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挤扩支盘桩承载性状试验和数值模拟分析

高笑娟  
【摘要】: 为解决桩基承载力问题,人们在生产实践中设计出了许多异型桩,如结节桩、扩径桩、扩底桩及变截面桩等,这些改良的桩型在工程建设中发挥了很大的作用。挤扩支盘桩是一种异型桩,是在原有等截面钻孔灌注桩的基础上,在桩身适当部位通过专用挤扩设备形成“分支”或“承力盘”,因而称之为“挤扩支盘灌注桩”。支盘桩是以伸出桩身的承力盘和分支把一部分桩身摩阻力转化为端阻力,从而提高单桩承载力。由于它具有承载力高、沉降变形小、对周围环境污染少等优点,近些年来,在工程中得到了比较广泛的应用。 作为一种相对较新的桩型,支盘桩的理论研究远远落后于工程实践。到目前为止,挤扩支盘桩的应用主要是作为工业与民用建筑的抗压桩基础,人们对挤扩支盘桩的研究主要集中在竖向承载试验研究和工程应用中。桩身参数对支盘桩单桩承载力有重要影响,桩周土的性状也直接影响到桩的承载力。本文在国内外现有研究成果基础上,以实测资料为基础,以有限元分析为手段,对支盘桩的受力性状进行了深入细致的探讨和分析,研究的主要内容有: 第一,对三根处于湿陷性黄土中的支盘桩进行了足尺现场静载荷试验,研究了支盘桩的荷载传递机理,分析了桩侧各分段的摩阻力或等效摩阻力随着桩顶沉降的变化情况。用双曲线法对支盘桩的竖向极限承载力进行预测,对桩身各分段的荷载~位移曲线进行拟合。结果表明,双曲线方法可以有效预测支盘桩极限承载力。 第二,在试验结果基础上,采用轴对称有限元方法,分析了竖向荷载作用下,桩周土黏聚力、内摩擦角、桩土接触面之间的摩擦系数、土层分布情况等因素对支盘桩的承载力、沉降、桩身轴力的传递、桩侧摩阻力的分布、桩端土中应力的分布情况以及支盘桩桩端沉渣和桩侧泥皮厚度对支盘桩承载力的影响进行了详细分析,为支盘桩设计和施工提供了可靠的理论支持。 第三,用三维有限元分析方法,在考虑桩身混凝土和钢筋的线弹性、桩周土体的弹塑性等情况下,研究了支盘桩承力盘的位置、个数、间距、直径、桩长、桩径以及桩周土层的黏聚力、内摩擦角、弹性模量、土层分布等因素对支盘桩的水平承载性状的影响规律。 第四,建立了三维有限元与无限元耦合模型,考虑了土的初始应力场和桩身混凝土开裂引起的非线性、钢筋与混凝土的耦合作用、桩周土体的弹塑性和桩土界面的非线性接触等问题,分析了桩身塑性变形、桩身水平位移、土中水平位移、弯矩、剪力、桩身侧面应力、钢筋应力、桩土相对位移、桩前地面土体的水平位移和竖向位移等因素随桩顶荷载的变化而呈现出的不同规律。 最后,用三维有限元、无限元耦合的方法、考虑桩-土之间和承台-土体之间的摩擦接触,分析了承力盘的位置、桩间距、桩数等因素对支盘桩群桩承载力的影响。研究了群桩中不同位置的基桩,其桩身水平位移、弯矩、剪力、桩-土之间相对位移、两桩之间水平方向上位移和应力等随荷载的变化规律。


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