第 1 章 绪论
1.1 混凝土扩盘桩的概述
1.1.1 桩基础的概述
桩基础（简称桩基）是由基桩和桩顶承台两部分组成，采用竖直或微倾斜方向设置在岩土中，作为建筑的基础或支护构件。桩基通过桩体与土层间的相互作用产生的桩侧摩阻力和桩端阻力进行力的传递，由地基深处承载力较大的土层或桩基两侧的土体来承受上部建筑的荷载。
桩基础作为最古老的基础形式之一，在距今 7000 年前的石器时代，人类就已经知道在沼泽之类的土质松软地带，使用长木桩栽进土体，然后在其上部修建住所；明清时期，桩基技术已经较为成熟，大大减轻了工人们的工作量与材料消耗；21 世纪以来，为了适应当今社会发展形势，人们通过不断对桩基的施工技术和机械的改进，研制出了具有不同特点的桩基形式[1-2]：如混凝土扩盘桩、夯扩灌注桩、挤土灌注桩等。
随着工程技术的飞速发展，超高层建筑、大跨度桥梁等结构复杂的建筑物纷纷兴建起来，桩基础以其承载力高、适用性广、防沉降效果好等优点得到了十分广泛的工程实践应用[3]。
1.1.2 混凝土扩盘桩的国内外发展现状
以前，人们多采用增加桩的长度办法来增大桩土的接触面积，从而提高桩基承载力，或者通过增大桩端头接触面积来提高桩端阻力，但一味的通过对桩身长度的增加不但加大了材料的投入，还致使工程造价的提高，而且由于长细比的原因，桩基的抗压能力会大大减弱。面对工程建设中的迫切需求，变截面桩应运而生，带动了灌注桩的发展。
变截面桩最早出现于 20 世纪 50 年代左右，英、印度、苏联等国开始在松软土层中打入多节扩孔桩来承力[4-5]，我国变截面桩的发展始于 20 世纪 70 年代末期，北京建筑机械研究所在国内率先开发出集挤扩、钻扩和清土三种功能于一体的扩孔器[6]。1998 年，贺德新总结了国内外桩基的发展经验，研究推出了专利技术--挤扩支盘灌注桩，简称“DX桩”[7]。DX桩采用仿生学原理，参考学习了树根的外形与生长特点，并结合工程当中应用的施工方法，通过液压挤扩装置灌注成桩，成为一种新型实用的桩基技术。挤扩支盘桩由主桩、若干承力盘、若干对数的分支构成，其型式见图 1-1。
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1.2 扩盘桩的研究现状及当前存在的问题
1.2.1 研究现状
当前，许多外国著名学者对于桩基础的探究主要针对直孔桩在不同方向的荷载作用下的位移和受力分析等[9]，很少有对水平荷载作用下扩盘桩影响状态的相关探究，在我国，相关学者已对水平荷载下的扩盘桩承载机能的研究取得了一定成果。
2003 年，张延庆和孙雅欣运用 FLAC 程序建立了三维模型，模拟了不同盘参数情况下挤扩支盘桩的水平承载能力，得出了初步结论：支盘桩承受水平荷载是可行的，水平承载力在同等条件下较普通直孔桩有显著提高，盘位置、盘间距和盘坡脚的不同设置均对支盘桩的水平承载力有影响。盘位置越靠上，水平承载能力越高；支盘角度越小，水平承载力越低；支盘的间距越大，水平承载力越低[10]。
2005 年，李启民等人进行了 4 种模型的挤扩支盘桩模型试验，并通过在钢筋表面粘贴应变片与桩周安放压力盒的方法，测量桩体应变与土压力。试验结果表明，挤扩支盘桩的承力扩大盘较普通悬臂支护桩，能够为桩基提供了更大的抗倾覆力矩，对桩顶位移、最大弯矩和嵌固深度均有不同程度的减小[11]。
钱永梅，尹新生等人确定了挤扩支盘桩桩侧土体的破坏机理，提出承力盘下的土体破坏形式属于滑移破坏，运用滑移线理论并结合塑性势理论和虚功原理，对土体破坏的极限承载力进行分析，得出了全新的挤扩支盘桩承载力的计算公式，为支盘桩的水平承载力计算模式提供了可靠依据[12]。
2009 年，卢锡雷等人进行了双盘桩和直孔桩的对比模型试验，通过布置应变片以及埋置压力盒的方式测得模型的 p-y 数据，试验结果表明，双盘桩较直孔桩水平承载力强，且合理的承力扩大盘的设置，可以有效减小桩身水平位移[13]。
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第 2 章 水平荷载下柔性桩与刚性桩土体破坏状态试验研究
2.1 试验方案
在工程实践中，桩基础在承担较高竖向荷载的同时，还需要承受较高水平承载力。目前，对混凝土扩盘桩水平荷载作用下的研究较为有限，因为实桩试验的过程中，不确定因素比较多，需要较长的试验周期，不能对结构准确性与时效性进行保证。对此，本文采用了钱永梅教授提出的小比例半截面模型试验方案，其中主要包含了试验试件和加载装置，都是由工厂加工生产与自主设计研发。运用独创的取土装置主要是为小比例半截面模型试验提供所需的原状土，这样能尽量保证桩身在实际土体中工作，提高试验测试结果的准确性，并能在试验的过程中观测到土体的变化情况，从而能够观察桩身与土体之间的相互作用状态。这种试验方法丰富了模型试验的试验方法，为混凝土扩盘桩土体破坏试验研究提供了可靠的试验依据。
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2.2 加载装置与模型试件
2.2.1 模型桩试件选取与定制
本试验共 2 组 4 个试件，两组试件盘位置不同，即 G3、R3 和 G4、R4。每组中两种试件，一种为刚性 G3、G4，另一种为柔性 R3、R4，由于试验要求，试验模型桩由工厂加工生产，本次试验模型桩设计制作 2 个 Q235 刚性桩，2 个聚乙烯柔性桩，模型桩承力盘位置到桩顶的距离分别为 40mm、160mm，桩的标号分别为 G3、R3、G4、R4。实际的模型桩如下图 2-1 所示，其尺寸规格如表 2-1 所示。
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3.1 模拟模型的建立原则 ......................................... 30
3.1.1 本构关系及单元的确定 ........................ 30
3.1.2 模型设计 ............................... 32
第 4 章 模型试验与 ANSYS 模拟对比分析 ...................................... 49
4.1 土体破坏模式研究 .................................. 49
4.2 试验和模拟对比分析 .................................... 50
第 5 章 刚性和柔性扩盘桩单桩水平极限承载力计算模式 ................. 55
5.1 柔性桩盘端承载力的确定 .............................. 57
5.2 柔性桩桩侧承载力的确定 ............................ 57
第 5 章 刚性和柔性扩盘桩单桩水平极限承载力计算模式
5.1 柔性桩盘端承载力的确定
通过对柔性桩盘下土体的受力机理进行分析，确定对应的 Prandtl 影响区域的应变场，故我们采用滑移线理论进行研究，详见图 5-2：
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第 6 章 结论与展望
6.1 主要结论
本文主针要对刚性和柔性混凝土扩盘桩水平承载力性能进行分析，通过对小比例半截面模型试验与 ANSYS 有限元模拟，对刚性和柔性混凝土扩盘桩在水平荷载下桩周土体破坏状态和承载机理进行了细致的研究，进而得出以下结论:
（1）试验分析主要对两组承力盘位置到桩顶的距离分别为 40mm、120mm的刚性和柔性模型桩进行研究，试验过程中观察桩周土体的破坏状态，并通过相机把桩周土体的破坏情况以及位移和荷载的数据进行拍照记录下来，并将桩顶位移-荷载曲线绘制完成，通过对桩周土体破坏状态与模型试验过程照片对比分析得出：
当承力盘位置距桩顶距离较小时，刚性模型桩主要为刚体转动；柔性模型桩桩身上部产生局部弯曲，承力盘下大范围不动，同时下部桩周土体未出现明显形变。承力盘位置相同时，混凝土扩盘桩的刚度越大，扩盘桩的水平抗倾覆承载力越高，效果越好。
当承力盘距桩顶为 120mm时，刚性模型桩仍为刚体转动，而柔性桩上部桩身产生局部弯曲，承力盘未见转动，承力盘起到抵抗弯矩的作用较小，可见承力盘的位置也是影响水平承载能力的重要因素。
（2）通过有限元软件对 6 个扩盘桩进行建模与分析，其中刚性桩和柔性桩承力盘位置-桩顶的距离分别为：1200mm、2400mm、4800mm，分析位移、应力和应变结果可以得到：
我们从荷载-位移曲线中对比 GM1 与 RM1、GM2 与 RM2、GM3 与 RM3可以看出：当承力盘盘位置相同时，刚性与柔性混凝土扩盘桩所产生的位移存在很大差异，其刚度越大，混凝土扩盘桩所产生的的位移越小，抗倾覆承载能力也就越强。
参考文献(略)