变径桩优化设计论文

1变径桩的桩身变形特性

为了表示每级荷载作用下的单桩净沉降量Δs随荷载的发展情况，根据规范规定把Q除以极限荷载后绘制出试桩的Q/Qu～Δs曲线，如图6所示。由图6可知，变径桩承受约80%的极限荷载时曲线迅速跷起，在该位置之前曲线变化趋势比较平缓，斜率较小，这说明在上部荷载作用下，试桩上盘承载力在逐渐发挥作用，沉降变形较缓和;当荷载超过80%的极限荷载之后，曲线斜率增大，沉降也迅速增大。这种情况是因为上盘的承载能力已经达到极限，继续增加的荷载由盘间的侧阻力和下盘承担并向下传递到桩端，桩端土体被压实，此时变径桩达到了自身的极限承载力［5］。如果继续增加桩顶荷载，则该试桩就会由于桩顶沉降量超过规范规定而被认为达到了破坏状态。

2变径桩设计优化

2．1设计变量与目标函数

以变径桩承力盘直径及主桩身直径作为设计变量X={d，D1，D2}，在满足承载力规定和沉降量约束等条件下，以整个变径桩桩身体积最小建立目标函数，达到节省材料的目的［7］，如图1所示。

2．2约束条件

2．2．1承载力约束变径桩单桩承载力由桩侧摩阻力和承力盘及桩底端承力组成，其值应满足单桩承载力设计值［7］。2．2．2单桩总沉降量约束［9］竖向荷载下单桩的沉降由以下三部分组成:1)桩侧荷载传送到桩端平面以下引起的土体压缩，桩端随土体压缩而产生的沉降S1;2)桩端荷载引起土体压缩而产生的桩端沉降S2;3)桩身弹性压缩而产生的桩顶沉降S3。按分层总和法分别计算各部分沉降便可计算出单桩的总沉降，对于变径桩还应考虑承力盘荷载引起的桩端以下土体压缩S4。2．2．3承力盘间距约束一般情况下，承力盘的最小间距，粘性土、粉土≥1.5D;砂土≥2.0D(D为承力盘直径)。由于承力盘的竖向间距适当增加，能充分发挥承力盘的承载作用，本次优化设计根据所采用的工程地质条件，取承力盘的间距为2.0D。2．2．4承载力下限约束值为了保证竖向荷载能沿直桩身向下传递，承力盘发挥其承受荷载的能力，对变径桩的直桩身进行桩身抗压强度约束。2．2．5承力盘抗冲切验算变径桩在承受上部荷载时，如果承力盘高度不满足要求，则会发生承力盘挑出部分的冲切破坏，因此，需进行抗冲切验算［9］。对于冲切问题，因其是沿承力盘底部45°角方向产生冲切面，盘体的任何一条冲切线都经过桩本身而不断开就可保证承力盘不被冲切破坏，因此当承力盘的一侧扩出长度/承力盘高度≤1即可保证不产生冲切破坏。为了满足抗冲切的条件，本文中承力盘的高度分别取值为:(D1－d)/2、(D2－d)/2。由表2可知，在满足承载力、沉降等约束条件下，经优化后的工程实例节约混凝土量至少在15%以上。桩基设计规范规定承力盘直径与桩身直径的比值D/d≤3，该规定只给出了D/d的上限值，并没有给出优化结果。由于没有充分的理论根据，设计人员通常按一定的能量储备设计，往往取值在2左右，很少突破2.5。根据优化结果可知，D/d取值在2.5～3.0之间。由于承力盘直径的增加，承力盘部分承担的荷载必然要增加，桩身承担的荷载必然要减小，在混凝土用量不变的情况下，就实现了小桩径(与原设计相比)或短桩(与原设计相比)可以承担大荷载的结构。

3结论

本文通过变径桩的原位试验，分析了变径桩的受力性能和荷载传递规律及其变形特性。试验表明，由于承力盘的特殊作用，变径桩的荷载传递性状不同于一般的混凝土灌注桩，在受力过程中桩身各部分承担的荷载不断发生重分布。变径桩的承力盘对桩的沉降变形亦起到了较大的控制作用。变径桩的优化结果改变了设计人员设计等直径承力盘的局限性，使承力盘的设计参数更具科学性。

作者：张萍 刘秀丽 单位：河南科技大学土木工程学院