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1、黄福安,刘杰,王宁，崔兵( 湖南工业大学、土木工程学院、湖南 株洲 41200 7)摘 要：为了研究闭口阶梯型变截面管桩承载性状与变截面所处土层位置是否存在关系，同时为证实现场试验的可行性 提供参数依据。采用F LAC3D数值模拟软件建立差分模型，把土层分为上下两层，并对变截面节点处在土层的三个不同位置： 两土层分界处、两土层分界面以上2米、两土层分界面以下2米；其次在变截面处与土层分界面重合的基础上，变化土层参数， 分析变截面管桩的承载性状。结果表明：当变化变截面所处土层位置时，阶梯型变截面管桩的承载性状有明显变化；在其他 土层参数不变的情况下，变化土的弹性模量，随着土的弹性模量增长，桩的承
2、载性能也逐渐增大。关 键 词 ：阶梯型变截面管桩； 变截面 ；承载性能Numerical Simulation Study for Bearing Capacity of Ladder Type VariableCross-Section Pipe PilesHuangfuanan( School of Civil Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007，China )Abstract: To study if there was a relationship between the bearing c
3、apacity of closed ladder type variable cross-section pile with the variable cross-section of nodes in the soil layer position, and provided parameters for the field test at the same time by using FLAC3D numerical simulation software to established differential model. The soil was divided into two la
4、yers, and the variable cross-section nodes of the ladder type variable cross-section pipe piles in three different positions: at the interface of the two soil layers, two meters above the interface and two meters below the interface, were simulated respectively. When the variable cross-section nodes
5、 at the interface of the two soil layers, we changed the soil parameters to analyze the bearing capacity of variable cross-section pipe pile further. The results of the simulation showed: the bearing capacity of variable cross-section pipe pile changed obviously, when the variable cross-section node
6、s at the interface of the two soil layers; in the case of other soil parameters unchanged, the bigger elastic modulus of soil, the higher bearing capacity of ladder type variable cross-section pipe piles.Key words: Ladder Type Variable Cross-Section Pile; Variable Cross-Section ; Bearing Capacity0 引
7、言闭口阶梯型变截面管桩是在桩上部截面加帽， 桩身截面沿桩身长度呈阶梯型减小的管桩结构模 型。根据轴力沿闭口阶梯型变截面桩桩身的分布特 征，大幅度节约材料，所以能有效降低工程成本。 近年来，国内外针对闭口阶梯型变截面桩的性状进 行了一系列的研究，取得了一定的成果。方焘1通 过现场实验及数值分析对阶梯型变截面桩的变形及 承载性状进行了研究，指出了变截面比对阶梯型变 截面桩竖向承载特性影响显著。对于桩身不同截面 位置，阶梯型变截面桩身呈现出:上部大直径段受力 大，下小部直径段受力小等结论。胡培进，汪中卫 等2研究了变截面桩荷载传递规律，通过实验验证， 指出了桩的承载性能属于摩擦端承桩，沉降量小等 优
8、点。罗照等3-4研究了变截面桩的竖向承载力性 状，指出了变截面桩相对于等截面桩能够减少沉降， 但是这种沉降量的减少是以损失部分承载能力作为 代价，变截面桩身轴力呈现上大下小的特性。杨有 莲等5-7采用三维有限元计算程序，研究了相同土质 条件下变截面和等截面钻孔灌注桩在桩顶竖向加载 方式下荷载传递机理的异同，结果表明：变截面桩的受力机理与等截面桩不同，变截面桩将传统桩端 阻力变为桩侧阻力，充分利用地基中不同深度土层 承载能力，有效提高了单桩的单位体积极限承载力， 并达到了减少沉降量的目的。由于混凝土管桩制作 简单、施工方便、施工工期短、经济效益较好以及 工程地质条件适应性强，因此广泛应用于桩基础
9、工 程中。但变截面处节点是否是影响阶梯型变截面管 桩承载性能的关键因素尚未证实，现场试验是否与 理论实验相符合也未尝所知，所以开展闭口阶梯型 变截面管桩沉降性状的研究十分必要。本文通过 FLAC3D 数值模拟软件建立差分模型，把土层分为上 下两层，阶梯型变截面管桩的变截面处分别设置在 土层的三个不同位置：土层分界面处、土层分界面 以上 2 米及土层分界面以下 2 米,分别与处于同样 土层的等截面桩承载性能进行对比研究，同时找出 阶梯型变截面管桩的变截面处于土层哪个位置时 所需成本最低。当变截面处于土层分界面处时，变 化土层相关参数，以探讨变截面管桩承载性状是否 跟变截面有关。通过数值模拟筛选出
10、合理的土工参 数证实现场试验的可行性。1 数值模拟方案1.2 数值模拟分析本模拟是采用flac3D有限差分软件对试验进行 建模分析，在单桩影响范围内进行建模，取整根桩 截面，模型及网格划分如图 1，模型中考虑边界影 响，把土层分为上下两层，上层为软土，下层为硬 土，总土层高度设为20 米，模型纵向和横向宽度各 为1.25米，模型底部约束X, y和z 3个方向位移， 模型侧面约束水平位移，顶面变形自由。闭口阶梯 型变截面管桩上下各取7 米，桩身直径根据相关规 范，上截面外径为500mm，内径为100mm；下截面外 径为300mm，内径为60mm，模型尺寸见表1。试验 时进行分级加载。1.2.2
11、材料模型及参数 桩体采用理想弹性模型，模型桩体积模量 k=16.67e9Pa，弹性剪切模量 G=11.5e9Pa。（1）考 虑阶梯型变截面桩变截面节处于土层分界面上 2 米、与土层分界面重合和处在土层分界面下2米三 种模型，同时考虑在同样土层下的等截面管桩。根 据对称性，建模均为 1/4 模型，管桩建模尺寸见表 2，路基及路堤均采用理想的弹塑性摩尔-库伦模型， 如图为变截面管桩变截面与土层分界面重合时的模土体分层及编号含水 率%天然 密度 g/cm3变形模量E（ MPa ）黏聚力 c/kPa内摩擦角（。）1号29.18.5上层土5320（二层）7下层土1412.819.82号29.18.52、
12、3、4、5、6、320（一层）77、8、93号15、 16、 17、29.18.55318、 19、 20、（一层）721、 224号29.18.553 、 4 、 5 、 6 、20（一层）77、 8、 9、 10表 2 黏性土的物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of clay型网格划分图。（2）在同一土层下，变截面管桩变 截面与土层分界面重合时，考虑土体参数变化对桩 的沉重性能的影响，具体参数见表2.表 1 模拟模型管桩尺寸Tab.1 Size of model pile大管节（cm）小管节（cm）桩长（m）外径内径外径内
13、径50103061440840814FL AC 3D 3.00Settys: Model Perspective 10:01:42 Frt Sep 26 2014CenterRotationX:-1.55*e-015X: 10.000Y: 0.00064000Y: 0000Z: *1 000-001Z 0 000Dtst. 57l0e*00lMsg1Ang: 22.500AxesLinestyle Block Group Mruantu 丫快 p恥 Block Group Peitasca Consulting Group Inc-53： S l USA图 1 模型网格划分图图 3 变截面在土
14、层分界面下 2 米网格划分图2 数值模拟结果分析2.1 沉降分析图 2 为闭口阶梯型管桩变截面处于土层分界 面处，荷载为 1500kPa 时桩的竖向沉降云图。从图2 可以看出：随着深度的增加，沉降值逐 渐减小，最大位移发生在桩的顶面。图 3 为阶梯型变截面管桩变截面在土层分界面 三个位置的荷载-沉降曲线。由图3可以看出：当荷载小于900kPa时，三条 荷载-沉降曲线基本吻合；当荷载大于900kPa时， 阶梯型变截面管桩变截面处在土层分界面上2 米的 沉降开始大于其它两种形式下的沉降；当荷载大于 1400kPa 时，变截面与土层分界面重合的桩顶沉降 开始小于变截面在土层分界面下的桩顶沉降，差值
15、相处很小。说明阶梯型变截面管桩变截面处在土层 分界面上和在土层分界面下2 米的沉载性能基本相 同。图 4 为阶梯型变截面管桩和等直径等截面管桩 在变截面处在土层分界面上 2 米时的荷载-沉降曲 线。由图4可见，当荷载小于400kPa时，两条曲线 吻合，说明此阶段等截面管桩与阶梯型变截面管桩 的承载性能相同。当荷载大于400时，等截面管桩 的沉降开始大于阶梯型变截面管桩，也就是说，阶 梯型变截面管桩的承载性能好于等截面管桩的承载 性能图 5 阶梯型变截面管桩和等直径等截面管桩在 变截面处在土层分界面上时的荷载-沉降曲线。图 6 土层分界面处及处于土层分界面下2 米时的桩荷载 -沉降曲线。FLAC3D 3.00Step 1700134 Model Perspective 15:55:37Mon Sep 15 2014/模型竖向位移云图CeDisnter:Rotation:-1.55415X: 0.000O.OOOe+OOOY: 10.000-7.120e+000Z： 0.
