水平荷载作用下混凝土扩盘桩研究现状及工作机理

．６２．　第４２卷第１３期　２　０　１　６年５月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　ＶＯ１．４２　Ｎｏ．１３　Ｍａｖ．　２０ｌ６　·岩土工程·地基基础　文章编号：１００９—６８２５（２０１６）１３—００６２—０２　水平荷载作用下混凝土扩盘桩研究现状及工作机理★　钱永梅　。　王洁　（１．吉林建筑大学，吉林长春王若竹　翟莲　１３０１１８）　１３０１１８；２．吉林省结构抗震技术创新中心，吉林长春摘要：总结了水平荷载作用下扩盘桩的研究现状，并结合桩身及桩周土体的荷载传递规律，阐述了混凝土扩盘桩在水平荷载作　用下的工作机理，提出了需要在破坏机理及承载力等方面进一步研究的内容，为该型桩的推广应用提供借鉴。　关键词：混凝土扩盘桩，水平荷载，承载力，弯矩　中图分类号：ＴＵ４７３　文献标识码：Ａ　１　概述　隆成教授通过有限元软件Ａｄｉｎａ模拟，分析了不同位置设盘　混凝土扩盘桩作为一种新型桩，在工程领域发挥＿ｒ其独特的　的挤扩多盘桩在水平荷载作用下的承载力性能。提出支盘的埋　设深度是影响支盘作用的重要因素，并提出盘径、盘坡角也是影　优势。由于扩大盘的存在，使得｝昆凝土扩盘桩单桩抗压承载力有　响支盘抵抗水平荷载的因素，其中，支盘的埋设深度对其影响最　了极大的提高，同时具有良好的抗拔性能。对此，国内外学者做　ｒ大量研究，其竖向承载性能的研究基本趋于完善。近些年来，ｌ　大。。　随着我国国民经济的日益增长，城市建设的不断发展，地下空间　的开发和利用，不同功能和种类的建设项目日益增多，土术工程　中的建筑物、构筑物、桥梁、地下空间工程的基础承受水平荷载作　用，甚至承受水平动力荷载的情况也逐渐增多，如：地震，风力，海　卢锡雷等人通过室内模型试验，对比分析了当支盘桩支盘设　置在桩身上部、下部不同位置时，其荷载传递规律和桩土相互作　用机理。提出支盘设置在桩身上部更能发挥支盘抵抗水平荷载　的优势，同时，设盘位最要在土体可能隆起的范围以下；取桩身中　土压力更小　。　洋平台，高压电网及深基坑支护等等：如何解决工程结构中，水　平荷载作用下，桩基础的抗倾覆承载力已成为目前一个经常面临　并急需解决的问题。普通的混凝土等截面直孔灌注桩的抗倾覆　能力ｔ分有限，混凝土扩盘桩作为一种新型变截面桩，当然是解　决抗倾覆问题最有效的方式，在实际工程中的应用也日益广‘泛。　部某一点土体，相同水平力作用下，支盘设置在上部时这一点的　高笑娟的研究以普通桩在水平荷载下的解析解为依据，提　挤扩支盘桩水平承载力计算方法。同时，通过有限元模拟，定性　件、土的特性对挤扩支盘桩的水平承载性能的影响　的分析了盘位置、个数、间距、直径以及桩长、桩径、桩顶约束条　由于扩大盘的存在，使其表现出了良好的水平承载性能，并可以　有效减小桩长，实现了其社会效益和经济效益。虽然近年来，国　内外对混凝土扩盘桩的研究取得了一定的进展，但是，混凝土扩　王海天等人以弹性地基反力法为基础，结合桩身变彤曲线，　利刚有限差分法得出了支盘桩桩身位移和内力的　‘算方法　盘桩仍处于初期探索阶段，国内、外对混凝土扩盘桩的研究成果　更多地集中在抗压、抗拔承载力的研究，对水平荷载作用下的破　卢成原教授以两桩群桩为研究模型，通过室内模型试验，分　析＿ｒ桩间距分别为２Ｄ，２．５Ｄ，３Ｄ（Ｄ为盘径）时，支盘桩群桩的受　坏机理及承载力研究相对欠缺，到目前为止，仅有少量文献中对　挤扩多盘桩在水平受力状态进行了初步的研究，包括数值模拟和　室内模型试验的研究。其中对于混凝土扩盘桩水平承载力计算　力和变形特征。提出随桩距增大，桩身弯矩、挠曲变形均减小；机　顶位移增大时，扩大盘发挥良好的平衡桩身弯矩的作用，盘下桩　径时，群桩效应町以不予考虑　。　身弯矩明显减小；桩距越大，群桩效应越微弱，当桩距大于３倍箍　和设计的相关参数并不完善，因此，对于混凝士扩艋桩水平承载　性能的研究还有一定差距。　赵利乎教授以２　Ｘ４排的群桩模型，研究探讨了水平力下挤　扩多盘桩群桩的受力特性。文中首先分析了桩身弯矩的变化结　２研究现状分析　果，提出群桩效应和边桩效应同时对桩身弯矩产生影响。冉次，　混凝土扩盘桩自产生以来得到了快速的发展和应用，对混凝　当桩间距离为２倍盘径时，群桩效应比较明显，距离士表面０　ｍ～　土扩盘桩竖向抗压抗拔承载性能的研究基本趋于完善，目前，对　２　ｍ处的桩间土体存在应力叠加现象。在水平荷载的分配比例方　热点　混凝土扩艋桩水平承载性能的研究成为工程领域一项新的研究　面，前排桩承受的水平荷载大于后排桩，而后排桩则先于前排桩　与桩后土体分离　．　．Ｉｎｑｕｉｒｙ　ｏｎ　ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　Ｄｅｎｇ　Ｚｈｅｎｇｙｕｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｅｒｔｂｒｍａｎｃｅ，ｉｔ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｕ　ｍｅｅｔ　ｓａｆｅｔｙ，ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓａｆｅｔｙ　收稿日期：２０１６—０２—２７＂Ａ－：国家自然科学基金项目（项目编号５１２７８２２４）　作者简介：钱永梅（１９７０一），女，博士，教授：　王翟莲（１９７７一），女，副教授　洁（１９８９一），女，在读硕士；　王若竹（１９７１一），男，教授　爹　２１　摹　３．１　刚性桩和弹性桩　钱永梅等：水平荷载作用下混凝土扩盘桩研究现状及工作机理　·６３·　３水平荷载作用下扩盘桩的工作机理　在水平荷载作用下，根据桩土相对刚度的大小，桩分为刚性　桩和弹性桩　。一般情况，当桩径较大，桩长较短，桩周土体性质　较差时，认为混凝土扩盘桩为刚性桩，反之，为弹性桩。在水平力　塑性变形状态，土体变形区域沿桩身往下延伸，荷载传给下部土　体。此时，盘两侧土体由于被挤压分别产生向上向下的抗力ｑ，　ｑ　，形成抵抗弯矩　。抵抗弯矩大大平衡了桩身弯矩，使盘下桩身　弯矩变小，从而提高水平承载能力，有效抵抗侧向位移。同时，在　水平力加载方向一侧，上层土体压缩范围以外，会有部分土体微　微隆起。这表明，当桩顶位移很小时，扩大盘基本不产生作用。　只有桩顶位移足够大，扩大盘产生一定的转角时，盘周围土体才　会产生抵抗弯矩，扩大盘的优势才得以发挥。在实际工程中，如　作用下，刚性桩绕桩身一点发生刚性转动，弹性桩则从桩顶到桩　端呈抛物线变形，盘上桩身曲率大于盘下桩身，如图１所示。　果桩顶位移被严格限制，扩大盘的优势不能充分发挥。　４结论与展望　混凝土扩盘桩独特的构造，增大了桩土接触面积，使其抵抗　水平荷载的能力远大于普通混凝土直孑Ｌ桩。实际工程中承受水　平力的结构比比皆是，混凝土扩盘桩无疑是解决这一问题的有效　方法。虽然对于混凝土扩盘桩的水平承载性能，国内学者做了一　定的研究，但仅限于有限元数值模拟和室内模型试验，研究结果　ａ）目　生桩　ｂ）弹性桩　也只是给出了粗略的定性分析。因此，对于混凝土扩盘桩的研究　还远远不够，还应从以下方面对混凝土扩盘桩的水平承载性能做　圈１水平荷载下混凝土扩盘桩变形示意图　混凝土扩盘桩的水平承载力主要取决于桩的尺寸和形状，桩　出更全面深入的研究：　身强度和刚度以及桩周土的性质，即土的抗剪强度　。刚性桩的　身的抗弯刚度和桩周土强度共同决定。　１）目前的研究一般通过桩身应变片和土中埋置的压力盒收　变化情况。针对这一问题，可以采用钱永梅教授等人发明的可视　半面桩室内模型试验装置，深入研究桩身及桩周土荷载传递规律　水平承载力主要取决于桩周土强度，而弹性桩的水平承载力由桩　集数据进行对比分析，不能真切看到破坏过程中桩身及桩周土体　３．２　水平荷载作用下混凝土扩盘桩的工作机理　　与普通混凝土直孔桩相比，由于扩大盘的存在，增大了桩与　及位移变化情况，分析水平荷载下混凝土扩盘桩的破坏机理；土的接触面积，当混凝土扩盘桩在水平力作用下产生侧向位移　２）由于室内模型试验存在一定的局限性，应结合现场大型试验对　３）对各种　时，扩大盘随之产生一定的转角，盘上下土体压缩产生抗力，即抵　混凝土扩盘桩水平力作用下的参数进行收集对比分析；为混凝土扩盘桩设计提供可靠的　抗弯矩，平衡桩身弯矩，使桩的水平承载力大大提高。本文以刚　影响因素给出确切的取值范围，完善混凝土扩盘桩水平承载力计算模式。　性桩为例，如图２所示，论述水平力作用下混凝土扩盘桩的荷载　理论依据，参考文献：　传递规律。　［１］　隆威，陈宾．挤扩支盘桩抵抗水平荷载作用的数值模拟　分析ｌ　Ｊ】．山西建筑，２００８，３４（２）：９—１０．　［２］　卢锡雷，卢成原，卢鸿凯．不同设盘支盘桩的水平承载性状　研究［Ｊ］．浙江工业大学学报，２０１１，３９（１）：５１—５６．　［３］　高笑娟，刘丰军，李跃辉，等．桩的水平承载力若干问题的探　讨『Ｊ］．工程力学，２００９，２６（７）：９７—１ｏ４．　［４］　王海天，王安华，张图２水平荷载作用下扩盘桩的受力机理示意图　铁．水平荷载作用下挤扩支盘桩的承　载性能分析［Ｊ］．江苏建筑，２０１４，５（１）：７６－７８．　［５］　卢成原，颜建华．不同桩距支盘桩群桩水平承载性状试验研　１）当桩顶水平位移很小时，水平力由盘上桩身传给上层土　究［Ｊ］．建筑技术，２０１３，４４（４）：３７３—３７７．　体，上层土体处于弹性压缩状态，产生抗力抵抗水平荷载。此时，　［６］　赵利平，向黎，卢　陈，等．水平荷载下挤扩支盘桩群桩受　由于混凝土扩大盘桩侧向位移很小，扩大盘几乎没有发生转动，　力特性分析［Ｊ］．工业建筑２００９，３９（１０）：５２－５６．　盘周围土体没有产生明显的抵抗弯矩。　２）荷载继续增大，扩大盘随桩身发生较大转动，上层土体进入　［７］　林海军，夏良峰，刘　填．桩的水平承载力若干问题的探讨　ｌ　Ｊ　１．浙江建筑，２００９，２６（５）：２６－２９．　‘　Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　０ｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｌａｔｅｓ－ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｐｉｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｌｏａｄ★　Ｑｉａｎ　Ｙｏｎｇｍｅｉ。　Ｗａｎｇ　Ｊｉｅ。　Ｗａｎｇ　Ｒｕｏｚｈｕ。　Ｚｈａｉ　Ｌｉａｎ。　（１．Ｊｉｌｉｎ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３０１１８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉｌｉｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３０１　ｌ８．　ｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｌａｔｅｓ．ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｐｉｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｌｏａｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　１ｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｌａｗ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ，ｉｔ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｌａｔｅｓ—ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｐｉｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｈｏｒｉ－　ｚｏｎｔａｌ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｉｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｌａｔｅｓ－ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｐｉｌｅ，ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｌｏａｄ，ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ