分支与土层的接触面比承力盘小，分支会产生剪切刺入破坏。 1 5 挤扩支盘桩的研究现状 目前在工程中，一般将挤扩支盘桩用作竖向抗压桩，因此人们大多研究挤扩支盘桩 在轴向压力下的受荷性状和设计、施工方法。就挤扩支盘桩的承载力计算公式而言，己 提出1 0 多种计算方法，多是根据土的物理指标与承载力参数( 极限侧阻力标准值及极限 端阻力标准值) 计算得到。研究者一般认为挤扩支盘桩的竖向承载力可由三部分组成：( 1 ) 桩侧摩阻力：( 2 ) 支盘阻力：( 3 ) 桩端阻力：其中支盘阻力又可分为支盘端阻力和支盘侧阻 力。文献h 儿5 6 1 的计算方法不计支盘侧阻力，而文献口1 的计算方法则不计桩端阻力。一般 认为，由于支盘的设置影响了桩侧摩阻力的发挥，因此应对桩侧摩阻力予以折减，可以 将支盘附近的土层厚度予以折减陋1 ，也可以按正常土层厚度计算出桩侧摩阻力后再乘一 折减系数旧1 。受支盘数量、支盘竖向间距及施工因素影响，支盘端阻力也应予以修正， 文献“3 建议的修正系数为o 9 ，文献陆1 建议的修正系数大于1 ，文献3 建议的修正系数为 o 7 6 一1 1 6 。对于桩端阻力，文献阳1 建议了修正系数介于o 8 4 和1 o 之间。 对挤扩支盘桩的荷载传递研究，目前仅限于单桩。崔江余嫡1 做了1 8 组不同盘距支盘 桩( 模型桩) 的静载试验和轴力测定，总结出不同盘问距对挤扩支盘桩承载力的影响。杨 志龙和吴兴龙口叩通过工程试桩现场试验和有限元分析，对挤扩支盘桩的受力机理进行研 究，提出支盘的承载作用明显、挤扩支盘桩为摩擦多支点端承桩、支盘附近的桩侧摩阻 力有所下降等结论。董建国运用荷载传递法，结合工程实例对多级挤扩钻孔灌注桩的 荷载传递特性进行了分析，认为d x 桩承力扩大盘的荷载传递特性与摩阻力相近，而与 桩端阻力有显著区别：给出了承力扩大盘的荷载传递函数，建议在进行设计时，挤扩支 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 盘被的承载力应由桩端阻力控制，并应有适量的沉降以充分发挥桩端阻力。研究表骧， 支盘昭竖内闻距是影响支盘阻力发挥的重要因素。当支盘闼距大于某一数值时，各支盘 独立工作，荷载沿桩身侧表面、各支盘下斜面和桩端传递：当支盘间距小于某一数值时， 各支盘附近的应力影响区互相叠加，荷载沿支盘盘径外包圆柱面和桩端传递，将这一间 距称为支盘临界间距。吴兴龙“认为支盘直径与桩径之比为2 ：l 时，支盘l 隘界间距 i c r = 7 d 或3 5 d ；杨志龙幻麓认为在密实土中，盘问临界间距i c r = s d 或2 5 d ，分支间或 分支与承力盘闻临界间距i c r = 4 d 或2 d ；在稍松软土中，盘问稿界间距i c r = 4 d 或2 矜，分 支闻或分支与承力盘问临界闻距i c r = 3 d 或l 。5 。 挤扩支盘摭对支盘附近土体的挤密作用是挤扩支盘桩区别予一般扩底桩的重要特 征。对于挤扩支盘桩的挤扩效应，也进行了理论及试验研究。吴兴龙n 运用轴对称的半 无限体小孔扩张的弹塑性理论，推导了挤扩过程中桩周土体的应力应变解析。1 9 9 4 年， 在中国水利水电科学研究院主持下，对支盘成型带来的土质压密效果进行了7 2 组试验， 得出了不同土质下压密的效栗和成型规律。崔江余穑1 对桩径6 0 0 m m 、盘径1 5 0 0 m m 的支盘 树进行了挤密作用的试验研究，认为成型挤密的影确范围水平方向在距桩孔外1 o m 以 内，垂壹方向在0 。5 m 以内，干密度的提高幅度最大可达到1 5 2 0 。 对于挤扩支盘桩的沉降计算，研究较少。吴永红n 3 1 等认为挤扩支盘桩属于摩擦多支 点端承桩，从该桩型的受力机理出发，应用分层总和法计算沉降的概念，提出了种多 支盘钻孔灌注桩基础沉降计算理论与方法，编制了相应的计算软件，计算值与实测结果 吻合较好。约投资5 6 万余元，经济效益显著。 对于支盘桩承载能力进行有限元分析的较多，赵明伟秘羽分析了支盘桩在水平荷载作 用下的承载特性，钱德玲瓢翱分析了支盘桩一地基相互作用的有限元分搴厅，过内其他学者 也进行了相关的研究。 其它方面的研究还有： 唐小阳n 6 1 对挤扩支盘桩进行了高应变动力测试，分析了测试曲线的曲线特征及应 用特点，对挤扩支盘桩在天津地区的应用提出若干建议。 1 6 本课题主要研究内容 纵观挤扩支盘桩的研究现状，可以发现虽然国内外对挤扩支盘桩翡荷载传递机理进 行了一些研究，但仍存在不少值得探 寸的阀题，例如：支盘阻力表现为端阻力特征还是 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 摩阻力特征? 荷载传递法在挤扩支盘桩中的适用性如何? 挤扩支盘桩群桩的荷载传递机 理如何? 为能更清楚地了解挤扩支盘桩的荷载传递机理，为工程应用提供可靠的理论依 据，本课题拟通过一工程实例的相关资料，进行支盘桩在水平荷载和竖向荷载作用下的 承载特性有限元分析，对水平荷载和竖向荷载作用下挤扩支盘桩单桩承载特性进行了分 析，具体内容如下： ( 1 ) 详尽的阐述了桩在受到竖向荷载和水平荷载作用时的工作状况，对桩基础现 有的竖向承载力和水平承载力分析计算理论进行了针对性的总结。 ( 2 ) 运用a n s y s 有限元分析软件，设计出合理的竖向承载力和水平承载力模拟方 案。根据支盘桩的几何形状、荷载性质、所用材料的力学性质、约束情况建立了适用于 挤扩支盘桩和直孔桩与其周围土体的三维桩土相互作用的有限元模拟模型。 ( 3 ) 依据有限元方法中的轴对称理论，分析支盘桩在竖向荷载下单桩的竖向承载力 特性、水平承载力特性，全面分析了支盘对桩体承载特性的影响。借助数值模拟结果， 分析了支盘位置的变化、间距的变化、形状的变化及桩周土层性质的变化对支盘桩的竖 向承载力特性、水平承载力特性的影响，并分析了支盘桩分别在竖向荷载和水平荷载作 用下的应力场、位移场变化规律和分布特征。 ( 4 ) 以轴对称有限元法为理论基础，分析支盘桩在竖向荷载下单桩的竖向承载特性 和水平承载特征。全面分析了支盘对桩体承载特性的影响。通过模拟支盘位置的变化。 间距的变化、形状的变化及桩周土层性质的变化对支盘桩的竖向承载特性和水平承载特 性的影响，并研究竖向荷载、水平荷载作用下支盘桩的应力场、位移场变化规律和分布 特征。 ( 5 ) 在对支盘桩进行竖向和水平向承载特性的分析过程中，为了模拟桩土相互作 用，在有限元模拟过程中选择面一面接触单元来反映桩土相互作用的影响。并对支盘桩 和直孔桩进行了有接触单元和无接触单元两种情况下的工况模拟，将计算结果进行了合 理的对比分析。 l0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章挤扩支盘桩承载力特性研究现状 桩的承载力研究是桩基工程中的重点和难点问题，直接关系到桩基的安全与经济合 理两大主题。经过长期的工程实践和理论研究，广大学者就桩土相互作用机理和承载力 确定等方翁提出了许多合理的计算理论和模型，本章试图对这些理论加以整理和总结。 2 竖向荷载作用下单桩的工作性状 桩的竖向承载力，取决于桩材料的强度，或土对桩的支承能力，般而言，桩的承 载力是由后者决定的，材料强度往往不能充分发挥作用。只有端承桩( 如支承在岩石、 较密实碎石土和砂土以及坚硬的粘性上的桩) ，即当土的承载力很高时，才可能由材 料强度控制桩的承载力。当竖向衙载逐步施加予单桩桩顶时，薇身上部收到压缩两产生 相对与的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。桩顼荷载通过桩所 发挥比来的的摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。 在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身 压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力会逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而产 生桩端阻力。桩端土层的压缩量加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力迸一步发挥出 来。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限艏，若继续增加搿载，其荷载增量将全部由桩 端阻力承撵。由于桩端持力层的大量压缩和塑挂挤出，位移增长速度显著加大，直至桩 端阻力达到极限，位移迅速增大葱破坏，此时所受的祷载就是桩的极限承载力。 2 。2 竖向荷载下单桩的计算n 力 在竖向荷载作用下，桩身将发生弹性压缩，同时桩顶部分的荷载传递到桩底，致使 桩底土层发生压缩变形，这两者之和构成桩顶轴向位移。桩与桩周土体紧密接触，当桩 相对于土商下位移时，土对桩产生向上作用的摩阻力。在桩顶荷载沿桩身尚下传递的过 程中，必须不断克服这种阻力，故桩身轴尚力隧深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力 为桩顶萄载减去全部桩侧阻力，并于桩底支承反力( 即桩端阻力) 大小相等、方向相反。 桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，或者说，土对桩的支承力有桩侧阻力和 桩端阻力两部分组成。 如图2 1 所示，竖直单桩在桩顶轴向力n = q 作用下，桩身任一深度z 处横截面：所 1l 太原理工大学硕士研究生学位论文 引起的轴力n z 将使该截面向下位移6 z ，桩端下沉以，导致桩身侧面与桩周土之间产生 相对滑移，其大小制约着土对桩侧向上作用的摩阻力r z 的发挥程度。由深度z 处桩段微 元d z 上力的平衡条件： ：一t “p 龙一( ：+ 州：) = o ( 2 1 ) 可得桩侧摩阻力与桩身轴力的关系为： f ：一一i 盟 ( 2 2 ) f z2 一 k 么么， “口 纪 式中f ：也就是桩侧单位面积上的荷载传递量，“p 为桩的周长。桩底的轴力工即为 桩端阻力q 尸= 工，而桩侧总阻力q = q q p 。 由于桩身截面位移6 z 应为桩顶位移氏= s 与z 深度范围内的桩身压缩量之差，所以： 小s 一去z 一 ( 2 3 ) 式中么p 及砟为桩身横截面面积和弹性模量，若取z = l ，则上式变为桩端位移( 即 桩的刚体位移) 表达式。 单桩静载荷试验时，除了测定桩顶荷载q 作用下的桩项沉降s 外，若通过沿桩身若 干截面预先埋设的应力量测元件( 传感器) ，获得桩身轴力z 分布图，则可利用公式 ( 2 2 ) 和( 2 3 ) 作出摩阻力f ：和截面位移6 ；的分布图： f 一 【2 o 二 一 oo ( a ) d z 微桩段的受力情况( b ) 轴向受压的单桩( c ) 截面位移( d ) 摩阻力分布( e ) 轴力分布 图2 - i 单桩轴向荷载传递 f i 9 2 1a x i sd i r e c t i o nl o a dt r a n f o r m a t i o n 12 生 l o 扎雨 广lj 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 荷载传递的理论研究现状 目前，对桩基荷载传递的理论研究方法大体可以归纳为四种，即荷载传递法；弹性 理论法；剪切位移法；有限单元法。 2 3 1 荷载传递法 萄载传递法是s e e d 和r e e s e 于1 9 5 5 年首先提出的计算单桩荷载传递的方法，此后 k e z d i ( 1 9 5 7 ) 、佐藤悟( 1 9 6 5 ) 、e o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 等作了发展。这种方法的基本思路 是把桩沿长度方向离散成若干弹性单元体，每一单元体与土体之间侧摩阻力用一线性或 非线性弹簧描述，弹簧力与位移的关系即表示桩侧摩阻力q 。与桩土问相对位移s 的关 系( 即桩侧荷载传递函数) 。桩底端的土也用一弹簧代替，该弹簧的力与位移的关系表示 桩端阻力q 。与桩端沉降s 。的关系( 即桩端荷载传递函数) 。荷载传递法分成两种计算方 法：位移协调法( 如s e e d 和r e e s e 提出的方法) 和解析法( 如佐藤悟提出的方法) 1 8 o 这类 方法的关键在于传递函数t z 的确定。k e z d i 假定传递函数为指数函数，w s g a r d n e r 假定传递函数为双曲函数，佐藤悟利用弹全塑性模型，用来分析原位试桩的实测结果， 都取得了较为满意的结果。 梁蹦德等人延伸单桩的菲线性t z 在曲线理论，应用于刚性群桩工程。其基本 原理是以桩一土一桩互制作用影响，导致桩身沉降量增加，进而导得刚性群桩的非线性 t z 曲线理论，以分析群桩在垂直荷载下的荷重一位移关系h 引。虽然荷载传递法获得 广泛的重视，但它的缺点是：任意点桩的位移只与该点的侧摩阻力有关，雨与桩身上其 它点的应力无关，因丽没有考虑土体连续性，当用于群桩分析时必须借助于其它连续法 的理论。 2 。3 2 弹性理论法 弹性理论法的基本假设是：作为线弹性体的桩被插入一个理想均质的、各向同性的 弹性半无限体内，土的弹性模量e 。及泊松比u 不因桩的存在而发生变化，运用 l i n d li n 公式导出土的柔度矩阵，求解满足桩士边界位移协调条件的平衡方程式，即可得到桩轴 l3 太原理工大学硕士研究生学位论文 向位移和桩侧摩阻力等。由于土体模拟为连续介质，所以在一定程度上可以考虑桩与桩 之间的相互作用。p o u f o s 对弹性理论法作了大量研究，从弹性理论中的m i n d l i n 公式出 发，系统地导出了单桩和群桩的计算理论及表格。p o u l o s 对弹性理论法在非均质土、成 层土中的应用，以及有限厚度土层、端承桩、桩土之间有相对滑移等情况，也进行了深 入研究。啪h 2 归 群桩基础的计算是基于单桩分析的基础上，运用弹性理论叠加原理，把在弹性介质 中两根桩的分析结果，通过引入一个“共同作用系数”而扩展到一组群桩中去。 弹性理论法的缺陷是：( 1 ) 运用m i n d l i n 公式时忽视桩的存在所产生的影响，认为荷 载作用于未加桩时的理想均质、各向同性半无限体内：( 2 ) 在考虑非均质土时，不得不采 用一些近似的假设：( 3 ) 由于假设土体应力应变关系为线弹性，分析桩的非线性受力特征 存在困难。 2 3 3 剪切位移法 c o o k e ( 1 9 7 3 ) 曾运用简化分析法分析了桩体向周围土体传递荷载的过程。所采用的 假设是：离开桩距离相等处剪应力相等，且剪应力与离开桩体轴线的距离成反比关系乜引。 r a n d o l p h 等人( 1 9 7 8 ) 进一步发展了该法，使之可以考虑可压缩性桩的情形，并且可 以考虑桩长范围内轴向位移和荷载分布情形。 潘时声( 1 9 9 3 ) 用分层位移法分析了单桩和群桩，其中群桩的相互作用采用了剪切位 移法的研究成果瞳引。 这类方法原理简单，基本假设合理，但在群桩分析中，以两根桩侧土刚度代替群桩 桩侧土刚度，未能考虑第三根桩以外桩的存在。 2 3 4 有限单元法 有限单元法是桩基分析中十分有力的工具，从理论上来说，它能考虑影响桩性能的 许多因素，如土的非线性、固结效应以及动力效应等。但该法在桩基分析中的实际应用 较少，一方面是由于桩基础分析涉及到的因素多、比较复杂，另一方面是要求庞大的计 算机容量，费用昂贵，尤其是对群桩问题的计算分析。 h o o p e r ( 1 9 7 3 ) 探讨了高层建筑群桩的有限元计算胆引。d e s a i ( 1 9 7 4 ) 对有承台的群桩 进行了有限元分析，所考虑的群桩可以倾斜，同时可以承受弯矩和水平力，土的非线性 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 采用r a m b e r g o s g o o d 模型。o t t a v i a n i ( 1 9 7 5 ) 曾对3 x 3 和5 x 3 的群桩作过三维线弹 性分析，采用8 结点立方体单元。 陈雨孙( 1 9 8 7 ) 等人用有限元法模拟了挖孔灌注纯摩擦桩的实测q s 曲线，对纯摩 擦桩的工作状态和破坏机理作了分析，认为桩侧土体的抗剪强度直接决定着摩擦桩的承 载力嘲。 王炳龙( 1 9 9 7 ) 用的弹塑性模型和有限元法确定桩的蓊载一沉降曲线汹1 。 t r o c h a n i s 等入( 1 9 9 1 ) 焉有限元法讨论了单桩和群槛的三维、非线性