葉海桃，陳 濤，陸鳳池

（1.長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210002）

基于 ANSYS的旋擴(kuò)珠盤(pán)樁工作特性分析

葉海桃1，陳 濤2，陸鳳池3

（1.長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；2.中港疏浚有限公司，上海 200120；3.南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210002）

文章借助有限元軟件 ANSYS，通過(guò)對(duì)旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的數(shù)值模擬，分析了在樁頂荷載增加的過(guò)程中承力盤(pán)的端阻力、樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的工作特性，并初步找出承力盤(pán)下受豎向附加應(yīng)力影響的水平和垂直范圍。

ANSYS；旋擴(kuò)珠盤(pán)樁 ；承力盤(pán)；豎向附加應(yīng)力

目前，有限元軟件 ANSYS 在水電行業(yè)應(yīng)用廣泛。通過(guò)單元類(lèi)型，模擬工程中材料和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多種分析，計(jì)算功能強(qiáng)大。借此技術(shù)，結(jié)合旋擴(kuò)珠盤(pán)樁工作特性，分析相應(yīng)各樁受力狀況，可以為相關(guān)工程建設(shè)提供借鑒。

旋擴(kuò)珠盤(pán)樁和DX樁以及擠擴(kuò)支盤(pán)樁是屬于同一類(lèi)型的樁，雖然名稱(chēng)叫法上、成樁工藝上有所不同，但在樁型和承載機(jī)理上基本上是一致的，即通過(guò)改變樁身性狀來(lái)提高樁的端承力和側(cè)阻力，進(jìn)而提高樁的承載力。但是，它們之間還存在一些細(xì)微的差別：即旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的變徑處都為完整的盤(pán)；而DX樁和擠擴(kuò)支盤(pán)樁的變徑處根據(jù)設(shè)計(jì)需要有可能不是一個(gè)完整的盤(pán)。由于旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的承力盤(pán)的存在，使得單樁的荷載傳遞特性變得尤為復(fù)雜，同時(shí)也給工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)了一定的麻煩。下文借助有限元軟件 ANSYS 對(duì)旋擴(kuò)珠盤(pán)樁進(jìn)行數(shù)值研究，找出旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的一些工作特性。

1 基本假定及模型建立

在旋擴(kuò)珠盤(pán)樁建模的過(guò)程中作了如下的基本假定：

1）單樁分析按空間軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題進(jìn)行分析；

2）樁體為線彈性材料，土體為彈塑性材料，其屈服準(zhǔn)則服從 D rucker－Prager 屈服準(zhǔn)則；

3）旋擴(kuò)珠盤(pán)樁和樁周土體均采用 20 節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，單元號(hào)為 solid95；

4）由于上斜面不能拉著斜面上部土體一起向下移動(dòng)，故承力盤(pán)上斜面有和土體分離的可能性；

5）模擬地基土區(qū)域大小為 20m（長(zhǎng)）×20m（寬）× 36 m（深），單樁位于長(zhǎng)寬的對(duì)角線中心，地基土垂直邊界設(shè)置水平約束，底邊界設(shè)置水平和垂直約束。

旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的幾何尺寸、材料性質(zhì)和地基土的性質(zhì)見(jiàn)圖 1。

圖1 樁的尺寸 材料性質(zhì)和地基土的性質(zhì)

2 結(jié)果分析

2.1 Q～S 曲線、樁身軸力的分析

旋擴(kuò)珠盤(pán)樁和相同條件下常規(guī)直樁 Q～S 曲線，見(jiàn)圖 2。從圖 2 中可以很明顯地看出常規(guī)直樁的 Q～S 曲線呈陡降型，而旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的 Q～S 曲線呈緩變型。當(dāng)樁頂荷載比較小時(shí)，兩者的沉降基本相同。這是由于荷載較小的情況下，承力盤(pán)的優(yōu)勢(shì)還未得到發(fā)揮。當(dāng)樁頂均布荷載為 P＝6 MPa時(shí)，旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的樁頂沉降為 S＝21.98 mm，對(duì)應(yīng)于常規(guī)直樁的樁頂沉降為 S＝40.6 mm。由此可以看出旋擴(kuò)珠盤(pán)樁由于承力盤(pán)的存在使得單樁樁頂沉降大幅度地減小。

圖2 2種樁型的 Q～S對(duì)比

不同荷載情況下樁身軸力沿樁身的分布如圖3所示。由于承力盤(pán)的存在，樁身軸力在承力盤(pán)上下發(fā)生了明顯的陡降，并且隨著荷載增大，陡降的程度越大。

2.2 承力盤(pán)性狀的分析

旋擴(kuò)珠盤(pán)樁承力盤(pán)的存在會(huì)很大程度上提高單樁承載力，但是各個(gè)承力盤(pán)在荷載分擔(dān)過(guò)程中所提供的端阻力是不同的，而且端阻力的發(fā)揮有一定的時(shí)間順序。在不同荷載情況下各個(gè)承力盤(pán)荷載分擔(dān)的比例，見(jiàn)圖 4。

圖4 各承力盤(pán)分擔(dān)荷載比例

當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，頂盤(pán)開(kāi)始分擔(dān)一部分荷載，其分擔(dān)的比例均大于其它2個(gè)承力盤(pán)。隨著樁頂荷載加大，其分擔(dān)的荷載比例逐漸減小，但減小的幅度很小，基本維持同一水平，此階段中其荷載分擔(dān)比例均小于其它 2個(gè)承力盤(pán)?？梢钥闯?，在樁頂荷載逐漸增加的過(guò)程中，頂盤(pán)的端阻力發(fā)揮在時(shí)間順序上有一定的先前性，先于其它2個(gè)承力盤(pán)參與工作。在頂盤(pán)端阻力充分發(fā)揮時(shí)，由于頂盤(pán)的埋深較淺，其端阻力相應(yīng)較小，因而當(dāng)樁頂荷載達(dá)到一定數(shù)值后時(shí)，頂盤(pán)的荷載分擔(dān)比例較小。

中盤(pán)和底盤(pán)的荷載分擔(dān)變化趨勢(shì)很相似。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，兩者就分擔(dān)很小一部分荷載，隨著荷載的加大，兩者的荷載分擔(dān)比例逐漸增大，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)兩者分擔(dān)的荷載比例基本維持不變，并且在一個(gè)較高的水平。這說(shuō)明了中盤(pán)和底盤(pán)端阻力的發(fā)揮在時(shí)間順序上有一定的滯后性。

由于地基土的性質(zhì)不同，承力盤(pán)分擔(dān)荷載比例的變化趨勢(shì)、大小也是不一樣的，各個(gè)承力盤(pán)不會(huì)是等幅度地減小或者增加。圖5為不同荷載情況下，各承力盤(pán)所分擔(dān)荷載比例減去各自 P=0.5 MPa時(shí)相應(yīng)荷載比例的變化曲線。

在荷載增加過(guò)程中，頂盤(pán)荷載分擔(dān)比例卻相應(yīng)減小，減小的幅度很小，基本維持同一水平。在荷載較小時(shí)，中盤(pán)和底盤(pán)的荷載分擔(dān)比例增加的速度比較快，當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值后，兩者增加的速度變緩，最終基本維持不變。

圖5 各承力盤(pán)分擔(dān)荷載變化圖

頂盤(pán)、中盤(pán)和底盤(pán)的荷載分擔(dān)比例在相同荷載變化條件下變化的幅度是不一樣，底盤(pán)最大，中盤(pán)次之，頂盤(pán)最小。這是由于頂盤(pán)的端阻力發(fā)揮在時(shí)間上先于其它兩個(gè)承力盤(pán)，在荷載增加的過(guò)程中，中盤(pán)和底盤(pán)接著發(fā)揮作用，此時(shí)先前有頂盤(pán)獨(dú)自承擔(dān)的大部分荷載依次有中盤(pán)和底盤(pán)參與分擔(dān)。隨著荷載增加，各盤(pán)逐漸進(jìn)入極限狀態(tài)，從而各承力盤(pán)的端阻力充分發(fā)揮，因而埋深較深的底盤(pán)和中盤(pán)荷載分擔(dān)比例增大的幅度大于頂盤(pán)。除此之外，還因?yàn)榈妆P(pán)下的地基土的壓縮性較其它2個(gè)盤(pán)下的壓縮性小，因而端阻力相應(yīng)地比較大，這樣底盤(pán)荷載分擔(dān)比例就會(huì)迅速增大。

2.3 承力盤(pán)、端阻力及摩阻力的綜合分析

圖 6，圖 7 和圖 8 分別為 3 個(gè)承力盤(pán)總的荷載分擔(dān)比例、樁側(cè)摩阻力分擔(dān)荷載比例和樁端阻力分擔(dān)荷載比例。

圖6 承力盤(pán)總的分擔(dān)荷載比例

當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，所有荷載基本上都有樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，如 P＝0.5 MPa 時(shí)，3 個(gè)承力盤(pán)分擔(dān)的荷載比例為 35.99%，樁側(cè)摩阻力分擔(dān)的荷載比例為 63.55%，端阻力分擔(dān)荷載比例為 0.46%。隨著樁頂荷載的增加樁側(cè)摩阻力荷載分擔(dān)比例逐漸減小，而3個(gè)承力盤(pán)總的荷載分擔(dān)比例和樁端阻力卻相應(yīng)地增加，共同抵抗樁頂所加的荷載。當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，樁端阻力、3個(gè)承力盤(pán)端阻力的荷載分擔(dān)比例也增大到一個(gè)較高水平，并且基本維持不變，與此同時(shí)樁側(cè)摩阻力的荷載分擔(dān)比例也卻減小到一個(gè)較低水平，并且基本維持不變。

圖7 樁側(cè)摩阻力分擔(dān)荷載比例

圖8 樁端阻力分擔(dān)荷載比例

2.4 承力盤(pán)下豎向附加應(yīng)力分析

圖 9 是在樁頂荷載 P=10 MPa情況下頂盤(pán)、中盤(pán)和底盤(pán)下豎向附加應(yīng)力在水平方向和垂直方向的變化趨勢(shì)圖。

頂盤(pán)和中盤(pán)的豎向附加應(yīng)力變化趨勢(shì)比較相似。在距離樁軸線水平方向?yàn)?0.5 D(D 為盤(pán)徑)的情況下，頂盤(pán)下的豎向附加應(yīng)力隨著離承力盤(pán)下垂直距離增大而迅 速 降 低，如 圖 9（a）中 垂直距離中盤(pán)下 0.2 m 處的豎向附加應(yīng)力為 19.6 kPa，而距離盤(pán)下 1.2m 處則減小為 0.47 kPa，可以認(rèn)為頂盤(pán)下豎向附加應(yīng)力的影響范圍為盤(pán)下 1.2 m （約 1D），中盤(pán)下的豎向應(yīng)力影響范圍為 1.4 m（約 1D）。因此可以認(rèn)為有承力盤(pán)豎向應(yīng)力疊加部分的盤(pán)下豎向附加應(yīng)力影響范圍約為 1D。隨著距離樁軸線水平方向距離的增加盤(pán)下豎向附加應(yīng)力的值逐漸減小，如 9（b）中當(dāng)距離樁軸線水平距離為 4D 時(shí)，中盤(pán)下的豎向附加應(yīng)力大致維持同一水平，均為5 kPa左右，因此可以認(rèn)為旋擴(kuò)珠盤(pán)樁的水平影響范圍約為 4D。

圖9 豎向附加應(yīng)力變化

9（c）中 ，底 盤(pán)下 的 豎向 附 加 應(yīng) 力 也同 樣 隨 深度逐漸減小，但減小的幅度沒(méi)有其它兩個(gè)承力盤(pán)大，并且減小到盤(pán)下一定距離后基本維持一個(gè)較高水平（相對(duì)于其它2個(gè)承力盤(pán)情況）。這是由于底盤(pán)下無(wú)其它承力盤(pán)，因而不會(huì)發(fā)生應(yīng)力重疊，并且樁端阻力所引起地豎向附加應(yīng)力很?。ㄓ捎跇抖俗枇Ψ謸?dān)荷載比例很小），因此底盤(pán)下土體的豎向附加應(yīng)力衰減的較慢，并且范圍也較深。如 9（c）中，底 盤(pán) 下 0.5 m 處的豎 向附加 應(yīng) 力 值 為 50.7 kPa，盤(pán)下 3 m，5 m 處分別為 17.7 kPa，13.4 kPa。

3 結(jié)語(yǔ)

1）旋擴(kuò)珠盤(pán)樁由于承力盤(pán)的存在改變了常規(guī)直樁的荷載傳遞特性，并且在相同條件下比常規(guī)直樁的樁頂沉降減小了很多。

2）各個(gè)承力盤(pán)在荷載分擔(dān)上有一定時(shí)間效應(yīng)，并且分擔(dān)的比例隨荷載的變化而以不同的幅度變化。

3）有豎向附加應(yīng)力疊加部分承力盤(pán)的盤(pán)下豎向附加應(yīng)力的影響范圍約為 1D，水平影響范圍約為 4D。

［1］陸鳳池，高明忠，等.旋擴(kuò)珠盤(pán)樁在小樁徑變徑樁中的應(yīng)用.建筑技術(shù)，2003，35（3）：186-187.

圖2 引調(diào)水方案各代表斷面 NH 3-N 變化過(guò)程線

3）在滿(mǎn)足引水的水動(dòng)力條件時(shí)，即使內(nèi)部水系水質(zhì)已得到較大幅度的改善，仍然需要長(zhǎng)期引水，保持水體的流動(dòng)性，這是改善內(nèi)部水系水環(huán)境的長(zhǎng)效措施，應(yīng)盡量避免內(nèi)部水系惡化到一定程度時(shí)再引換水，改善水質(zhì)。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］高程程，等.上海市青松水利片引清調(diào)水方案研究［J］.水電能源科學(xué)，2012.

［2］賈瑞華.利用水利工程調(diào)度改善水環(huán)境質(zhì)量的探討［J］.上海水利，1989.

[收稿日期]2013-08-20

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2014-03-08