第 1 章 绪论
1.1 桩基的概述
桩基是一种历史悠久的基础型式，在水泥未问世之前，实际上我国就已成功地使用木桩来解决软土地基上的基础建造问题。自 19 世纪中期以后，水泥工业的出现并迅速发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，这种新材料迅速被推广，便出现了混凝土桩和钢筋混凝土桩。桩基础应用的初期，因为所采用的钢筋强度和混凝土强度均较低，钢筋混凝土的计算理论也并未建立，钢筋混凝土桩桩型比较单一，桩基施工技术水平相对落后。到了 20 世纪初期，桩基理论更加完善，桩基的技术也得到了更大的发展，桩的应用范围不断扩大，渐渐的也出现了花样繁多、各式各样的桩型，如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混凝土桩等。随着社会的发展，成桩技术的进步，桩基发挥其承载力高、变形量小、抗液化、抗拉拔能力强的优点[1]。如今工程上常用的混凝土桩又分为混凝土现场灌注桩和混凝土预制桩。现场灌注桩是在施工现场机械就位后直接就地成孔，然后清除孔内沉渣，安放钢筋笼，最后浇筑混凝土这样的顺序成桩，其中主要包括钻孔桩、冲孔桩、沉管桩、人工挖孔桩、钢管护壁机械成孔桩等；预制桩是在施工现场或者工厂按照工程要求预先制作的桩型，利用沉桩机械将预制桩打入或者采用振动机械压入土中，主要包括方桩、预应力方桩及预应力管桩等。桩基础类型的选择受多种因素的影响，要根据现场的地质情况、工程性质、建筑物类型、施工条件以及综合经济效益等因素选择[2]。就桩基础的结构而言，桩基础由若干根桩和承台两部分组成，结构物传来的外力通过承台由桩传到地基持力层中，当桩外露在地面上较高时，桩之间主要通过横系梁相联，加强各个桩之间的横向受力关系。图 1-1 所示为桩基础的示意图和桩基础的现场图。
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1.2 混凝土扩盘桩概述
在现代建筑业中，高层建筑不断兴起的同时，在一些软土地基像沙滩、水下、沼泽等，其承载力很低，普通的混凝土灌注桩很难满足要求，即使通过加长桩身、加大桩径等方法也不能使承载力符合要求[4][5]，且工程成本也较高。因此，在 20 世纪初期国内出现了多种变截面桩，主要有多节扩孔桩、凹凸型钻孔灌注桩、扩底桩、多级扩径桩等。随着科学的进步，施工工艺和成桩机械都在不断创新，如今被广泛应用的变截面桩主要为混凝土扩盘桩，混凝土扩盘桩作为一种相对较新型的桩形式有着承载力高、沉降量小、成桩工艺简单等优势得到了广泛的应用，它是在普通的钻孔灌注桩的基础上增加了承力扩大盘，增加承力盘后较普通混凝土灌注桩抗压、抗拔承载力有了大幅度提高[6]。扩大盘的形成是通过专用的机械设备，在成孔后在孔周围进行切削土体扩盘，且在沿着桩身可以设置多个盘，使承力盘位于持力层，桩身以及承力盘均受土体的支撑作用，不仅改善了桩身刚度，提高了桩的抗压、抗拔力，而且桩的稳定性也有了改善，提高了抵抗水平荷载和地震荷载的能力，图 1-2 为双盘混凝土扩盘桩。
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第 2 章 细粉砂土含水率对混凝土扩盘桩抗压破坏影响的试验研究
2.1 试验模型设计
本文研究的主要内容是细粉砂土含水率对混凝土扩盘桩抗压破坏的影响，关注的重点是细粉砂土含水率的变化对细粉砂土抗压破坏的影响，所以设计一组合理桩型即可，针对这一特点模型桩采用钢制桩（如图 2-1），钢制桩均在长春市某机械设备制造厂加工定制而成，模型桩具体尺寸参数如表 2-1 所示。盛土器的设计秉承的原则是：既要满足混凝土扩盘桩抗压破坏的影响范围又要满足试验过程中方便移动、制作成本经济合理、刚度满足试验要求，而且还要考虑到边界效应等因素。因此根据已有的原状土小模型试验中所用的取土器的基础上加以改进，侧板四周向内凹，便于拆卸钢板，因此设计的盛土器如图 2-2 所示[17]。盛土器主要由凹槽铁板和平铁板用螺丝拼装而成。根据以往的理论计算和有限元模拟分析计算中混凝土土扩盘桩的影响范围，因此设计盛土器的尺寸为280×320×320mm，该盛土器需要承受细粉砂土压实过程中的侧向压力和加载过程中产生的侧向压力，因此凹槽形状的侧钢板和平面钢板的板厚设计为3mm；顶面的钢板留有半圆形的豁口，便于试验时桩身能够高出顶板 3-4cm；盛土器侧面突出的钢板用于螺栓固定玻璃平板。
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2.2 试验主要设备介绍
加载台在本试验中提供反力，是加载系统不可或缺的一部分。本试验采用的是吉林建筑大学钱永梅教授自主研发设计的反力加载装置（如图 2-3）试验是室内小模型试验，试件较小，承载力相对较小，对加载装置的精度要求严格，因此采用的是 2t 的手动液压穿心千斤顶，如图 2-4 所示，该千斤顶由手动泵、液压缸、数字压力表及高压胶管等部分组成。活塞行程 40mm，数字压力表单位为 KN，可精确到小数点后三位，达到本次模型试验的精度要求。试验过程中需观测荷载作用下桩顶位移的变化，因此，需用位移传感器(位移计）记录位移，该位移传感器的型号为 YHD-100（如图 2-5)，精度为1mm，行程为 10cm。本试验对细粉砂土的称重采用的是电子台秤，精度为 0.01kg，最大称重为150kg。首先对整袋的细粉砂土称重，然后将细粉砂土全部洒在预先铺好的塑料薄膜上，采用塑料薄膜的目的是在细粉砂土加水搅拌的过程中防止水分流失，再对装砂子的袋子进行称重，用整袋砂子的重量减去袋子的重量就得到需要砂子的重量。对水的称重仍然采用上述的电子台秤。装水采用 5L 的硬塑料水桶，加水后称水和桶的总质量再减去水桶的质量，采用这种方式获得水的质量。根据含水率的计算公式，试验的设计把细粉砂土含水率控制在 10%，12.5%，15%，17.5%，根据已称得砂子的质量计算水的质量如表 2-3 所示，图 2-6 为细粉砂土和水的称重图。
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第 3 章 试验数据的整理与分析.......28
3.1 不同含水率细粉砂土位移-荷载数据整理与分析..........28
3.2 桩周土体的破坏状态结果分析.............31
3.2.1 桩周土破坏过程分析.........31
3.2.2 不同含水率桩周土破坏状态对比分析........33
3.3 相同含水率细粉砂土中抗压、抗拔结果对比分析........35
3.3.1 位移-荷载结果对比分析............35
3.3.2 桩周土破坏状态对比.........37
3.4 本章小结............39
第 4 章 细粉砂土含水率对混凝土扩盘桩抗压破坏影响的有限元分析......40
4.1 ANSYS 有限元模型的建立......... 40
4.2 ANSYS 有限元模拟分析............. 4
44.3 ANSYS 有限元模拟结果分析..... 48
4.4 试验与模拟结果的对比分析........57
4.5 本章小结............59
第 5 章 结论与展望.........61
5.1 主要结论............61
5.2 后续工作展望.............62
第 4 章 细粉砂土含水率对混凝土扩盘桩抗压破坏影响的有限元分析
4.1 ANSYS 有限元模型的建立
本研究通过试验与 ANSYS 有限元模拟对比分析的方法验证试验结果的可靠性，ANSYS 有限元模型的建立采用半截面桩的形式，由于含水率的不同会影响细粉砂土的粘聚力、摩擦角、膨胀角、密度、弹性模量、泊松比等参数。因此，本试验建立单一模型，通过调整影响参数的变化进而解决不同含水率情况下的有限模拟分析，模型参数的确定依据以下原则：1. 单元类型：有限元模型中的混凝土单元类型采用 solid 65。solid 65 单元可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型，单元性质为八节点各向同性材料，可以模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可以模拟钢筋的拉伸、压缩和蠕变[36][37]。2.模型参数设置：ANSYS 中的 Drucker-Prager（简称 DP 模型）屈服准则和莫尔-库伦准则非常相近，是在密塞斯准则的基础上考虑平均主应力对土体抗剪强度的影响而发展的一种破坏准则，D-P 破坏准则的屈服面不随材料的屈服状态而发生改变，该准则的屈服强度随着模型侧限压力的增大而增大，将由于材料屈服引起的体积膨胀考虑在内，不考虑温度变化的影响，其本构模型采用理想的弹塑性模型[38][39]，该模型比较适合颗粒状材料，比如：岩土，混凝土等，所以细粉砂土采用 Drucker-Prager 弹塑性模型描述土的非线性特性[39]。
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结论
本文主要是研究不同含水率的细粉砂土对混凝土扩盘桩抗压破坏状态的影响，通过室内小模型试验辅助以 ANSYS 有限元软件的模拟分析，对不同含水率下混凝土扩盘桩的位移-荷载数据、模拟的位移云图以及桩周细粉砂土的应力等结果进行深入的分析，得出相关结论，具体如下：
1．通过室内半截面桩小模型试验发现，当细粉砂土的含水率小于 14%左右时的抗压承载力明显提高，且随着含水率的增大抗压承载力降低，降低的幅度较大。所以，在工程实践中，当细粉砂土的含水率不均匀时，估算扩盘桩的承载力应该乘以一个相应调整系数，含水率不同调整系数也有所差异；除此之外，在试验中发现，加载过程中盘下土体首先被挤压密实，盘尖端出现水平裂缝，继续加载盘端发生剪切破坏，水平裂缝向盘下收敛，加载末期盘下以及桩端带动影响范围的土体一起发生滑移破坏，盘下的影响范围是沿着盘端水平向下 45°方向逐渐向桩身靠拢进而形成的“心形”形状，桩端的影响范围是桩端以下略大于桩身直径的椭圆形。从整个桩周土体破坏的过程中也可以发现，当细粉砂土含水率低于 14%左右时的混凝土扩盘桩承载能力优于含水率高于 14%左右时的承载能力。
2．相同含水率的细粉砂土中抗压、抗拔试验对比分析，首先就承载力而言，加载初期抗拔桩的承载力大于抗压桩的承载力且荷载随位移的变化率较大，当位移为 10mm 左右时抗拔桩桩周土率先达到极限破坏状态，位移为20mm 左右时抗压桩桩周土也发生破坏，二者均发生破坏时抗压桩的承载力远大于抗拔桩的承载力。其次，从桩周土的破坏状态上发现，极限状态时抗压桩附带着盘下影响范围内砂土发生滑移破坏，而抗拔桩从扩大盘尖端开始沿着水平向上 45°方向以冲切破坏为主。
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参考文献（略）