毕业职称论文：挤扩支盘桩的非线性有限元分析.doc

中国科技论文在线挤扩支盘桩的非线性有限元分析 王启庆，郭鹏辉作者简介：王启庆（1989），男，无. E-mail: China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science,Xuzhou,221116;China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116;中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 22111622111615152115927;江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏2-B4072;;798428215王启庆（1989），男，无;王启庆;郭鹏辉Wang Qiqing;Guo Penghui王启庆1*|*期刊*|*卢成原,杜新智.挤扩支盘桩的工程应用和技术经济分析J.工程力学，2001，（A02）:673-677.2*|*期刊*|*张玉敏，王忠海。新型挤扩支盘桩的非线性有限元分析J.山东工业大学学报，2002,32（1）：76-80.3*|*期刊*|*李枫，宋焕豹，周云东。挤扩支盘桩的承载特性J.河海大学学报，2010，38，（2）:202-2054*|*期刊*|*杨保全，俞晨，张思军。挤扩支盘桩桩土相互作用的三维有限元分析J，河海大学学报，2008,36（3）:351-353*|1|王启庆|Wang Qiqing|中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116|China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science,Xuzhou,221116|王启庆（1989），男，无|江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏2-B4072|221116|15152115927|2|郭鹏辉|Guo Penghui|中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116|China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science|798428215|挤扩支盘桩的非线性有限元分析|NONLINEAR FEM ANALYSIS OF CHARACTER OF THE SQUEEZED BRANCH PILE|- 6 -（中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116）摘要：挤扩支盘桩是一种具有高承载力和低沉降量特性的新型桩. 本文采用有限元法对挤扩支盘桩进行了模拟分析，得出了支盘桩传力规律以及支盘上部土体的应力出现正值的原因，对支盘桩的研究具有一定的参考意义。关键词：挤扩支盘桩；有限元；ADINA中图分类号：TU473 .1+1NONLINEAR FEM ANALYSIS OF CHARACTER OF THE SQUEEZED BRANCH PILEWang Qiqing1, Guo Penghui2(1. China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science,Xuzhou,221116;2. China University Of Mining And Technology,The School Of Resource And Earth Science)Abstract: The squeezed branch pile is a new type one with high bearing capacity and low settlement. With the technique of finite element analysis, the knowledge acquired concerning load transfer characteristics of squeezed branch piles and the cause of squeezed branch breaking away from the soil above the squeezed branch can be used to guide the study o f squeezed branch piles.Key words: squeezed branch pile; FEM; ADINA0引言支盘桩是在原钻孔灌注桩的基础上衍生出来的一种新型桩，只是在等截面灌注桩身设计若干分支或承力盘1，形成介于摩擦桩与端承桩之间的变截面型桩，由于成盘时是通过挤扩设备在等截面钻孔适当深度挤扩形成同心扩径支盘空间，然后灌注混凝土形成桩，所以与普通直杆桩单桩相比，支盘桩不仅存在侧摩阻力和端承阻力，而且由于成盘时对周围土体有挤扩作用还增加了支盘与周围土的摩擦力和端承阻力。挤扩支盘桩具有如下优点：1）将摩擦桩改为变截面的多支点摩擦端承桩，从而使得采用该桩型的建筑沉降变形小，可有效解决了软土层承载力低和地震区抗震力差等问题。2）适应于不同土质。3）适用范围广，该桩不仅可做为竖向承载桩，还可以作为抗拔桩。4）经济性优越3，较等截面桩相比单方混凝土可大大提高承载力。但是，目前对挤扩支盘桩的研究还不是很完善，虽然已通过一系列的现场试验等来探索其作用机理，但支盘桩的静载荷有实验用时长、成本高、并且存在加载条件和实验技术上的困难等缺点，而有限元法可以解决这些问题，并且可以方便的改变各种参数进行分析，所以具有很大的优越性。本文通过ADINA有限元分析软件对挤扩支盘桩的力的传递过程进行分析，并且和等截面桩进行了比较得出了一些规律和结论，对工程实践有一定的指导意义。1 桩土模型设计将挤扩支盘桩模型的长度设计为1200mm，距桩顶490mm和1020mm处各设1个支盘，桩体直径为120mm，支盘直径为240mm，支盘高度设为80mm，如图1所示。为了保证有限元的计算精度，根据经验设计土体的单侧宽度为2倍的桩长，深度为3倍的桩长2。单位：mm图1 挤扩支盘桩桩型示意图Fig. 1 Schematic diagram of squeezed branch pile2计算模型及网格划分 2.1模型建立及参数选取模型采用2D的平面应力模型，先利用ADINA绘制二维平面模型图，在模拟中桩体的材料模型设为线弹性，土体材料模型采用Geotechnical中的Mohr-Coulomb弹塑性模型4。根据工程实际，桩体混凝土采用C40级别。其中桩土物理力学参数见表1：表1桩土物理力学参数Tab. 1 Physico-mechanical parameters of pile and soil名称弹性模量Ep/kPa 泊松比摩擦角/（度）粘聚力C/kpa 重度/(kN/m3)桩体3.25e70.2425.00土体6.5e30.41614.519.502.2 网格的划分由于模型为2D平面应力模型，在划分单元时,采用程序自动剖分模式划分单元，其中对桩体划分较密，在平面图上生成4节点的四边形网格，最终桩土共划分为10100个2D单元，整个模型共有10353个节点，剖分后的桩土模型如图2所示。图2 有限元计算模型Fig. 2 Finite element calculation model3计算结果及分析3.1桩土受力分析利用ADINA软件对桩土模型进行求解。加载线荷载为1kN时，如图3所示，支盘桩上部支盘和下部支盘均承受一部分上部传递下来的荷载，支盘下部土体受到压缩使土体所受的竖向应力为负值，而支盘上部一定范围的土体所受应力为正值，即土体所受应力为拉应力，说明在上部荷载作用下由于支盘对下部土体压缩作用使得支盘下沉比上部土体快，从而导致支盘上部土体与支盘上部发生分离，即所谓临空面，又由于支盘上部桩土的摩擦作用使得上部土体的竖向应力为正值。并且上盘上部的正值范围较下盘的范围大，说明在荷载较小时上部支盘先发挥作用。随着荷载的增加两支盘上部土体所受应力的正值范围在扩大，当荷载达到一定值时上部支盘已不能承受上部荷载，所以会传递到下盘，使得下盘上部土体所受应力正值范围扩大。另外，图4中可发现由于下部支盘和桩端距离太近使得产生叠加效应 ，使得支盘桩没能完全发挥出作用。图3施加荷载为1kN时桩土Z轴方向的应力Fig. 3 1kN stress zz of the pile and soil图4施加荷载为5kN时桩体Z轴方向的应力Fig. 45kN stress zz of the pile and soil3.2与等截面桩比较与等截面桩比较承载力大幅提高，由于挤扩支盘桩支盘分担荷载的作用使得轴力传到桩端较直杆桩较少。和等截面桩相比，在荷载均是10kN的情况下支盘桩桩端处应力1kP而等截面桩为2kP，从而可降低桩端力达到降低沉降量的目的，如图5、6所示（图6为与支盘同等条件下模拟所得的直杆桩的竖向轴力图）。 图5支盘桩的轴力分布图Fig. 5 Distributed curve o f squeezed branch pile axial force图6等截面桩的轴力分布图Fig. 6 Distributed curve o f column bored pile axial force4 结 语本文利用有限元软件ADINA对挤扩支盘桩力传递的过程进行了非线性有限元分析，并与等截面桩轴力图作了比较得出如下结论：1） 挤扩支盘桩的支盘能承受部分上部荷载的，当受力很小时，上盘发挥较大作用，随荷载的增加下盘开始发挥作用。2） 挤扩支盘桩在受到荷载较大时支盘下部土体受到强烈压缩，而支盘上部土体却产生了拉应力，这是由于支盘上部土体已经和支盘发生脱离，支盘上部和土体产生了临空面，而土体在靠近支盘的桩土摩擦力的作用使其产生拉应力。3） 挤扩支盘桩的支盘之间的距离设计也会影响支盘桩的承载力的发挥。参考文献 (R