1、多节挤扩灌注 DX 桩单桩抗压的数值模拟摘要：DX 桩是在普通直孔桩的基础上通过液压挤扩装置在桩身不同部位设置扩盘而成；通过将扩盘布置在地基土体的坚硬土层上，能充分利用地基土体的承载力。相比于普通直孔桩，DX 桩具有承载力大、沉降小等很多优点。本文通过数值计算对 DX 桩单桩和群桩的抗压承载力、沉降特性以及单桩的抗拔承载力进行了研究与分析。通过数值计算，得到的主要结论如下： DX 单桩的抗压载力可提高到尺寸相同普通直孔桩的 22.3 倍；端阻力占 DX 桩总荷载的比例较小，不到 10%，这样可以有效减小在成孔施工过程中由于清孔不力造成对桩承载力的不利影响。 关键词：DX 桩；单桩；承载力；数值
2、分析 中图分类号：TU74 文献标识码：A 1 引言 桩基础作为一种深基础，有着悠久的发展历史。进入现阶段以来，桩基础有了具大的发展，这表现在单桩设计承载力越来越大，沉降越来越小。这样一来，设计者不得不从诸如桩身材料优选、加大桩身截面、追求新的有效的沉桩工艺等途径来进行桩的改良工作。于是就出现了不同类型的桩，灌注桩就是其中的一种。设法提高灌注桩单桩承载力，以节省资金、创造良好的社会效益和经济效益，具有重要的意义。 1998 年我国研制开发出新型的多功能液压挤扩装置，由该设备挤扩形成的桩称为多节挤扩灌注桩或 DX 桩13。 图 1 DX 桩桩身示意图 通过实践证明：DX 桩基技术有着显著的经济效
3、益和社会效益，有着强大的市场竞争能力。目前，对于计算 DX 桩的受力机理、计算方法以及沉降的计算还处在探索阶段。现有的地区性规程或方法主要还是参考建筑桩基技术规范得出承载力和沉降的计算公式，虽然其计算基本能满足建筑工程的要求，但计算结果的可靠度不是很高。 DX 桩的理论研究远远落后于工程实践，关于对 DX 桩工程性状的研究,目前主要的方法主要有:用有限元法进行计算分析4-6、现场试验的方法7,8、数值模拟法9-11、室内模型试验法12-14等。这些方法都有其优缺点，比如现场试验法能较正确的反应桩的实际工程性状，但试验成本较高，而且研究得到的结果不具有广泛的代表性。因此将两种或两种以上的方法结合
4、起来研究，能更好的反应研究的问题。 总的来说，多节挤扩灌注桩的承载力机理相当复杂，与直孔桩完全不同，多节挤扩灌注桩的承载力实际上是由三部分组成：桩侧摩阻力、扩盘阻力、桩底端阻力，这三种阻力之间又存在相互影响。多节挤扩灌注桩由于其多级扩盘的存在导致了目前人们对多节挤扩灌注桩承载机理的认识还很不充分，制约了多节挤扩灌注桩在工程中应用的发展。 本文将通过数值计算方法对 DX 桩进行承载机理、承载力进行研究，以期能为 DX 桩的计算分析和设计中提供参考。 2 DX 单桩的数值模拟 本文做了对 DX 单桩及普通单桩竖向抗压的数值计算，以利于二者之间进行对比。 2.1 DX 单桩数值模拟概况 对 DX 桩
5、的数值模拟计算中，DX 桩直径 d 选取为 1m，扩盘直径 D 为2m，高度为 1m，桩身长度为 20m，两扩盘间距为 8m；此外，还进行了与DX 单桩相同直径相同长度的普通直孔桩的数值计算。 本次数值计算中采用的桩为实体桩。由于 FLAC3D 建模较为繁琐，故模型的建立在 ANSYS 软件完成，然后导入到 FLAC3D 中。 在 DX 单桩模型中，由于桩为轴对称形状，且桩顶荷载也是对称于桩轴，其地基土的应力和位移均对称于桩轴，属于空间轴对称问题；故在建立模型时将模型做简化处理：建立四分之一桩土模型。网格划分的范围，取径向为 10m，深度为桩底 14m，如图 2 所示。 图 2 DX 单桩模型
6、 DX 桩挤扩盘处的网格划分如图 3 所示， 图 3 DX 桩挤扩盘处网格划分 本构模型及参数的选取涉及到土体和混凝土两种不同的材料，要分别对两种材料采用不同的本构模型及模型参数，在两种材料接触处还要设置接触面单元来模拟界面相对滑动。 在对大比例尺模型试验进行数值模拟时，对土体采用的本构模型为岩土力学中应用最为广泛的摩尔库仑模型15。对桩身混凝土采用的模型为各向同性的弹性模型。接触面采用的是无厚度接触面单元，接触面本构模型采用的是库仑剪切模型15。 数值计算中 DX 单桩的接触面模型建立后如图 4 所示。 图 4 单桩接触面 在 DX 单桩数值计算中对桩身混凝土、桩周土体、桩土接触面所采用的模
7、型及参数(参数选用的是文献16中现场实验的数据)如表 3-1 所示。表 3-1 DX 单桩数值计算所采用的本构模型及参数 表 3-2 DX 单桩抗压加载级别与大小 表 3-4 普通直孔单桩抗压加载级别与大小 2.2 DX 单桩抗压数值模拟结果 2.2.1 Q-s 曲线 数值计算得到的桩顶在各级荷载下的沉降量。联合对相同直径和桩长的普通直孔桩的计算结果，做出二者的承载力与沉降的的 Q-s 曲线如图 5 所示。 图 5 DX 桩和普通直孔桩的 Q-s 曲线 由 DX 桩和普通直孔桩的 Q-s 曲线图 5 可以看出： 1）普通直孔桩的 Q-s 曲线在荷载为 3600kN 左右即出现了明显的拐点，而
8、DX 桩的 Q-s 曲线在加载范围内始终没有出现拐点，属于缓变型曲线。 2）按建筑桩基技术规范JGJ94-2008 取沉降为 40mm 对应的承载力为 DX 桩的极限承载力，为 8500kN 左右，是普通直孔桩的 2.3 倍。 3）普通直孔桩 Q-s 曲线发生拐点可以得出普通直孔桩的极限承载力为 3390kN，这和利用规范得出的 3768kN 只相差了 10%，这也验证了数值计算模型及模型参数的选取是合适的。 2.2.2 扩盘两侧摩阻力分析 由于扩盘的存在，DX 桩的承载力大为提高，扩盘阻力主要由两部分组成，第一是扩盘表面受到的摩擦力，第二是扩盘表面受到的支撑力。通过对扩盘上下两表面侧摩阻力的
9、分析，可以更好的掌握 DX 桩承载力的传递机理。 作出 DX 桩在第四级荷载（如图 6 所示）及第十级荷载（如图 7 所示）下扩盘处接触面上的剪应力图。 图 6 第四级荷载下时 DX 桩扩盘处侧摩阻力图 图 7 第十级荷载下 DX 桩扩盘处侧摩阻力图 对图 6 和图 7 进行分析可以看出： 1）图 6 显示在桩顶承受第四级荷载作用下，扩盘下表面的摩阻力要明显大于上表面的，约是上表面 34 倍； 2）图 7 则显示在第十级荷载作用下，扩盘上表面的摩阻力几乎降到了 0，下表面摩阻力则提高了 2 倍左右。同时也可看出，在扩盘上部一定范围内桩身的剪应力有明显的折减。 造成扩盘两表面侧摩阻力差别的主要原
10、因是由于 DX 桩在桩顶荷载不断增大的过程中，扩盘上表面逐渐与土体发生分离，如图 8 所示，为使变形更加明显，将变形放大 20 倍。 图 8 第十级荷载下扩盘与周围土体变形示意图（变形被放大 20 倍） 由图 8 可以看出，扩盘上表面土体的网格被拉伸，而下表面土体的网格被压缩，这就造成扩盘上部一定范围内的土体发生应力解除，造成扩盘上部一定范围内侧摩阻力减小。 2.2.3 桩身轴力与扩盘阻力的发挥 DX 单桩桩身应力图可以由桩身单元的竖向应力显示出来，在桩顶第四级荷载和第九级荷载作用下的桩身应力分布如图 9 和图 10 所示。 图 9 第四级荷载下 DX 单桩桩身应力图 图 10 第九级荷载下
11、DX 单桩桩身应力图 由图 9 和图 10 可以看到，在桩顶荷载下，DX 桩身轴力沿深度是逐渐减小的，这和模型试验得出的结论是一样的，因为桩在向地基土体中传递应力的过程中，沿深度方向上将部分轴力转化为桩侧摩阻力，使得桩身轴力沿深度方向上不断减小。 由大比例尺模型试验可知，DX 桩的扩盘阻力是由上而下逐渐发挥出来的，这里可由数值分析中来验证。如图 11 至 13 所示，为在不同桩顶荷载下上下两盘周围土体发生塑性流动的单元。 图 11 第三级荷载时扩盘周围土体塑性单元 图 12 第六级荷载时扩盘周围土体塑性单元 图 13 第八级荷载时扩盘周围土体塑性单元 由各级荷载下扩盘周围土体的塑性单元图可以看
12、到： 1) 在桩顶承受第三级荷载时，上扩盘周围土体单元发生塑性区的较多，下扩盘周围土体单元发生塑性区的较少，这说明，在第三级荷载下，上扩盘阻力发挥较充分，而下扩盘阻力则发挥的较小。 2) 随着桩顶荷载的增大，上、下两扩盘周围土体的塑性区单元都逐渐增多，上扩盘阻力继续发挥，下盘阻力也逐渐发挥。上、下两扩盘分担的桩顶荷载也逐渐增大。 3) 图 12 和图 13 显示在桩顶第六级荷载和第八级荷载时，上扩盘周围土体单元不但发生剪切破坏，还发生拉破坏。 3 结论 通过大比例尺模型试验和 DX 桩以及普通直孔桩的数值计算分析，可以得到如下结论： 1) 相比尺寸相同的普通混凝土灌注桩，DX 单桩的抗压、抗拔
13、承载力都明显得到提高，上拔量也明显降低。由数值计算得出具有两个扩盘的DX 单桩的抗压承载力是普通直孔桩的 2.3 倍左右。 2) DX 桩扩盘阻力的发挥具有明显的时间顺序效应，上部的盘承载力先发挥，数值较大；而下部的扩盘承载力发挥不够充分，所占的比重相对较小。抗拔的 DX 桩盘阻力的发挥也具有时间效应，上盘阻力先发挥，下盘阻力再发挥 3) 在 DX 单桩顶荷载增加时，扩盘所分担的桩顶总荷载的比例是逐渐增大的；而在整个加载过程中，端阻力占总荷载的比例较小，不到10%。可以有效减小由于在施工过程中清孔不力对桩承载力的不利影响。 4) DX 桩受压过程中，在扩盘上部一定范围内土体发生应力解除，而扩盘
14、下部一定范围内土体发生应力集中；桩身受到的摩阻力则明显上升。扩盘下表面的摩阻力要明显大于上表面的，在当荷载加到一定值时，扩盘上表面的摩阻力降为 0。 参考文献 1 沈保汉,贺德新等.DX 多节挤扩桩的产生及特点J.工业建筑,2002,34(3) 2 张德华,王梦恕.DX 挤扩灌注桩技术在铁路桥梁工程中的应用J.中国工程科学,2009,11(7):9296. 3 贺德新,沈保汉.DX 挤扩装置及 DX 多节挤扩桩的应用J.工业建筑,2001,31(1):2731. 4 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. 5 梁昌俊.多支盘水泥桩的非线性有限元分析J.水文地质工程地质, 2005, (6): 116-119 6 钱德玲.支盘桩-地基相互作用及有限元法模拟研究J.土木工程学报, 2004, 37(2): 82-86. 7 吴兴龙,李光茂,魏章和. DX 桩单桩承载力设计分析J.岩土工
