謝子波，王柳月

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450011)

1 概述

支盤樁將承力盤設(shè)置于樁身不同部位的土層，使樁身變?yōu)槎嘀c摩擦端承樁，充分發(fā)揮樁土的相互作用，極大程度地提高了樁身承載特性，眾多學(xué)者主要通過室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等方法對支盤樁承載性能進(jìn)行研究，張敏霞[1]采用piv技術(shù)結(jié)合透明土進(jìn)行樁基室內(nèi)模型試驗，試驗結(jié)果表明支盤樁通過增大樁周土體變形位移場的范圍,減小了土體變形位移場的強度,從而提高了樁基承載能力；苑輝等[2]在2003年采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合得出:在支盤樁承載的過程中,其承載規(guī)律為第一個承力盤在加荷初期承擔(dān)的荷載相對比較高，第二個承力盤在加荷后期才開始慢慢發(fā)揮出作用?？陆璠3]采用ABAQUS軟件研究了支盤樁在上拔荷載作用下的承載特性，分析表明:在天然狀態(tài)下土體對樁體的壓力在支盤處最大，支盤樁達(dá)到抗拔極限承載力時，樁身軸力在支盤的上下出現(xiàn)突變，支盤下斜面以及樁底與土體產(chǎn)生了分離，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在支盤上的土體中，目前，由于受到測試手段以及樁-土作用本身的復(fù)雜性，支盤樁抗拔機理的理論研究還不夠完善。因此需要研究人員進(jìn)行更加深入的研究，利用有限元分析軟件ABAQUS對豎向荷載作用下支盤樁的抗拔承載特性進(jìn)行分析，為雙支盤的設(shè)計提供一定指導(dǎo)意義[4-6]。

2 計算模型

樁長設(shè)為5 m，樁徑為0.2 m，設(shè)置兩個支盤，盤徑為0.4 m，支盤高度為0.3 m，上支盤距樁頂1 m,下支盤距上支盤分別為1D，2D，3D，樁周土體為8 m。

本文采用ABAQUS有限元程序建模(見圖1)，樁土模型均為軸對稱四邊形單元CAX4R，采用線彈性模型定義土體的彈性部分，摩爾庫侖模型適用性較強，較為適合土體這種材料。故塑性部分則由摩爾庫侖模型定義，樁體采用線彈性模型，由于摩爾庫侖模型中黏聚力不可為0，土體采用砂土取較小值0.1 kPa，主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在第1個分析步中進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，考慮到軸對稱性，采用軸對稱模型進(jìn)行分析。

樁土材料參數(shù):樁身為線彈性材料，彈性模量28 000 MPa，泊松比為0.2，密度為2 400 kg/m3;土體密度為1 600 kg/m3，彈性模量50 MPa，泊松比0.25，剪脹角為36°，膨脹角為30°，黏聚力c=0.1 kPa，不考慮土的剪脹性，樁土間摩擦系數(shù)取0.726。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載位移曲線及位移場分析

圖2為不同盤間距雙支盤樁承載力-位移關(guān)系圖。

根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范中支盤樁極限承載力的確定方法，結(jié)合模型承載力-位移荷載曲線可以判斷出間距為1D，2D，3D，4D的支盤樁抗拔承載力為3 935 N，4 111 N，4 229 N，4 293 N，雙支盤樁承力盤處于相同狀態(tài)土層中，上支盤首先發(fā)揮作用帶動土體，下支盤隨后發(fā)揮功效，因此上下承力盤間距不同會直接影響支盤樁的承載性能，從圖中可以看出荷載位移曲線可以分為三個階段，在初始階段，上支盤樁對承載性能起主要作用，四種支盤樁上支盤位置相同對應(yīng)圖中四種盤間距支盤樁在第一階段承載力變化趨勢幾乎重合，由于間距為1D的雙支盤距離較小，因此兩個承力盤很快形成一個整體。初始階段間距為1D的支盤樁承載力反而最大，第二階段隨著時間的增加，盤間距較大的下支盤也開始發(fā)揮功效,由于時間較短盤間距較大的支盤樁下支盤未充分發(fā)揮作用，此時盤徑為2D的支盤樁承載力最大，第三階段隨著時間增長，間距為3D及以上的雙支盤樁下支盤開始完全發(fā)揮作用，此時盤徑為4D的支盤樁承載力最大，從圖中可以看出增大承力盤間距可以增加支盤樁的承載力，由于上支盤固定的情況下，上下支盤的間距增大，盤間土體的應(yīng)力疊加效應(yīng)發(fā)生減弱，間距足夠大的時候，上下支盤開始獨立發(fā)揮作用，盤間距由3D增到為4D時承載力增長趨勢放緩，存在臨界盤間距，當(dāng)上下支盤開始獨立工作后，增大盤間距雙支盤樁承載力增加變緩，同時從圖中可以看出雙支盤承載力的發(fā)揮與時間效應(yīng)有關(guān)，由于支盤間距不同，盤間距較小時，下支盤可以更快地發(fā)揮作用，在實際工程中不僅要考慮樁體的承載性能也需要考慮樁體的位移變形，當(dāng)盤間距大于3D時，承載力增長幅度明顯變緩[7-9]。

3.2 峰值荷載下錨板的位移場

圖3～圖6分別為盤間距1D，2D,3D,4D位移場圖。從圖中可以看出雙支盤在土體中的位移云圖沿著支盤樁兩側(cè)對稱分布，支盤處的位移值明顯增大，承力盤土體產(chǎn)生壓縮，在盤間距為1D時上下承力盤由于高度疊加，形成一個整體，盤間土體以整體的形式向上移動，位移場從下承力盤傾斜延伸到土體表面，位移場的形狀與單支盤狀形狀類似，在盤間距為2D時由于盤間距增大，盤間距土體存在一定程度疊加，極限抗拔承載力時刻，以上支盤為主，下支盤剛開始發(fā)揮作用，兩盤之間位移場仍存在一定程度疊加，在盤間距為3D，4D時刻，由于盤間距增大，上下承力盤開始獨立發(fā)揮作用，盤間土體無影響，由于4D時下盤與樁端距離較近，下承力盤位移場與樁端處疊加，說明當(dāng)下支盤設(shè)置接近樁端一定程度時會與樁端共同發(fā)揮作用。由于支盤的存在，可以將樁頂荷載分散到更大的土體中由于盤徑為3D的時候，上下支盤已經(jīng)開始獨立發(fā)揮作用，說明存在一個最佳的盤間距，在實際工程中不可盲目增加上下支盤間距，避免造成材料浪費。

3.3 峰值荷載下錨板的應(yīng)力場

通過對應(yīng)力場進(jìn)行分析來增強對雙支盤樁的土體破壞機理認(rèn)識，圖7～圖10分別為盤間距1D，2D,3D,4D應(yīng)力場圖。從圖中的應(yīng)力場可以看出，樁周土體剪切帶沿著樁身對稱分布，剪應(yīng)力值由樁身向兩側(cè)逐漸減小，表現(xiàn)為漸進(jìn)破壞，盤間距對于雙支盤樁樁周土體變形具有顯著影響，盤間距越大，疊加現(xiàn)象越不明顯，下支盤的側(cè)鼓現(xiàn)象越突出，應(yīng)力場形狀類似于拱形，為深埋破壞特征。應(yīng)力值集中于下支盤處，產(chǎn)生現(xiàn)象原因是由于上下支盤具有“時間效應(yīng)”，支盤樁極限承載力狀態(tài)時，下支盤開始發(fā)揮作用，由于下支盤埋深較大，在相同土層中相對于上支盤來說，對樁周土體的影響更大，盤間距為3D時，上下支盤獨立發(fā)揮作用，支盤樁顯著承載力提高，盤間距為4D時下支盤與樁端形成整體，通過應(yīng)力場還可以看出盤間距增大后，上下支盤的相互擾動減小，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)一步提高承載力。

4 結(jié)語

1)存在臨界盤間距，達(dá)到臨界盤間距之前，盤間距較小時，下支盤承載力無法完全發(fā)揮，雙支盤樁的承載性能隨著支盤間距增加而變大；臨界盤間距之后，上下盤開始獨立發(fā)揮作用，再增大盤間距，雙支盤承載性能增加幅度變緩。

2)研究發(fā)現(xiàn)雙支盤樁上下承力盤發(fā)揮承載力的時間效應(yīng)與盤距有著密切的關(guān)系，位移變形較小時盤間距較小的支盤樁承載性能更好，位移變形較大時盤間距較大的支盤樁承載性能更好，實際工程中不僅需要考慮樁基承載力還要考慮位移變形，因此需要合理設(shè)置盤間距。

3)超過一定盤間距后，下支盤與樁端形成整體，通過應(yīng)力場還可以看出盤間距增大后，上下支盤的相互擾動減低，上下支盤間土體剪切力增大，樁側(cè)摩阻力增大，進(jìn)一步提高承載力。