谢志杰

【摘要】利用有限元，通过改变不同因素的参数，研究了对受压超长支盘单桩承载性能的影响。

【关键词】超长支盘桩；承载性能；影响因素；有限元分析

【Abstract】Using the finite element ， this paper analyzes the effect factors of the bearing force performance of super-long single pile with plates by changing the parameters of different factors.

【Key words】super-long pile with plates；bearing behavior；effect factors；FEA

1、引言

支盘桩以普通桩为基础，充分利用较好土层设置承力盘，在支盘处扩大单桩局部截面，对土体进行挤密，大幅度提高单桩承载性能，在工程中广泛应用。[1]

超长桩有较高承载性能和较小桩顶沉降，近年来在高层建筑中得到广泛应用，而将支盘用于超长桩从而提高基础的承载性能较少，也缺乏相关的研究；超长桩与普通桩在承载机理上差别较大。[2]

本文利用有限元，改变桩身因素、土体参数和地下水位等参数，对超长支盘单桩承载性能影响进行研究。

2、有限元計算模型及参数选取

采用轴对称几何模型建模，桩和土体均采用15节点三角形单元，桩土界面上设置界面单元来模拟桩土的相互作用。[3]

2.1土体

采用Mohr-Coulomb非线性模型，土体自重应力场的形成采用自重加载方案，并将自重加载工序的计算位移设为0。土体计算范围取半径60m，深度100m。主要参数如表1。

2.2桩

桩身材料由混凝土浇筑制成，其变形远小于土体，在荷载作用下基本处于弹性状态，故采用线弹性模型。

2.3加载方式

仅考虑竖向荷载作用下桩轴向受力，施加竖向荷载时，采用分级加载。

3、超长多支盘桩承载性能影响因素的有限元模拟

3.1桩身因素的影响

（1）支盘数影响

分别对桩长60m的2盘桩（分别在地下10、40m）、4盘桩（分别在地下10、20、30、40m）、6盘桩（分别在地下5、10、20、30、40、50m）和7盘桩（分别在地下5、10、20、30、40、50、55m）加压，得出Q-s曲线如图所示。

当桩身由 2 支盘增加到 6 支盘时，承载力提高了将近 50%，但当 支盘数从 6 增加到 7 时，桩的 Q-s 曲线十分接近承载力几乎不再增加。 因此随着支盘数量的增加，桩的承载力明显增加，但当支盘增加到一 定数量时，承载力的增长幅度减小，可见支盘数量并不是越多越好， 过多设置支盘会降低支盘桩的经济性，同时会导致施工困难、施工速 度慢等问题。

（2）盘径影响 为方便研究，建立单支盘桩进行模拟，支盘中心位于地下 24m 处，盘形状为圆形，分别取承力盘直径 D=2m、2.4m、3m 计算，Q-s 曲线 如下图。

支盘直径由 2m 增加到 2.6m 时，桩极限承载力明显提高，但继续 提高当支盘直径到 3 倍主桩直径时，承载力的增长幅度不大，这是因 为此时支盘桩达到极限承载力所需的沉降较大，一般都会超过正常使 用状态下的控制的沉降量，过大的支盘直径对提高支盘桩极限承载力 的意义不大，故盘径应该控制在 2-3 倍桩身直径范围。 （3）盘间距影响取 2 盘桩进行研究，并将上盘固定在桩顶 5m 处，下盘分别设置 在 10m、20m、30m、40m 处，得到桩身轴力分布图如图。

盘间距不同时，距桩顶 5m 以上和 40m 以下的桩身轴力差别不大， 两支盘间的桩身轴力差别较大。两支盘间桩身减小的轴力，由支盘间 的土体所分担，当盘间距较小时，在未达到极限承载力时，容易引起 盘间土体破坏，因此，超长支盘桩在设置多个支盘时，应该适当增加 支盘间的间距，防止支盘间土体的提前破坏，进而影响整个支盘桩的 承载能力。

（4）桩身模量影响

取单支盘桩研究，支盘位于地下 24m 处，桩身模量分别为 23GPa、30GPa、40GPa。

当桩身模量增加时，在实际工程中，都会引起桩的承载能力的增 加，当桩身模量增加到一定程度时，超长支盘桩的承载能力增长速度 会相对减慢，图中当桩身模量由 30GPa 增加到 40GPa 时承载能力提高 明显低于由 23GPa 增加到 30GPa 时的增加。

3.2 土体参数及地下水位的影响

桩身设两个承力盘，上盘距桩顶 10m，下盘距桩顶 40m 处，桩周土体均匀。

（1）土的压缩模量的影响随着土体压缩模量的增大，桩身的沉降有所减小，沉降曲线变得越来越平缓，即提高土体的压缩模量对减小桩的沉降作用越来越小， 故提高土体的压缩模量对桩的承载性能有所提高，但是作用不是十分 明显。

（2）土内摩擦角的影响

由图中可以看出，内摩擦角越大，桩的承载性能就越大，对应的土体沉降就越小，这是因为土体内摩擦角增大导致土的变形模量增 大，从而由荷载引起的应变变小，故而土体沉降量变小。

（3）泊松比的影响

土体泊松比增大时，桩身沉降量随着变小，当泊松比为 0.4 时， 桩的沉降量明显减小，桩承载能力明显提高，这是因为当泊松比较大 时，桩周土体避免了出现较强的塑性，能够更多的分担桩顶的荷载。 因此在泊松比小的土体中，应注意桩周土体出现塑性而引起的桩身沉 降。

（4）地下水位的影响

由图中可以看出，地下水位加深时，桩的沉降明显减小，承载能 力明显提高，这是因为地下水位越深，产生的水压就越小，对桩产生 的影响就越小。

4结论

本文采用有限元方法进行超长支盘桩的承载性状模拟，分析了超 长桩在不同因素下承载性能的变化，得出了如下结论。

（1）增加桩身支盘数和支盘盘径时，超长支盘桩承载力明显提 高，但当达到一定限度时，增长幅度变缓，因此桩身支盘数和盘径应 控制在合理范围内；

（2）支盘间桩身轴力减小部分由周围土体承担，为避免桩体在 未达到极限承载力时引起盘间土体破坏，设置多个支盘时，应适当增 加支盘间的间距；

（3）随桩体弹性模量和土体压缩模量的增加，单桩承载力得到 提高，在土层条件和施工方法一定时，桩土弹性模量存在最佳值；

（4）土体内摩擦角、泊松比越大，桩的抗压承载力越大，但是 增长的速度较慢；地下水位越深，支盘桩的承载力越高。

参考文献：

[1]姚凯骏.挤扩支盘桩在软土地基中的引用[J].工程技术， 2009[15]；54-56.

[2]白伟亮.支盘应用于超长桩的有限元分析[J].工程质量， 2015[3]；58-60.

[3]范孟华.支盘桩承载性能的有限元分析[J].山西建筑， 2012[35]；647-649.