第 1 章 绪论
1.1 课题背景
随着我国国民经济的日益增长，城市建设的快速发展，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，土木工程中的建筑物，构筑物，桥梁，地下空间工程的基础承受水平力作用，甚至承受水平动力荷载的情况也逐渐增多，如：地震作用、桥梁、水利工程、海上钻油平台等。因此，如何解决工程结构中，水平力作用下，桩基础的抗倾覆能力已成为目前一个经常面临并急需解决的问题。对于普通混凝土直孔桩，通过适当增大桩径、大幅度增大桩长、提高桩身配筋率或加固承台侧面土体来提高水平承载力，然而，效果并不理想。混凝土扩盘桩作为一种新兴的桩基础形式，由于桩身截面的特殊构造，对抵抗水平力作用显示出比普通直孔灌注桩更大的优势。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集中在抗压、抗拔承载力的研究，对水平力作用下的破坏机理及承载力研究相对欠缺。到目前为止，仅有少量文献中对混凝土扩盘桩在水平受力状态进行了初步研究。从已有的研究成果中可以看出，目前对混凝土扩盘桩水平力作用下的受力性能还不是非常明确，尤其是对桩周土体的破坏机理研究几乎处于空白。已有的研究成果表明，混凝土扩盘桩承力扩大盘的盘径、坡角、间距、位置、数量以及桩周土体性状等都是影响单桩承载力的因素，本次课题从盘径入手，研究盘径对混凝土扩盘桩水平承载力以及土体破坏状态的影响，为完善混凝土扩盘桩水平承载力的计算模式提供理论依据。
.........
1.2 混凝土扩盘桩概述
近年来，由于经济的快速发展，建筑行业作为国家的龙头行业，其发展也是日新月异，各种高大建筑和异形建筑林立，其对桩基础的要求也越来越高，例如：高层建筑物需要桩提供更大的承载能力，如果地基下层没有较好土质情况下，如今我国最大的桩径已经超过五米；水下建筑物或者建筑物受到浮力的作用，对普通混凝土直孔桩起到上拔的作用[1,2]，此时，桩侧只有侧摩阻力在起作用；高架桥、大型油罐等特殊建筑物对沉降有着非常严格的要求[3]。随着基桩的不断改善和创新，各种各样的桩型登上历史的舞台。例如多节扩孔桩，通过增加桩的侧摩阻力来增加桩的承载能力。在众多新型桩中[4]，混凝土扩盘桩以其承载能力高、沉降量小、桩盘位置设计灵活、较好的社会效益和环境效益被应用于工程实例，受到了社会的一直好评。1998 年，贺德新先生在总结了国内外桩基的基础上以新的理念研制开发出了也就是多节挤扩灌注桩。顾名思义，“DX”桩由桩身、承力岔、承力盘和桩根组成，各部分共同承载。DX 挤扩灌注桩构造示意图如图 1-1 所示，挤扩装置如图 1-2 所示。近几年，北京聚力挤扩科技开发有限公司研制开发出“钻扩清一体机”，用于“多节钻扩灌注桩”的施工。多节钻扩灌注桩从钻孔到灌注混凝土等一系列施工工序可以利用“钻扩清一体机”一起完成[5]。
..........
第 2 章 盘径影响混凝土扩盘桩水平承载力及土体破坏状态有限元分析
2.1 有限元分析理论基础
桩土接触变形属于边界条件非线性问题[4]。为了适应不同的非线性问题，ANSYS 通常提供几种解法以备选用。增量法是一种非线性解法，但它的结果是近似的而非真实的。它是将荷载分成一系列荷载增量，即荷载步或荷载子步。在每一个荷载子步求解完成后，调整刚度矩阵，再继续进行下一个荷载子步。但是增量法存在一个问题，既误差随着荷载步增量的增加而增加，导致荷载-位移曲线失衡，如图2-1所示。ANSYS提供的牛顿-拉普森平衡迭代法[13]解决了这一难题，如图 2-2 所示，牛顿-拉普森平衡迭代法使每一个荷载子步求解完成后的误差都达到收敛，这样就保证在求解全部完成后的误差在允许范围内，避免了荷载-位移曲线失衡。混凝土属于弹塑性材料，具有弹性变形、塑性变形、开裂、压碎的能力。在 ANSYS 中，选用八节点六面体来模拟混凝土单元。本文选用 solid65 单元来模拟混凝土实体单元[20]。在混凝土开裂前，采用 Druck-Prager 模型模拟塑性行为；开裂失效准则，采用 William-Warnke 五参数强度模型[21]。
2.2 ANSYS 有限元模型建立
为了分析的简便性和准确性，桩土模型的建立基于以下原则：1.数值模拟过程中，假设桩身材料为线性材料，在达到极限荷载时，桩周土体破坏，而混凝土扩盘桩不破坏。2.静力压桩受力问题是空间轴对称的[4]，所以取 1/2 桩及桩周土建立有限元模型。模型地面约束竖向位移 y，半切面约束水平位移 x，土体半圆侧面约束其x、y、z 三向位移。3.有研究表明，当模型桩与模型箱边界距离大于 10 倍桩径时，可以不考虑边界效应对试验结果的影响[24]。本次模拟中，土体范围远大于 10 倍桩径，所以忽略边界条件对模拟数据的影响。4.在竖向压力和水平拉力作用下，混凝土扩盘桩会发生沉降变形和挠曲，承力盘会与周围土体分离，从实际情况出发，在承力盘与周围土体之间预留 1mm2.1.4 桩土接触分析缝隙。
...........
第 3 章 ANSYS 模拟结果分析..... 17
3.1 位移结果分析....... 17
3.1.1 位移云图分析.... 17
3.1.2 荷载-位移曲线分析.......... 21
3.2 应力结果分析....... 25
3.2.1 土体 X 方向应力云图分析........ 26
3.2.2 土体 XY 方向剪应力云图分析.......... 28
3.2.3 桩土 XY 方向剪应力曲线分析.......... 31
3.3 本章小结....... 37
第 4 章 盘径影响混凝土扩盘桩水平承载力及土体破坏状态.... 39
4.1 前言....... 39
4.2 试验准备....... 40
第 5 章 试验结果分析........ 59
5.1 桩土相互作用分析....... 59
5.2 位移-荷载数据的处理与分析..... 63
5.3 本章小节....... 65
第 5 章 试验结果分析
由于四组试验原状土试样取自同一场地的同一深度，又经过相同的包裹处理及运输、存放，所以将四组试验后环刀送土工实验室测得结果显示，四组土样含水率、密度、抗剪强度、粘聚力及内摩擦角等参数相差不大，所以对比分析时忽略土体参数的影响。
5.1 桩土相互作用分析
本试验为全程可观测试验，可以通过千斤顶增压来控制桩顶位移量，从而时刻观测荷载位移变化情况，也可以随时观测桩土变化，并用照相机记录下来。现以 D3 号桩为例，介绍随荷载增加，桩土相互作用变化图 5-1（2）为竖向力保持不变，水平力加载初期，桩土相互作用情况。如图，桩身绕一点随水平力方向发生刚体转动。此时，桩身左侧从桩顶延伸至盘下某一点范围内，桩土发生分离，这点以下，桩身右侧与桩周土分离，说明桩身便是绕盘下这点发生转动，承力盘也随之转动。不妨定义此点为 M 点。从图中可以清晰的看到桩顶缝隙大于桩端，所以桩顶弯矩大于桩端弯矩，这是由于承力盘产生一定转角，盘上下土体在变形中对承力盘产生了有效的抵抗弯矩，抵抗弯矩大大平衡了桩身弯矩，使盘下桩身弯矩明显变小[38]。承力盘右上方缝隙变小，左下方开始出现缝隙。同时，承力盘右下方水印呈滑移线状扩大，左下方水印有减小的趋势。这是因为承力盘顺时针转动，右下方土体继续压缩，水分析出，而承力盘左半边随转动向上移动，左下方土体弹性变形恢复，水分部分被吸收。
............
结论
1.本文 ANSYS 有限元模拟分析与小模型试验得到的结论基本一致，说明本文所得结论是正确的，合理的。
2.水平力作用下，盘径是影响混凝土扩盘桩水平承载力及桩周土体破坏状态的重要因素之一。当桩顶位移达到一定值时，承力盘抵抗水平力的优势才得以充分发挥。
3.盘径越大，混凝土扩盘桩水平承载能力越大，但这种增大的趋势不是成比例增加的，当盘径与桩径之比大于 3 倍时，随盘径增大承载力幅度减弱，得出盘径与桩径之比为 2～3 倍为最优比例。
4.沿水平力方向一侧盘下土体应力很大，说明这部分土体对抵抗水平力发挥主要作用，且盘径越大，对盘下土体影响范围越大，承力盘抵抗水平力的能力越强，而传递到下部的力则越小，这一结论运用到实际工程中，随盘径增大，可以适当减小桩身长度，节省材料。
5.水平力作用下，桩身绕盘下某点转动，且随盘径增大该点位置下移，当该点下移到达盘端时，应提出此时盘径与盘下桩身长度的一个比例。
6.在水平力作用下，桩身发生水平力方向的位移，带动另一侧小范围的土体一起移动，或与土体脱离，所以水平力作用下，混凝土扩盘桩水平承载力主要与水平力方向一侧的土体性状有关。
7.水平力作用下，承力盘上下与桩身连接部分产生应力集中，为了避免这部分桩身提前破坏，可以将这部分做圆角处理。桩周土较大应力则集中在承力盘下部一定范围内，所以要保证扩盘桩水平承载力，承力盘应处在土质较好的土层。
.........
参考文献（略）
