王 紅，彭社琴，鄭衛(wèi)鋒，孫珍茂

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610059)

0 引 言

支盤樁作為一種新型樁，具有承載力高、變形沉降小等優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外學(xué)者對支盤樁承載力性狀在近年來做了較多的研究，

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41272333)

但目前大部分研究主要是針對單獨(dú)荷載作用下支盤樁的受壓承載力，支盤樁一般主要設(shè)計(jì)用來承擔(dān)豎向(受壓)荷載，如文獻(xiàn)[1-4]通過靜載試驗(yàn)對支盤樁的受力性狀進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]還結(jié)合有限元模擬分析法(finite element method,FEM)系統(tǒng)地分析了支盤樁的承載機(jī)理和荷載傳遞性狀，探索了支盤樁高承載力和低沉降量的內(nèi)涵。文獻(xiàn)[6-17]均對豎向受壓荷載作用下支盤樁的承載性能進(jìn)行了研究。

然而，由于工程結(jié)構(gòu)在其施工和使用過程中受荷的情況復(fù)雜多變，支盤樁在其受豎向受壓荷載作用為主的情況下，水平力也可能同時存在。為探討水平荷載對支盤樁承載力的影響，分別討論了在單獨(dú)豎向受壓荷載作用下和在受壓+水平組合荷載作用下支盤樁的受壓承載力的大小，分析可能出現(xiàn)的水平荷載對支盤樁受壓承載力的影響。

1 計(jì)算方案

以數(shù)值模擬作為計(jì)算方法，在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，先對豎向受壓荷載作用下支盤樁的承載性能進(jìn)行研究分析；再對受壓+水平組合荷載作用下支盤樁的承載性能進(jìn)行研究分析。對選取的樁型通過分級加載(豎向受壓、豎向受壓+水平聯(lián)合作用)，模擬支盤樁的靜載荷試驗(yàn)過程，通過獲取椅載-沉降關(guān)系(Q-s)曲線用以確定單樁承載力。進(jìn)一步對比單獨(dú)豎向受壓荷載作用下與豎向受壓+水平荷載作用下受壓承載力的異同，分析得出水平荷載的存在對支盤樁受壓承載力的具體影響。

1.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

計(jì)算模型主要包括樁體和樁周土體兩大部分。

1)支盤樁

在廣泛收集已有擠擴(kuò)支盤樁常用尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，擬定本次數(shù)值計(jì)算樁的參數(shù)見表1，其示意圖見圖1、圖2。

表1 支盤樁參數(shù)

注：上盤中心位于距樁頂5倍樁徑處，下支盤中心位于距樁底1倍樁徑處，3個支盤等間距布置。

支盤樁樁身材料為C30混凝土，計(jì)算中考慮樁基為彈性材料，計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 樁計(jì)算參數(shù)

圖1 樁模型

圖2 支盤平剖面(上：平面；下：立面)

2)樁周土

對于樁周及樁端土體考慮為均質(zhì)土，土體的承載力特征值為160～180 kPa左右。這類土體強(qiáng)度中等，具有該特征的土在四川、湖南、浙江、安徽等地區(qū)均有分布。據(jù)此，所研究成果的推廣和應(yīng)用具有一定的廣泛性。樁周土的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)取值見表3。

表3 樁周土物理力學(xué)參數(shù)取值表

1.2 加載情況

數(shù)值分析過程中采用逐級加載的形式模擬外荷載的施加過程，每級荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后，施加下一級荷載。

1.3 邊界條件及模型離散化

根據(jù)實(shí)際受力情況，底部邊界設(shè)水平和豎向約束，側(cè)向邊界設(shè)水平約束，考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力作用；頂部邊界為自由邊界。樁、土采用實(shí)體單元，樁土間設(shè)置接觸面單元。模型底部邊界取距樁底10倍樁徑高度，樁基前后左右邊界長度取10倍樁徑，其中取樁徑為0.7 m。模型單元劃分根據(jù)研究重點(diǎn)，靠近樁基單元剖分較細(xì)，建好的三維實(shí)體模型見圖3。

圖3 數(shù)值分析模型

2 受壓荷載作用下支盤樁承載性能

2.1 樁頂荷載-沉降特征

豎向下壓荷載加載等級為100 kN、500 kN、1000 kN、2000 kN、3000 kN、4000 kN、5000 kN直到加載至停止加載標(biāo)準(zhǔn)。試樁達(dá)到停載標(biāo)準(zhǔn)為：某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍。

圖4為支盤樁豎向荷載分級加載下的樁頂Q-s曲線。從圖4可以看出，隨著荷載增加，沉降加速增大，當(dāng)樁頂荷載小于3000 kN時，沉降較小，豎向荷載每增加500 kN，樁頂下沉約0.005 m，荷載在 3000～4000 kN時，豎向荷載每增加500 kN，樁頂下沉0.01 m。

圖4 樁頂豎向位移-荷載曲線

曲線總體呈緩變型，無明顯的比例極限和極限荷載，但在3000～4000 kN荷載下，沉降速率明顯加大。由此可推斷該樁的承載力應(yīng)該在3000～4000 kN。樁頂沉降為40 mm時，對應(yīng)的荷載約為3800 kN，此值可作為該支盤樁的承載力。

2.2 荷載傳遞特征

荷載傳遞特征是研究支盤樁承載機(jī)理的基礎(chǔ)。以下通過不同荷載量級作用下樁身軸力的變化，對支盤樁的荷載傳遞特征進(jìn)行深入分析。

1)樁身軸力分布特征

支盤樁的樁身軸力隨深度變化曲線見圖5。在荷載量級較小時(<1000 kN)，樁身軸力隨深度增加而略有減小，曲線在支盤部位變化不明顯，即支盤部位曲線的臺階狀變化特征不明顯。

在2000 kN 荷載量級下，支盤作用已有所顯現(xiàn)，樁身軸力在支盤處有較明顯轉(zhuǎn)折。隨荷載的進(jìn)一步增大，曲線在支盤部位的臺階狀減小越顯著。

支盤樁的荷載傳遞曲線有其獨(dú)特的形態(tài)：軸力分布曲線在支盤上下發(fā)生臺階狀降低，軸力的突變量無疑由支盤作用引起。從上至下經(jīng)過支盤后軸力的減小量應(yīng)是由支盤承擔(dān)該部分荷載并將其轉(zhuǎn)移到支盤底部的土層上，從而使支盤底部樁身軸力迅速降低，最終使傳遞到樁端的荷載明顯減小。單樁承載力大幅度提高。

圖5 樁身軸力

2)支盤阻力

如圖5所示，樁身軸力在支盤上下的臺階減小量實(shí)質(zhì)上就是支盤阻力。通過計(jì)算不同荷載量級下不同位置的支盤阻力，獲得各級荷載下不同位置支盤作用力，各個支盤承擔(dān)荷載百分比的變化情況見圖6。

圖6 支盤荷載分擔(dān)比

在荷載量級相對較小時，各支盤作用從大到小排序?yàn)橄轮ПP、上支盤、中支盤。在荷載超過3000 kN時，上、中支盤作用基本達(dá)到一致，下支盤作用始終更為明顯。支盤的總體作用也進(jìn)一步增大，在達(dá)到樁的極限承載力時，3個支盤的總承載量約為40%。上中下支盤承擔(dān)荷載的比例約為0.8∶0.8∶1.0。

2.3 支盤樁的受壓承載力

根據(jù)Q-s曲線確定：在擠擴(kuò)支盤樁數(shù)值模擬中獲得了不同加載量級下的樁頂沉降位移，即Q-s曲線(參見圖4)。

從前述可知，Q-s曲線總體呈緩變型，無明顯的比例極限和極限荷載點(diǎn)，但可以看出在3000～4000 kN 荷載下，沉降速率明顯加大?？赏茢嘣摌兜某休d力應(yīng)該在3000～4000 kN之間。參照《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)，對于緩變型的Q-s曲線，承載力由位移控制，取s=40 mm所對應(yīng)的荷載值，即3800 kN為擠擴(kuò)支盤樁極限承載力。

3 豎向(受壓)+水平組合荷載作用下支盤樁承載性能分析

3.1 樁頂荷載-沉降特征

豎向受壓+水平組合荷載下樁頂沉降曲線(上)和樁頂水平位移曲線(下)如圖7、圖8所示。

圖7 受壓+水平組合荷載-樁頂豎向位移

從圖中可以看出：在受壓和水平組合荷載作用下，當(dāng)豎向荷載從0～3000 kN(對應(yīng)水平荷載從0～450 kN，即水平荷載取豎向荷載的15%施加)，樁頂豎向位移隨荷載量級增加而增大；當(dāng)受壓荷載達(dá)到3000 kN時，位移量約為23.6 mm；受壓荷載超過3000 kN(對應(yīng)水平荷載450 kN)時樁頂沉降速率增大；受壓荷載到4000 kN(對應(yīng)水平荷載600 kN)時，位移量已達(dá)到40.7 mm，超過規(guī)范規(guī)定的破壞極限沉降量40 mm；在豎向位移為40 mm時，對應(yīng)的豎向荷載約為3959 kN。

圖8 受壓+水平組合荷載-樁頂水平位移

水平位移亦隨水平荷載增加，在水平位移達(dá)到10 mm時，樁頂?shù)乃胶奢d值約為229 kN(對應(yīng)豎向荷載約為1526 kN)?？梢姡谪Q向受壓和水平荷載共同作用時，水平荷載率先達(dá)到限值。

當(dāng)受豎向荷載控制時，考慮豎向位移達(dá)到40 mm時的組合荷載值結(jié)果為受壓荷載3959 kN+水平荷載597 kN，比單純受豎向荷載時達(dá)到40 mm的受壓荷載量(3800 kN)稍大，說明在有水平荷載作用的情況時，由位移控制的支盤樁的豎向承載力并未降低。

3.2 荷載傳遞特征

1)樁身軸力分布特征

受壓+水平荷載下樁身軸力隨深度變化曲線如圖9所示。軸力總體上隨深度減小，且樁身軸力在支盤上下發(fā)生臺階狀降低，支盤承擔(dān)該部分荷載并將其轉(zhuǎn)移到支盤底部的土層上，從而迅速降低支盤底部樁身軸力。

此外樁頂荷載量級越大，支盤對軸力的減小作用越明顯，支盤的承載能力越大。

2)支盤阻力

支盤樁受到荷載時，主要承載的部分是支盤、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。繪制各組合荷載下各支盤分擔(dān)荷載占比曲線如圖10。

支盤作用從上支盤開始顯現(xiàn)，在荷載量級相對較小時，各支盤作用為下支盤>上支盤≈中支盤。在荷載超過3000 kN時，上中下三支盤作用基本達(dá)到一致。在整個加載過程中，上盤承擔(dān)的荷載比例隨著荷載的增大而增大，但承擔(dān)的荷載所占總荷載的百分比變化不大，從0增加到約17%；中盤承擔(dān)的荷載比例也隨著荷載的增大而增大，從0增加到約19%；下盤所承擔(dān)的荷載比例隨著荷載的增大從7%增長至20%；從總體上看，在豎向荷載超過1000 kN后，支盤分擔(dān)荷載不斷增加，到后期達(dá)到了55.1%。

圖9 樁身軸力

圖10 支盤荷載分擔(dān)比

3.3 擠擴(kuò)支盤樁承載力

因規(guī)范中暫缺豎向受壓+水平荷載下樁承載力的計(jì)算公式，故由《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的豎直方向極限位移40 mm，水平方向極限位移10 mm來進(jìn)行推算。

豎向受壓+水平荷載下，水平位移先達(dá)到《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的極限位移10 mm，豎向受壓+水平荷載下的承載力則由水平位移控制，據(jù)圖8組合荷載-樁頂水平位移圖，取s=10 mm時的荷載值，即水平承載力229 kN為此時樁的極限承載力。由水平力控制的樁其水平承載力受豎向受壓荷載的影響不大；由豎向力控制的樁的承載力受水平荷載的影響也不大。

4 水平荷載對豎向承載力的影響

根據(jù)圖4、圖7可知，豎向受壓+水平組合荷載的Q-s曲線的總體規(guī)律與單獨(dú)的豎直(受壓)荷載作用下Q-s曲線類似。豎直沉降量都隨著豎向荷載的增加而增加，隨著樁徑的增加而減小。但具體量值可能存在差異，為此可得組合荷載作用下的沉降量與單獨(dú)豎向荷載作用下沉降量的差異對比，見表4。

表4 支盤樁兩種荷載類型沉降量對比

從表4可以看出，在荷載較小時(如1000 kN)，組合荷載和單獨(dú)豎向荷載沉降量均較小，而組合荷載下的位移量整體上較單獨(dú)豎向荷載下的位移量稍大。當(dāng)荷載較大時(如4000 kN，超過極限承載力)，組合荷載下的豎向位移量較單獨(dú)豎向荷載下的位移量稍小。

因此，水平荷載的存在會使樁頂沉降有所增加，在此稱之為“附加沉降量”。“附加沉降量”總體不大，并且隨荷載量級增大(達(dá)到極限承載力)時，這一附加沉降量可能由正變?yōu)樨?fù)的。

豎向受壓+水平組合荷載下的受壓承載力與單獨(dú)豎向受壓荷載下的受壓承載力對比見表5。

表5 支盤樁兩種荷載類型受壓承載力對比

如表5所示，水平荷載的存在可能會對豎向受壓承載力產(chǎn)生一定的影響：會使豎向承載力略有增加。但總體上影響不太大，增減變動范圍在±1%左右。

5 結(jié) 語

1)分析了豎向(受壓)荷載下樁頂荷載的傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)豎向荷載隨著樁身傳遞降低，在支盤處軸力出現(xiàn)“臺階式”急劇下降，這種變化隨樁頂荷載的增大而越發(fā)明顯。支盤的存在使得原本由摩阻力承擔(dān)的樁頂豎向荷載轉(zhuǎn)而成為由類似樁端的端承力承擔(dān)了樁頂荷載，由此支盤樁承載力相對直樁能大幅提高。

2)探討了水平+受壓組合荷載的樁頂荷載-沉降的總體規(guī)律。與單獨(dú)豎向(受壓)荷載類似，呈現(xiàn)出樁頂豎向位移隨荷載增加而增加的特征，水平荷載的存在會使樁頂沉降有所增加。但其增加值總體不大，并且隨荷載量級增大(達(dá)到極限承載力)時，這一附加沉降量可能由正變負(fù)。

3)探討了水平荷載對支盤樁豎向受壓承載力的影響。水平荷載的存在會使豎向承載力略有增加，但總體上影響不太大。