DX旋挖擠擴灌注樁單樁抗拔承載性狀的數(shù)值分析

陳立宏，張清林，2，袁希雨

(1．北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044;2．中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300)

1 前言

抗拔樁是抗拔基礎的主要形式。近年來隨著土木工程，尤其是地下工程、交通工程、近海工程等的飛速發(fā)展，抗拔樁的應用日益廣泛，在高聳建筑物、輸電塔、抗浮地下結構、橋梁基礎、凍脹和膨脹土地區(qū)的建筑中得到了廣泛應用。對于傳統(tǒng)的非嵌巖等截面豎樁，樁的抗拔力都由側阻提供，而抗拔側阻力要小于抗壓時的值，其抗拔能力十分有限，并非理想的形式。為了滿足抗拔承載力的要求，往往要求大幅度增加抗拔樁的長度和直徑，或者采用后注漿等新技術，而采用變截面樁，改變單純由側阻提供抗拔力的承載模式是一個更好的選擇。近年來在各種建筑物基礎中擴底樁的應用日趨增加，而多節(jié)擴孔樁在樁身上部的擴大部分能更早地發(fā)揮抗拔力，相對而言是一個更好的選擇。

DX樁是多節(jié)擠擴樁中的優(yōu)秀代表，其是在普通直孔樁基礎上通過擠擴裝置擠擴成擴大腔體，形成由承力盤、樁身、樁端共同承受上部荷載的樁型。雖然工程實踐表明了DX樁優(yōu)異的抗拔性能，但實踐應用仍然相對較少，而且對于DX樁的抗拔受力機理、計算方法以及沉降的計算還處在探索階段，因此非常有必要進行深入的研究。文章通過數(shù)值計算方法對DX樁進行抗拔承載性狀的研究，以期能增加對DX樁抗拔機理的認識。

2 研究現(xiàn)狀

由于承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時旋擴設備對周圍土體有一定的擠密作用，因此DX樁可大幅度提高單樁承載力。承力盤的存在改變了樁的承載機理，大幅度地提高了樁的抗拔承載力，現(xiàn)場抗拔試驗表明DX旋挖擠擴灌注樁的抗拔效果是普通直孔樁的2倍甚至更多，而且發(fā)揮極限承載力需要的位移更?。?～3］。與傳統(tǒng)的擠擴技術相比，旋挖擠擴裝置有著顯著的優(yōu)勢，雙油缸雙向相對位移帶動三對旋擴臂對土體進行旋轉擠壓，擠壓過程中同時完成切削、碾壓、擠擴，旋擴臂始終與土體接觸，上下面土體均被擠壓，土體擾動小，無沉渣或少掉土。而且具有施工快捷、安全等優(yōu)點。承力盤的位置可根據(jù)地層條件選擇持力層，具有靈活性好、適應性廣的特點，這一樁型目前在抗拔樁領域應用越來越廣。采用該樁型，有利于大大縮短樁長、降低混凝土用量、節(jié)約工期，具有非常廣闊的應用前景。由于其突出的優(yōu)點，DX樁應用于抗浮、抗滑和其他抗拔工程中，收到了非常好的工程效果和經(jīng)濟效益。

但是DX樁的抗拔機理研究則遠遠落后于工程實踐，目前的研究主要是通過一些樁基的靜載荷試驗來反饋分析，深入的研究工作很少。這主要是因為:

1)多節(jié)旋挖擠擴灌注樁的承載力機理相當復雜。與常規(guī)直孔樁完全不同，多節(jié)旋挖擠擴灌注樁是多支點的摩擦端承樁?？箟撼休d力由3部分組成:樁側摩阻力、承力盤阻力、樁底端阻力，抗拔承載力則由樁側摩阻力和承力盤阻力組成，這些不同的阻力之間又存在相互影響。目前針對承力盤阻力的研究基本屬于空白;承力盤的存在會影響DX樁抗拔破壞的模式以及樁身摩阻力的發(fā)揮;同時，承力盤的大小、位置、數(shù)量、角度也會對抗拔承載力造成影響。多級擴徑體的存在導致了目前人們對承載機理的認識還很不充分，制約了其在工程中的應用［4～6］。

2)與抗壓樁相比，抗拔樁的研究相對較少。相對于抗壓樁，抗拔樁的作用機理更為復雜，具有更多的不確定性。相對的研究也較少，特別是理論研究遠遠落后于工程實踐發(fā)展。國內(nèi)外對于抗拔樁的研究主要集中于承載力方面，而且在承載力的研究上主要集中在經(jīng)驗性的基礎上，系統(tǒng)和深入的機理研究相對不多。當前抗拔樁的設計主要借鑒抗壓樁的設計方法，即以樁的抗壓側摩阻力乘以經(jīng)驗折減系數(shù)后作為抗拔樁的側摩阻力，進而估算抗拔樁的摩阻力。

3)DX樁發(fā)展時間不長。DX樁技術是在國內(nèi)獨立發(fā)展起來的新型樁基技術，發(fā)展時間才十多年，因此相對試驗資料不足、計算理論也不成熟［4，5］。

對于等截面抗拔樁，國內(nèi)外進行了較多的模型試驗和一些現(xiàn)場原位試驗研究。Kulhawy在1979年進行了砂土中大型模型樁抗拔試驗，發(fā)現(xiàn)抗拔樁主要破壞模式為沿著樁土界面的圓柱形剪切破壞［7］。Alawneh在砂土中做了63組模型試驗，探討了打樁方式、砂的密實形態(tài)等對抗拔力的影響［8］。其他許多學者也進行了相應的試驗研究，清華大學就曾利用滲水力方法進行了模型試驗、現(xiàn)場足尺試驗，對樁側阻的發(fā)揮機理進行了探索。國內(nèi)外根據(jù)大量的研究發(fā)現(xiàn)，一般破壞可分為倒圓錐臺、圓柱和復合剪切破壞三大類形式，而主要形式是圓柱形剪切破壞，目前絕大部分研究都是在此基礎上進行的。對于擴底樁的抗拔研究近年來比較多，主要是以模型試驗為主，現(xiàn)場原型試驗也有不少。

DX樁是一種新型樁基技術，相關研究較少，與其他樁型一樣，研究主要集中于DX樁的實踐效果和抗壓機理，包括室內(nèi)模型試驗、大比尺模型試驗和現(xiàn)場試驗以及數(shù)值計算等。DX樁的抗拔研究目前還非常少，文獻可見的研究成果極其稀少，不足10篇。陳輪等在北京蓮花橋附近進行過大尺寸的模型樁抗拔試驗［9］，對樁身端阻、側阻的發(fā)揮規(guī)律進行了分析研究。李廣信、湯飛對DX樁的抗拔利用錨板理論、Prandtle理論等進行過對比計算分析，并提出了用于規(guī)范計算的建議公式［10］。趙明華等通過增加折減系數(shù)的辦法提出了一個DX樁抗拔承載力的計算方法［11］。

3 DX單樁抗拔的數(shù)值模擬

3．1 數(shù)值模擬概況

DX樁承力盤的存在增加了破裂柱面的直徑，增加了抗拔力，改變了抗拔破壞的形態(tài)，也改變了位移與抗拔力之間的關系。另外承力盤的深度、大小、盤的數(shù)量對抗拔性能都有很大的影響，對這些問題現(xiàn)在依然沒有開展過太多的研究工作，大大制約了DX樁的應用。在DX樁抗拔的數(shù)值模擬計算中，DX樁直徑d選取為1 m，承力盤直徑D為2 m，高度為1 m，樁身長度為20 m，兩承力盤間距為8 m。在FLAC3D中建立模型，網(wǎng)格劃分的范圍取徑向為10 m，深度為樁底14 m，如圖1所示。為對比起見，還同時進行了直孔樁的抗拔模擬計算，直孔樁尺寸和數(shù)值模擬中的參數(shù)與DX單樁中的相同。計算采用分級加載，如表1所示。

圖1 DX單樁模型Fig．1 Mesh of DX single pile

表1 抗拔加載與位移Table 1 Load and uplift displacement of piles

在DX樁抗拔的數(shù)值計算中，樁身混凝土采用彈性模型，樁周土體采用摩爾－庫侖模型，樁土接觸面采用庫侖剪切模型，DX單樁的接觸面模型建立后如圖2所示，計算參數(shù)見表2。計算采用分級加載，共分12級。采用的土的參數(shù)是文獻［12］中現(xiàn)場試驗的數(shù)據(jù)。

圖2 DX單樁接觸面Fig．2 Contact surface of DX single pile

表2 DX單樁數(shù)值計算所采用的本構模型及參數(shù)Table 2 Constitutive models and parameters in numerical simulation of DX single pile

3．2 模型參數(shù)驗證

為驗證數(shù)值模擬所采用的本構模型及所取參數(shù)的可靠性，用數(shù)值計算中所取的模型及參數(shù)對文獻［12］中的模型試驗的1號樁、5號樁進行了模擬。1號樁、5號樁樁長2 m，樁徑為0．15 m，承力盤直徑為0．3 m，承力盤在樁中間位置。網(wǎng)格劃分范圍取徑向2 m，深度為樁底2 m，如圖3所示。

圖3 模擬1號樁、5號樁的網(wǎng)格劃分Fig．3 Meshing of pile 1 and pile 5 in simulation

數(shù)值模擬中的加載級數(shù)和每級荷載大小與實際情況一致，聯(lián)合數(shù)值計算得到的樁頂在各級荷載下的沉降量與聯(lián)合模型試驗中1號樁、5號樁的沉降量，作出兩者的荷載－沉降曲線(Q－s曲線)，如圖4所示。

圖4 數(shù)值計算及1號樁、5號樁的Q－s曲線Fig．4 Q －s curves of pile 1，pile 5 and the pile in numerical simulation

由于數(shù)值計算出的Q－s曲線沒有發(fā)生突變，故按文獻［13］取樁頂沉降為0．05d或40 mm時為樁的極限承載力，模擬中樁直徑為0．15 m，0．05d即為7．5 mm ＜40 mm，故取樁頂沉降為7．5 mm 時樁頂荷載為樁的極限承載力。

由圖4可知數(shù)值計算出長度為2 m、直徑為0．15 m、有一個承力盤的 DX樁的極限承載力為84 kN左右。這和試樁1的極限承載力80 kN、試樁2的極限承載力90 kN分別相差5%和6．7%，可以認為三者的極限承載力很接近。

故完全可以認為數(shù)值計算所取的參數(shù)是合理的、可靠的。

3．3 抗拔曲線

通過數(shù)值分析計算得出DX單樁在各級上拔荷載Q下的上拔量s，作出承載力與沉降的Q－s曲線，如表1和圖5所示。

圖5 DX樁和普通直孔樁的抗拔曲線Fig．5 Uplift resistance curves of DX pile and ordinary pile

由圖5可以看到:

1)DX樁的抗拔曲線呈現(xiàn)緩變，而相同直徑的普通直孔樁則出現(xiàn)突變。DX樁承受抗拔的能力遠比普通直孔樁強，DX樁在上拔荷載7536 kN時位移為44．6 mm，而直孔樁在2638 kN后就出現(xiàn)了位移突變。對于有兩個承力盤的DX樁其抗拔承載力比普通直孔樁提高了2倍以上。

2)對于普通直孔樁，在樁頂施加豎直向上的荷載時，樁身與土層之間的剪切力使地基土體發(fā)生剪切位移，當?shù)鼗馏w的剪切位移超過極限位移后，就發(fā)生破壞。而對于DX樁，當?shù)鼗馏w達到或超過極限位移后，仍有承力盤承受上部土體的支撐力，使樁仍能承受上拔荷載。隨著樁頂上拔荷載增加，樁身混凝土的拉伸量和樁土相對位移量逐漸增大，樁側中下部的摩阻力逐步發(fā)揮出來;由于粘性土的極限位移只有6～12 mm，故當樁土相對位移大于樁土的極限位移后，樁身上部的側阻已發(fā)揮到最大值并出現(xiàn)滑移。

3)在樁頂?shù)谒募壓奢d即3014 kN時，DX樁的上拔量為 5．63 mm，普通直孔樁的上拔量為5．95 mm，這說明在較小的抗拔荷載下，DX樁的上拔量和普通直孔樁相差不多。但繼續(xù)加載時，DX樁的優(yōu)越性就表現(xiàn)出來了。

3．4 承力盤阻力的發(fā)揮

作出受上拔荷載的DX單樁的樁身軸力圖，如圖6所示。圖6顯示的是在樁深度方向上，在樁頂和上下承力盤處的樁身軸力的大小?？梢钥吹?，沿樁深度方向上，樁身的軸力是不斷減小的，這是因為在樁頂承受上拔荷載時，沿樁深度方向上，樁身軸力逐漸轉化為樁側摩阻力和承力盤的端阻力。在經(jīng)過上、下兩個承力盤后，樁身軸力變得很小，幾乎為零。說明在樁底部承受的樁側摩阻力很小，幾乎所有的荷載都被下承力盤及其以上的樁身承擔。沿樁的深度方向上有兩個突變，這是因為承力盤承受了較大的荷載，使樁身軸力在經(jīng)過承力盤時減小的幅度較大。

圖6 DX單樁受上拔荷載時的樁身軸力圖Fig．6 Axial force diagram of DX single pile under uplift loading

受上拔荷載的DX樁承力盤阻力的發(fā)揮也可以通過承力盤周圍土體單元出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍來說明，在不同級上拔荷載下樁周土體的塑性區(qū)單元如圖7所示。

由圖7可以看出:

1)在第二級荷載下，承受上拔力的DX樁上承力盤周圍土體發(fā)生塑性區(qū)的單元個數(shù)要比下承力盤的多，這說明在第二級荷載下，上承力盤首先發(fā)揮作用。

2)在第四級荷載下，上下兩承力盤周圍土體的塑性區(qū)都進一步增大，說明兩承力盤阻力都發(fā)揮了作用。

圖7 不同荷載下DX樁周塑性單元(淺色區(qū)域所示)Fig．7 The plastic units of DX pile under different grades of loading(light areas)

3)當樁頂荷載繼續(xù)增大時，兩承力盤周圍土體的塑性區(qū)也進一步增大。在第七級荷載下，上承力盤周圍的部分土體單元發(fā)生拉破壞。

4)總體來說，DX樁在承受上拔荷載的時候，承力盤阻力的發(fā)揮也具有時序效應。上承力盤阻力先發(fā)揮，下承力盤阻力再發(fā)揮。

4 結語

通過大比例尺模型試驗和DX樁的數(shù)值計算分析，可以得出:

1)相比尺寸相同的普通混凝土灌注樁，DX單樁的抗拔承載力明顯提高，上拔量明顯降低。由數(shù)值計算得出具有兩個承力盤的DX單樁的抗拔承載力超過普通直孔樁2倍。

2)DX樁在上拔荷載的作用下，承力盤阻力的發(fā)揮具有明顯的時間順序效應，上部盤的承載力先發(fā)揮，下部盤的承載力后發(fā)揮。當荷載進一步增大后，下盤承擔的上拔荷載要高于上盤。主要是由于下盤周圍土體應力較大，可承擔的極限承載力較大，而這一結果與部分實測結果略有不同。文獻［1］中實測數(shù)據(jù)表明上盤承受的抗拉荷載要比下盤大得多，這說明DX樁的抗拔模擬分析技術還有待提高。

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