（岩土工程专业论文）水平荷载作用下挤扩支盘桩的有限元分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 水平荷载作用下挤扩支盘桩的 有限元分析 摘要 挤扩支盘混凝土灌注桩是近年来工程界有较强生命力的新桩型，该 桩型是采用仿生学的方法在原有等截面混凝土灌注桩的基础上研发成功 的，其显著的特点是承载能力高，具有良好的社会和经济效益。在支盘 桩基研究中，人们主要注意其竖向承载力的分析，在海洋、道桥等工程 的迅速发展下，桩基的水平承载力也愈来愈引起人们的关注。该桩型在 竖向承载方面的优势已基本得到肯定，水平承载方面尚需进一步研究。 本文就此闯题采用通用工程软件a n s y s ，对支盘桩作了水平承载性能的数 值模拟，深入分析支盘桩的水平承载受力机理和破坏模式及桩在水平承 载下的工作性状。主要工作包括： 首先，运用a n s y s 工程软件，建立了适用于挤扩支盘桩和普通桩的 三维有限元模型，设计出比较合理的水平承载模拟方案。计算模型中桩 与承台采用弹性模型，土体采用d - p 模型，桩土之间采用面面接触单元 以考虑土体与桩交界面处的开裂与滑移。 其次，对支盘桩与普通桩单桩在同等条件下的水平承载力进行了三 维有限元对比分析。利用数值计算结果得出的主要结论有：由于支盘的 设置，支盘附近的土层中的应力值较大，使支盘桩的承载力大幅度的提 高；支盘桩在水平荷载作用下，支盘离地面越近、支盘间距越小，支盘 桩的水平承载力越大；支盘桩在竖向、水平双向荷载作用下，在一定范 太原理工大学硕士研究生学位论文 围内提高竖向荷载会提高桩的水平承载力，超过一定范围后反而会降低 桩的水平承载力。 再次，建立了桩一土一承台共同作用的三维有限元数值模型，研究 了支盘桩和普通桩群桩位移、应力随水平荷载变化的分布规律，指出同 - # ! 等条件下支盘桩桩身中的最大应力明显小于普通桩桩身的最大应力，支 盘桩群桩除了在承台下土应力比较集中外，更多的水平应力集中在支盘 附近的土体中，使得支盘桩的承载力得到了很大的提高。在此基础上， 进一步讨论了不同桩距条件下，桩、土的受力机理和非线性共同作用随 荷载变化规律。分析结果表明群桩在水平荷载作用下，桩距的影响是显 著的。在总载荷不变的情况下，随着桩距的增大，承台和承台下土的位 移和应力均减小。 最后，对比分析支盘桩与普通桩在设置接触单元和无接触单元的应 力与位移，验证了使用接触单元的模型更为合理。分析结果表明在水平 荷载作用下支盘桩桩土之间的开裂与滑移均比普通桩小。 关键词：挤扩支盘桩，水平承载，有限元分析，接触单元，a n s y s 太原理工大学硕士研究生学位论文 f i m t ee l e n ! n ta n a i ，y s i s0 fc a s t - i n s i t u p i l e sw i t he x p a n d e d b r a n c h e sa n d p l a t e su n d e rl a ：砸r a ll o a d a b s t r a c t c a s t - i n - s i t up i l e s 埘me x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sb a s e do nc o m l m o n c o n c r e t eb o r e dp i l e sa r en e wt y p eo fp i l e sf o u n d a t i o n , w h i c hh a v et h e s p e c i a l t yo fh i 曲b e a r i n gc a p a c i t ya n dh a v eb e e nm a r k e db o t he c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s p e o p l eh a v ep a i da t t e n t i o nt ot h e i rb e a r i n gc a p a c i t i e so f v e r t i c a ll o a di nt h ee a r l ya n a l y s i s i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h ed e v e l o p m e n to f e n g i n e e r i n g ，s u c ha so c e a n , r o a da n db r i d g ee n g i n e e r i n g ，p e o p l eb e g i nt o n o t i c et h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l eu n d e rl a t e r a ll o a d t h eb e a r i n gc a p a c i t y o f v e r t i c a ll o a do f t h ep i l ei sr e c o m m e n d e d h o w e v e r , t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ec a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e su n d e rl a t e r a ll o a ds t i l l n e e ds o m ef u r t h e rr e s e a r c h e s t h i sp a p e rm a k e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec a s t - i n - s i t up i l e s 、i t he x p a n d e db r a n c h e sa n d p l a t e s 吼断l a t e r a ll o a db y t h ea n s y ss o f t w a r e ，t h eb e a f i f i gm e c h a n i s ma n d f a i l u r ep a t t e r no ft h ec a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e s u n d e rl a t e r a ll o a da r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y t h em a i no r i g i n a l w o r k i n c l u d e s ： f i r s t l y , w i t ht h ea n s y ss o f t w a r e ，d e s i g nt h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e l so f i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n dt h eg e n e r a lp i l e ， t h er a t i o n a lp r o g r a mh a sb e e nm o d i f i e dt oa n a l y z ep i l eo ft h i sk i n d i nt h e c a l c u l a t i o n 吐l ed - pm o d e li sc h o s e nt oc o n s i d e rt h eg a pd i s t a n c ea n ds l i d i n g d i s t a n c eo fs o i l p i l ei n t e r f a c et h a ta d o p t st h es u r f a c e - s u r f a c ec o n t a c t i n g e l e m e n t s e c o n d l y , b a s e do nt h er e s u l t s o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb yt h e a n s y ss o f t w a r e ，i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eb e a t i n ga b i l i t yo ft h e c a s t - i n - s i t up i l e sw i le x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e si se n h a n c e dg r e a t l y b e c a u s eo fs e t t i n gt h eb r a n c h e sa n dp l a t e s t h ef m a lc o n c l u s i o n sc a nb e s u m m a r i z e dt h a tt h eb e a r i n ga b i l i t yo ft h ec a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e d b r a n c h e sa n dp l a t e sw i l lb ei n c r e a s e dw h i l et h eb r a n c h e sa n dp l a t e sa r e m o r ec l o s et ot h e g r o u n df u r t h e r m o r e ，f o r al a t e r a la n dv e r t i c a l d o u b l e - l o a dc a s e ，t h el a t e r a lb e a t i n ga b i l i t yo ft h ec a s t - i n s i t up i l e sw i t h e x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sw i l la l s ob ee n h a n c e d b u t t h ei n c r e m e n ti sa l i m i t e do n e t h i r d l y , b yt h ed e s i g n e dm o d e lo fp i l e s o i l - p i l ec a p si n t e r a c t i o n , w e s t u d i e dn o n l i n e a rw o r kc h a r a c t e ro fc a s t - i n - s i t ug r o u pp i l e sa n dg e n e r a lg r o u p p i l e su n d e rl a t e r a ll o a d t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tc h i v ew e r ea c q u i r e di n n o n l i n e a rw o r k i n gc o n d i t i o n b a s e do i lt h e s er e s u l t s ，w ea n a l y z e dt h ep i l e - s o i l b e a t i n gm e c h a n i s ma n dt h e i rn o n l i n e a r i n t e r a c t i o nl a ww i t hc h a n g eo fl o a di n d i f f e r e n ti n t e r v a l s t h er e s u l ts h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo fp i l ei n t e r v a l si s r e m a r k a b l e i tl a yd o w nab a s i sf o rf u r t h e rd e v e l o p i n gt h et h e o r yf o rc o m p o s i t e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 f o u n d a t i o n a tl a s t , b yc o m p a r i s o na n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o n so fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to ft h ec a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e sa n d t h eg e n e r a lp i l ew i t hc o n t a c t i n ge l e m e n ta n dw i t h o u tc o n t a c t i n gd e m e n ti t w a sf o u n dt h a tt h em o d e l sw i m c o n t a c t i n ge l e m e n ti sb e t t e r k e yw o r d s ：c a s t - - m _ - s i t up i l e s 、 ，i me x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e s 1 a t e r a l l o a d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o n t a c t i n ge l e r n e n t , a n s y s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出莺要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：匙壶鳇日期：坐z ! ! 兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 起主c 鲣 导师签名：名叠二生 日期： 盟墨堡 日期：丝2 ：! 兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 桩是设置于岩土中的竖直或倾斜的基础构件或支护构件。从历史发展来看，桩是 一种比较古老的基础形式，也是迄今应用最为广泛的建筑物或支护构件。随着我国改 革开放的深入，城市建设也随之迅速发展，各类高层建筑及桥梁如雨后春舅在全国各 地拔地而起。桩基础作为一种非常经济有效的基础形式，得到了广泛的应用。然而随 着建筑物层数的增加，基础底面荷载也随之增大，摆在结构设计工程师面前的问题是 如何选择一种较好的基础形式，更为安全、合理并经济地保证建筑物地基承载力、建 筑物总沉降量及差异沉降，保证建筑物正常使用。 1 1 桩基发展简史 桩是深入土层的柱型构件，其作用是将上部结构的荷载传递到地基深处承载力较 大的土层上，或者是使软土层被挤密实，以提高土的承载力和密实度。因此，桩基础 具有承载力高、支承刚度大、沉降量小而且均匀、沉降速率缓慢等特点。它不仅能承 受垂直荷载，而且还能承受水平荷载、上拔力等。因此在高层建筑、工业厂房、公路 桥梁、拦水大坝、港口码头和石油海洋平台等各种工程中都得到了广泛应用。 桩基的发展过程大致可分为三个阶段。 第一阶段是木桩。早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽地里，栽木桩搭作为水上 住所。汉朝已用木桩修桥。到宋朝，桩基技术已比较成熟。今上海市的龙华塔和山西 太原的晋祠圣母殿，都是北宋年代修建的桩基建筑物。在英国也保存有一些罗马时代 修建的木桩基础的桥和居民点近年来，由于木桩承载力较低，耐腐蚀性差，且木材 资源不足，已经逐渐被淘汰。 第二阶段为钢桩。1 9 世纪2 0 年代，开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头，到本世 纪初，美国出现了各种型式的型钢，特别是h 型的钢桩受到营造商的重视。美国密西 西比河上的钢桥大量采用钢桩基础，到3 0 年代在欧洲也被广泛采用。二次大战后， 随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢也被作为桩材用于基础工程上海宝钢工程 中，曾使用直径为9 0 c m ，长约3 0 m 的钢管桩基础 钢桩具有抗冲击性能好、接头易于处理、运输方便、施工质量稳定等优点，但其 太原理工大学硕士研究生学位论文 最大缺点是造价高，大致相当于钢筋混凝土桩的3 4 倍。因此，目前还只能在极少 数深厚软土层上的高重建筑物或海洋平台基础中使用。 第三阶段为钢筋混凝土桩。本世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，才出现厂制和 现场预制钢筋混凝土桩。我国5 0 年代开始生产预制混凝土桩，多为方桩。1 9 4 9 年美 国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我国铁路系 统于5 0 年代末也生产使用预应力钢筋混凝土桩。 钢筋混凝土桩出现后，因其取材方便、价格便宜、耐久性好、适合各种地层和成 桩直径及长度可变范围大等优点，随即成为地基支撑方式的首选。目前，桩基工程的 绝大部分都是钢筋混凝土桩。 钢筋混凝土桩的早期主要是预制桩，但在灌注桩出现后，预制桩由于相对造价高、 适用范围小、施工不便等缺点，逐渐被灌注桩所取代。灌注桩因施工时燥声低、振动 小、可根据土层及荷载任意变化桩长桩径甚至截面、桩身钢筋可随需要现场调整等优 点，已成为现今的主要桩型。当前，灌注桩已形成多种成桩工艺、多类桩型，使用范 围已扩及到土木工程的各个领域。 随着现代科学技术的发展，桩基础的发展和演变也非常迅速，由最初的木桩发展 为后来的钢桩、钢筋混凝土桩；由长度几米发展到几十米的深孔桩；由圆形桩发展为 各种不同截面的异形桩，使桩基础日趋成熟。 1 2 桩的水平承载力 对于桩的水平承载力，国内外各种称法很多，有称为桩的横向承载力，有称为桩 的侧向承载力，国内也有人称之为推力桩。为简便起见，本文一律称之为桩的水平承 载力。 在过去一个相当长的时期内，人们对桩承受桩轴方向荷载作用时的工作性能研究 得比较多，而对桩承受垂直桩轴方向的水平荷载作用时的工作性能研究较少。但随着 工程技术的不断发展，人们逐渐意识到桩的水平承载力的重要性。作用于桩基的水平 荷载有多种形式，包括：结构物自重和使用荷载的偏心产生的弯矩；吊车、火车、汽 车等的制动力产生的水平力和弯矩；风、波浪、潮水产生的水平力和弯矩；地震产生 的瞬时水平力和弯矩：等等。桩基础若有较高的水平承载力必会大大加强建筑物的安 全系数，更为显著的是在桥梁或公路的桩基础中，人们往往假定作用于桩基上的水平 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 荷载由斜桩来承受，那时虽然也知道竖直桩不是一点水平荷载也承受不了，但总觉得 竖直桩的主要任务在于承受轴向荷载，因而桩基础中经常设置较多的斜桩，这样便增 加了桩基础施工时的麻烦。随着科学的发展，作用于桩基础上的荷载愈来愈大，这样 就要求人们采用较大直径的桩去代替过去小直径的桩，然而，设置大直径斜桩不仅施 工技术上存在困难，而且旆工机具上也有问题，因此迫使人们加紧研究竖直桩在承受 垂直桩轴方向的水平荷载作用时的工作性能。 单桩的水平承载力，不仅取决于桩侧土质或地质条件的水平抗力，还取决于桩的 弯曲刚度、强度与桩端的约束条件，亦即桩身的抗弯能力。因此在确定桩的水平承载 力时。必须考虑桩和土的共同作用，即桩一土体系的变形条件。所以，桩基的水平承 载力要比确定轴向承载力时复杂的多。 1 3 液压挤扩支盘混凝土灌注桩 桩的承载特性随着桩身材料、制桩方法和桩的截面大小不同而有较大的差异。在 市场经济体制下，工程质量高、进度快、造价低的苛刻要求，迫使桩基技术人员向更 高的桩基技术迈进，先后设计出各种异形桩，如结节桩、扩底桩、多级扩径桩等，以 此提高桩的承载力和满足各种工程建设的需要。桩型，尺寸和工艺的发展给桩基承载 性能和设计理论、方法的研究提出了新的课题。 液压挤扩支盘混凝土灌注桩( 以下简称支盘桩) 正是在此背景下，桩基技术人员 在生产实践中创造出来的一种新桩型。这种桩是从普通混凝土灌注桩衍生出来的，它 依据树根的抗压、抗拔能力强的特点，在原有等截面混凝土桩的基础上改进和创新而 发展起来的一种变截面桩，采用现有的桩施工机械，加上专门的液压支盘挤扩设备， 对土强力挤密形成支盘，在桩身纵向不同位置设置分支或承力盘( 简称支盘) ( 如图 1 - 1 、图卜2 ) ，从而提高竖向抗压承载力、抗拔性能及桩的稳定性。与相同直径、相 同桩长的普通灌注桩相比，其竖向承载力提高l 倍以上“删，可节省建筑材料4 0 9 6 7 0 ，工程造价可降低3 0 左右。同时，由于整个桩基础的工程量减少，桩基础的旋 工工期也减少3 0 5 0 啪鲫。因此具有十分可观的经济效益和社会效益，有明显的推 广应用价值 目前支盘桩这项技术工程实践效果明显，其竖向承载优势已得到肯定，但缺少水 平承载力的研究。在桩水平承载力的研究日益受到重视，支盘桩的应用普及的情况下， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 急需研究支盘桩的水平承载力，充分认识支盘桩水平承载作用特点。 l 自 口 二 l 1 2 3 卜叫 i - i i 上 2 - 2 卜一 卜一 3 3 l 一桩长；d 一主桩桩径；h 一支盘( 分支) 高度； d 一支盘( 分支) 直径；6 一分支高度； 图1 - 1挤扩支盘桩结构图 f i gi - is m 】c - m r eo f c a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e d b r a n c h e sa n dp l a t e s 图1 - 2 挤扩支盘桩实体照片 f i gi - 2p i c t u r eo f c a s t - i n - s i t up i l e sw i t he x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e s 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 1 支盘桩的适用范围旧 ( 1 ) 在软弱粘性土、淤泥质土中施工，成桩长度一般为4 2 0 m ，桩径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用沉管加填料挤密成型，达到防渗、防缩颈及加强地基、减少地基变形的 作用。 ( 2 ) 在粘性土中、地下水位以上施工，成桩长度一般由成孔深度而定，桩径可 ：* 达3 0 0 8 0 0 哪，采用长、短螺旋钻造孔，原位挤压成型，达到提高地基强度、节约 原料、缩短工期、减少沉降的目的。 ( 3 ) 在砂土中施工，成桩长度小于5 0 m ，桩径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用反循环泥 浆护壁成孔，原位挤压成型，达到缩短桩长、节约材料、缩短工期的目的。 ( 4 ) 在卵砾石层中施工，成桩长度一般由成孔深度而定，桩径可达3 0 0 8 0 0 n m ， 采用反循环泥浆护壁成孔，达到提高承载力、缩短桩长、节约材料、控制变形的作用。 ( 5 ) 在地下水位以下粘性土中旌工，成桩长度一般由成孔深度面定，桩径可达 3 0 0 8 0 0 m m ，采用正、反循环机械成孔，挤压成型，达到缩短桩长、提高地基承载力、 减少沉降的目的。 ( 6 ) 支和盘的挤扩应避开下列土层：淤泥及液化土、受到大气影响深度内的膨 胀土、自重湿陷性黄土、坚硬岩石土和流塑粘性土。 1 3 2 支盘桩的发展历程 2 0 世纪5 0 年代后期，印度开始在膨胀土中采用多节扩孔桩，6 0 年代和7 0 年代 印度吲嘲、英国及前苏联在黑棉土、黄土、亚粘土、粘土和砂土中采用多节扩孔桩， 当时有2 0 余篇文献报道了直孔桩、扩底桩、两节和三节扩孔桩的对比试验( 包括模 型试验和现场静载试验) 结果。国外经验表明，多节扩孔桩和直孔桩相比，承载力大 大提高，沉降小，技术经济效果显著m 1 9 7 8 年初，北京市建筑工程研究所等在团结湖小区进行干作业成孔的小直径( 桩 身直径3 0 0 咖，扩大头直径4 8 0 m m ) 两节和三节扩孔短桩( 桩长不足5 m ) 的施工工艺 和静载试验研究。结果表明，两节和三节扩孔桩的单位桩体积提供的极限承载力分别 为直孔桩的1 2 8 1 7 6 倍。1 。 1 9 7 9 年建设部建筑机械研究所和北京市机械旖工公司在国内首先研制开发出挤 扩、钻孔和清虚土的三联机，简称z k y - 1 0 0 型扩孔器。同年北京市桩基研究小组首先 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 在颈松小区对用该机的挤扩装置制作的四节挤扩分支桩( 桩身直径4 0 0 m ，挤扩分支 直径5 6 0 m ，每一节为6 个分支，单支宽度2 0 0 r a m ，高度2 0 0 r a m ，桩长8 7 m ) 和相应 的直孔桩( 桩径4 0 0 m ，桩长8 8 5 m ) 进行了竖向受压静载试验，结果表明，前者的 极限承载力为后者的1 3 8 倍。 挤扩支盘桩是1 9 8 9 年由现任北京俊华地基基础工程技术集团公司董事长张俊生 先生实现的原创性发明。支盘桩及其专用配套设备于1 9 9 0 年获得国家发明专利权的 授予，随后，又分别在美国、日本、加拿大等国申请并获得了专利权，标志着支盘桩 技术的正式产生。 1 9 8 9 年至1 9 9 2 年以来，张俊生先生组织有关工程技术人员着手支盘桩技术的应 用开发，经过几年的刻苦攻关，于1 9 9 2 年进行了工程桩试验，取得了预期的效果。 之后在一些工程中正式投入使用，应用结果普遍表明：在提高桩基安全性、降低工程 造价和缩短工期方面都取得了显著效果。同时，在支盘桩施工过程中，几乎没有发现 对环境造成任何不利的影响，完全适合城市中心地带工程的旌工，而且工序简单，操 作方便，创造了较好的社会效益。 1 9 9 7 年4 月，该技术被认定为。国家级火炬计划项目”。 。 1 9 9 7 年1 2 月，该技术被列入“北京市重大科技成果推广计划”项目 1 9 9 8 年9 月，支盘桩及其专用设备技术项目被评为“重点国家级火炬计划项目”。 1 9 9 8 年1 1 月，支盘桩及其专用设备，被国家科技部、国家税务总局、对外贸易 经济合作部、国家技术监督质量局、国家环保总局联合评定为“国家重点新产品”， 并联合推荐在工程施工中采用。 1 9 9 9 年8 月，支盘成型机被认定为“国家级新产品” 在此期间，支盘桩技术的工程业务得到迅速发展，在北京、天津、河北、哈尔滨、 海南、山东、山西等十余省市在内的百余项工程中应用，而且效果良好，经济效益和 社会效益十分显著嗍。同时，在支盘桩技术得到不断完善和成熟的过程中，促进了配 套支盘成型设备的研发和更新换代。北京、天津、山西、河南、浙江和黑龙江等省市 的科学技术委员会和建设委员会及国家电力总公司相继下发了在本地区或本行业使 用支盘桩技术的文件，建立了较完整的支盘桩设计、施工、检测等一系列技术规范， 为支盘桩的工程应用和桩基市场开发创造了条件。 挤扩支盘桩的出现，弥补了灌注桩的许多技术欠缺，提高和改进了灌注桩的承载 性状，是一项重要的新技术成果。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3 支盘桩的特点 对支盘桩结构、受力机理的分析研究和大量的工程实际应用证明，支盘桩具有较 为明显的优点。主要表现为： ( 1 ) 单桩承载力高。与普通灌注桩相比，由于支、盘的存在，改变了桩的受力 机理，提高桩的承载力6 0 1 0 0 ，单方混凝土承载力提高1 倍左右? 。 钱穗玲在文献伽中分析其原因有3 个：支盘桩的桩径是多级扩大，增加了桩体 与土体的接触面积，从而提高了单桩承载力；由于分支器( 挤扩机) 在挤扩过程中 压密土体，使土体强度得到了提高，在承受荷载时，支端就显示出很大的阻力，充分 调动了地基土的储备力量；根据土层性质，在不同深度的土层上多处分支挤压， 既增大了接触面积又压密了土层，在承力时，单桩将轴向荷载多级分配给扩径支端的 好土层( 或称支端持力层) 。 ( 2 ) 节约原材料。缩短工期，降低工程造价。 与普通直杆桩相比，采用支盘桩能以桩径小而短的设计满足承载力要求较大的桩 基础的需要，这样，在设计时可以缩短桩长，减少桩数或桩径和承台面积。由于桩数 和桩长的减少，使混凝土用量也减少，原材料可节约3 0 9 6 以上，相应地，承台面积的 缩小，也可减少原材科；由于桩数的减少，施工期缩短，加快了施工进度。整个桩基 工程的造价可降低4 0 9 6 5 0 9 6 脚啪，经济效益十分显著。 ( 3 ) 抗拔性好。由于支盘( 或分支) 嵌入土层中，当桩体承受上拔荷载时，由 于桩周土的摩擦力和支盘( 或分支) 的端承力，可大大增强桩的抗拔力，是一种理想 的抗拔桩。 ( 4 ) 抵抗水平荷载的能力强。支盘( 或分支) 嵌入土层后。增大了桩身的作用 力臂，使桩体有较高的抵抗水平变形的能力，稳定性好。 支盘桩技术作为一项新型工程技术，十几年来，众多的专家、学者和工程技术人 员做了大量的技术开发和研究工作，为支盘桩的技术进步、应用和推广做出了不可磨 灭的贡献。然而，应该说截止目前它仍然还是一项不很成熟的新技术。作为一项新生 的技术：要使人们能够认识到它的优越性并采用和发展它，其过程必然会是艰难的。 从技术应用的角度讲，由于地基性状的变异性及桩基础和地基相互作用的复杂性，支 盘桩技术的确存在诸多不足之处，主要表现为以下几方面： ( 1 ) 设计中，支盘桩的形状、几何尺寸以及分支、承力盘的数量等技术参数的 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 选取和确定还没有十分可靠的科学依据，因而其设计计算方法有待进一步研究、论证 和验证。 ( 2 ) 目前尚无科学而准确的检测和控制支盘桩盘形空间成形质量的仪器和手段。 ( 3 ) 支盘桩施工技术规范仍然处于地区性应用范围内，还没有确立一种通用的 技术规范，使支盘桩技术的推广和应用受到相当大的限制和约束。 。，( 4 ) 支盘桩技术的基础理论研究时间偏短，科研经费和研究力量投入较低，实 践工程量偏少。 ( 5 ) 目前施工现场所使用的支盘成型设备与其他先进的施工机械相比，其机械 化、自动化程度还偏低，设备能耗较大，旌工作业效率还有待于提高。 既了解了支盘桩技术的优点，又认识到它存在的问题，那么，就能明确地感受到 这个技术的优势，同时也看到了从事支盘桩技术行业的现实意义，更能了解到支盘桩 技术所具有的巨大的研究和开发潜力。 1 3 4 支盘桩的研究现状 最早研究该桩的是史鸿林( 淮河水利委员会，1 9 9 7 ) 通过在安徽阜阳进行的1 7 组 试桩的原型荷载试验及计算0 1 ，对新型挤压分支桩的承载能力进行了计算分析和研 究。结果表明：同一场地、相同桩长、相同桩径的新型挤压分支桩比钻孔灌注桩的单 桩竖向承载力要提高一倍以上( 混凝土量仅增加6 1 2 ) 。在该文中作者提出了分 支桩的概念，简单介绍了分支桩的施工工艺，提出了承载力的简单的计算公式，得出 了桩的承载力的增加主要是由于分支的原因。 黄生根( 中国地质大学，武汉，1 9 9 8 ) 运用荷载传递分析法“”，结合工程实例对 多级挤扩钻孔灌注桩的荷载传递特性进行了分析，并给出了承力盘的传递函数。 杨锦东( 华铁置业公司，北京，1 9 9 9 ) 通过对挤扩支盘混凝土灌注桩的现场试验 “”，通过埋设压力盒和布置进行现场的静载试验，根据钢筋应力计和土压力盒的读数 分析了轴力的变化规律，讨论了新桩型荷载沿桩身的传递规律。 ” 王尔钢( 天津高等院校设计院，天津，2 0 0 0 ) 介绍了挤扩多支盘桩的构造特点和 承载力经验公式“日，给出了工程应用的实例。 张延庆，占永亮，周明芳( 北京工业大学建筑工程学院，北京，2 0 0 1 ) 从建筑工 程应用实际出发“”，利用原位剖面观测和试验的方法，分析了液压挤扩支盘桩的成型 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 过程对周围介质土的影响范围，探讨了液压挤扩支盘桩的承载特征。结论指出，挤扩 支盘桩支盘的荷载传递特征与桩侧摩阻力的荷载传递特征相似，从而为进一步研究挤 扩支盘桩的理论分析模式和数值计算模型奠定了基础。同时文中还提出了“支盘设置 效应系数”的概念，以考虑支盘成型过程中桩周土承载力提高的幅度。 吴永红( 天津市勘察院，天津，2 0 0 0 ) 根据多支盘灌注桩的受力机理，应用 分层总合法计算沉降的概念，提出了一种多支盘灌注桩基础沉降计算的理论与方法， 包括单桩沉降计算和群桩沉降计算的计算公式，并应用于天津市金宝大厦的沉降观 测，理论计算值和实际计算值吻合较好。 魏章和，李光茂( 机械工业部第三勘测设计院，武汉) ，贺德新( 中国北方光电 贸易公司，北京，2 0 0 0 ) 通过对挤扩多支盘桩的静载试验、桩身轴力检测试验及高低 应变动测试验与研究响，论述了挤扩多支盘桩的受力特性及其变形破坏机理，提出了 挤扩支盘桩在受力过程中的时间性和顺序性，指出在受力过程中支盘从上而下逐渐受 力的规律。提出挤扩多支盘桩的承载力大部分由承力盘端阻力分担，因此合理设计挤 扩多支盘桩的承力盘数量及支盘间距，能充分发挥桩周地基土的承载能力。 吴兴龙、李光茂、魏章和、( 2 0 0 0 ) 在挤扩多支盘桩现场测试、有限元计算和理 论分析的基础上“”，分析了挤扩多支盘桩的变形破坏机理，提出了挤扩多支盘桩的单 桩极限承载力经验公式，分析了承力盘数量对承载力的影响、成桩工艺对土层承载力 的影响、挤扩支盘桩的尺寸效应对承载力的影响并给出了建议系数、承力支盘间距对 单桩承载力的影响并给出了建议折减系数和建议间距，还给出了这种桩的适宜使用的 地质条件。然后在武汉某十七层大厦工程中进行了该种桩的静载试验，并在各支盘的 盘上和盘下位置安置了钢铉式钢筋应力计，对三根试桩在试验过程中的轴力随荷载变 化的规律进行了分析，对各支盘所分担的荷载的分配情况进行了简单分析。 高笑娟，崔广仁，刘丰军( 洛阳工学院建筑工程系，河南洛阳2 0 0 0 ) 对大直径人 一一 工挖孔钢筋混凝土变径桩的荷载传递进行了三维有限元分析“”，结果表明变形桩在承 载力机理上显示出明显的优越性，它充分挖掘地基土的承载潜力，使单桩承载力得到 大幅度的提高。并以编制的有限元程序和已有的试桩资料相对照，结果符合实际数据。 钱德玲( 合肥工业大学土木建筑工程学院，安徽合肥2 0 0 1 ) 基于静载试验结果， 研究和探讨了支盘桩的受力特性和破坏性状“”。研究结果表明，挤扩支盘桩在承力方 面，支盘受力最大，约占总荷载的6 0 以上，沉降量明显低于同等条件下的钻孔灌注 桩，且端阻力和侧阻力同时发挥。在破坏性状上，指出支盘下土体的局部剪切破坏是 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 其破坏原因之一。 钱德玲( 合肥工业大学土木建筑工程学院，安徽合肥2 0 0 2 ) “”根据单桩静载荷试 验的结果，全面系统地分析了挤扩支盘桩的承载机理、荷载传递性状和f e m 模拟结 果。通过计算分析，指出了承力盘的承力特性具有明显的时间效应和互补效应以及与 其他桩型的不同点，探索了支盘桩高承载力和低沉降量的内涵。 苑辉( 北京工业大学建筑工程学院，2 0 0 3 ) 例运用有限差分计算软件f l a c 对试 验桩进行了模拟，分析了承力盘桩在各级荷载作用下的荷载传递过程，各支盘在承受 荷载过程中所起的作用，指出在承受荷载时在支盘附近的应力场的影响范围上部到支 盘和桩身交界的部位，下部到支盘和桩身交界部位以下0 5 m 至0 6 m ) 不随荷载的 增加而变化，不随支盘位置的变化而变化。 孙雅欣( 北京工业大学建筑工程学院，2 0 0 3 ) 眦1 运用有限差分计算软件f l a c 对 支盘桩及普通桩的水平承载进行了二维数值模拟，对支盘桩在水平承载方面的优势作 了阐述。 1 3 5 支盘桩的受力机理及破坏模式 1 3 5 1 支盘桩的受力机理“ 支盘桩技术的核心在于对传统桩型结构的较大突破，使其受力机理发生了根本性 的变化，具有其他桩型不可比拟的优越性和较高的工程使用价值。 ( 1 ) 支盘桩为受压桩受力状况 图1 - 3 为支盘桩受压时单桩的承载力示意图。支盘桩由于有多个分支和承力盘的 存在，其受力状态发生了明显的变化；桩的受力除了桩端阻力q ，和桩身侧摩阻力q i 外，还有各承力盘的盘环端面阻力，即盘端阻力作用；对称一字分支、十字分支 与地基土接触的下端面阻力，即支端阻力q p 。、q p 。；各种分支侧面的侧摩阻力q 。- 等的 作用。因而，支盘桩总的承载力q 则可用下式表示： q = q p + q + q 呻+ q p l + q p l + e q 1 ( 2 ) 支盘桩承受较大水平力时的受力状况 支盘桩承受较大水平力荷载时，桩的受力状态分析见图i - 4 。由于水平力h 的作 用，使桩身上部产生一逆时针方向的转矩地。由于地的作用，使桩身中下部支、盘 的盘端阻力有所减小。与此同时，在支、盘的右上侧却增加了一个土压力( 或称 i o 太原理工大学硕士研究生学位论文 盘上端下压阻力) q p , 作用。q 。与q ，的共同作用，产生一个顺时针方向的转矩峨。在 转矩地和虬的共同作用下，使整个桩身处于稳定支承状态，井与桩身其他端阻力和 侧摩阻力作用，支承上部建筑的下压作用。 图1 - - 3 支盘桩为受压柱的受力 f i g1 - 3p r i n c i p l eo f c a g t - i n - s i t up i l e sw i t h e x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e su n d e rv e r t i c a ll o a d 图1 4 承受水平力的支盘桩的受力 f i g1 - 4p r i n c i p l eo f c a s t - i n - s i t up i l e sw i t h e x p a n d e db r a n c h e sa n dp l a t e su n d e rl a t e r a ll o a d 1 3 5 2 支盘桩的破坏模式” 与普通灌注桩相似，支盘桩的破坏形式可以分为下述四种情况 ( 1 ) 桩身断裂 在分支体或承力盘与桩身的结合处是变截面部位，桩受荷载作用时，该部位是桩 结构上的应力集中部位，尤其是有水平荷载作用时，该部位的应力集中现象就更为严 重。所以，桩身断裂一般发生在单盘支盘桩盘体上部或多盘支盘桩上盘盘体上都与桩 身的结合部位，或者是分支体与桩身的结合部位。一般地，当支盘桩承受较大的水平 荷载或桩孔垂直度不满足要求时，有发生桩身断裂现象的可能。 ( 2 ) 承力盘的盘体断裂 根据桩的工作状况及桩基施工操作过程中可能出现的失误进行分析，承力盘的盘 体断裂是可能的。主要是施工原因和持力层的成形性状差造成的。 ( 3 ) 盘问土体被剪切 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 当桩身设有两个或两个以上承力盘时，每个承力盘都对地基具有较大的作用力， 该作用力将使其下部土体沿盘周边界产生向下的剪切力。此种情况下，如果各盘间距 合适，则各承力盘因盘周围的土体在成桩时被挤密加固，能提供较大的承载力，多盘 的承载力效果会十分明显。如果盘间距较小，当支盘桩承受较大的荷载或达到设计荷 载时，地基在承力盘的作用下会产生局部剪切破坏，有可能导致承力盘下的土体被剪 倪裂，并破坏了该段桩土侧摩阻力的发挥，从而使原作用在上部承力盘上的盘端阻力和 相应的侧摩阻力，转移到下部承力盘上。下部承力盘承受到较大的荷载作用，也会产 生类似于上部承力盘的剪切破坏现象。如此发展，有可能造成桩身的整体下移，且使 桩的承载能力锐减，这就是盘问土体被剪切的破坏模式。 ( 4 ) 桩基沉降破坏模式 若持力层选择不当，或者偶然遇到持力层性状改变，地基土未能达到设计要求， 当支盘桩承受设计荷载时，承力盘下端面土层被进一步压密，盘体上部斜面上方将出 现临空面，将造成较大的沉降量 1 4 本课题主要研究内容 目前在工程中，由于桩身刚度大，除作为竖向抗压桩承受较大的竖向荷载外，还 能承受较大的横向荷载，增强建筑物的抗震能力，并能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸 支护桩以及地铁或建筑物基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地下室的承 重墙等永久性结构使用。 在桩水平承载力的研究日益受到重视、支盘桩的应用更加普及的情况下，研究支 盘桩的水平承载力并充分发挥支盘桩的承受水平荷载的作用就具有很大意义。以下是 本文所做工作： 1 、阐述桩在承受水平荷载时的工作状况，总结桩水平承载力现有的分析理论和 计算方法； 2 、运用a n s y s 工程软件，设计出比较合理的水平承载模拟方案。根据支盘桩的 几何形状、荷载性质、材料的力学性质和约束情况建立了适用于挤扩支盘桩和普通桩 及其周围土的三维有限元模型，以及在进行计算前对求解控制选项的设置，以确保得 到收敛的正确结果。 3 、对支盘桩单桩的水平承载性能进行有限元数值模拟，并将其结果与普通桩进 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 行对比，对支盘桩在水平承载方面的优势进行分析与研究。同时分析支盘的不同位置、 不同支盘形状、不同间距和不同土质等对支盘桩水平承载力的影响。 4 、对支盘桩群桩的水平承载性能进行有限元数值模拟，探求挤扩支盘桩群桩与 土相互作用的机理，分别对承台下不同桩距条件下的群桩进行受力和变形分析。 5 、对桩与土的交界面进行了些研究，分析桩在有接触单元和无接触单元两种 情况下的工作状况，及其计算结果的差异。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章桩的水平承载力的发展和现状 桩的水平承载力一直是岩土界研究的比较重视的问题。长期以