基巖中樹根樁抗拔性能數(shù)值模擬研究★

陳能遠 李 陽

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054; 2.長安大學，陜西 西安 710000)

0 引言

樹根樁是一種樹根狀分布的微型鉆孔灌注樁，通常樁體直徑小于350 mm。具有布置靈活、鉆孔小、施工機械小型化和經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢[1]。樹根樁主要用于基礎托換、地下工程和邊坡工程的加固、軟土地基加固等，其設計理論和施工技術(shù)逐漸趨于成熟[2]。國外Poulos[3]認為對于粘土中的等截面樁，其抗拔力由沿樁身的粘聚力和樁重組成。Sowa[4]指出，摩阻力在數(shù)值上趨向于抗拔樁低于抗壓樁，在缺乏其他資料的情況下，推薦按受下壓載荷時樁側(cè)阻力的2/3來計算上拔時樁身阻力。

國內(nèi)在樹根樁上的研究主要借鑒國外技術(shù)，且多以試驗分析為主，對土體與樹根樁相互作用研究較少，本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，對爆破作用下的樹根樁抗拔性能進行研究。

1 工程概況

為分析爆炸作用下樹根樁抗拔性能，試驗選取了烏魯木齊戈壁某爆炸試驗場。研究區(qū)屬風成戈壁地貌單元，地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：0 m～0.5 m的風積表土，0.5 m～3.0 m的強風化礫巖，3.0 m～9.5 m的強風化砂巖，9.5 m以下為中風化砂礫巖，見圖1。根據(jù)場地地質(zhì)條件進行了巖土工程勘探取樣，通過室內(nèi)土工試驗獲取相關(guān)物理力學參數(shù)。

研究區(qū)地層以強風化～中風化砂、礫巖為主，根據(jù)爆破試驗場設計要求，結(jié)合巖土物理力學指標性能，現(xiàn)做如下樹根樁抗拔試驗設計。初步設計擬采用45°傾斜鋼管錨固樁(微型樁)抗拔，管徑219 mm，成樁直徑300 mm，單樁豎向抗拔力特征值取2 500 kN，見圖2。

基于巖土規(guī)范，分別對樁體沿徑向極限抗拔力、按被動土壓力以及按上覆土體抗剪強度對樹根樁設計參數(shù)進行了驗算。盡管理論設計能夠滿足承載力要求，但樹根樁、樁間土的應力—應變本構(gòu)關(guān)系難以量化，因此本文擬采用Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件對基巖中樹根樁抗拔性能進行分析。

2 試驗方法

參照樹根樁抗拔試驗設計參數(shù)，建立了1∶1數(shù)值模型，考慮到邊界效應，根據(jù)圣維南原理，將地層尺寸設置為結(jié)構(gòu)尺寸的3倍大小。在長期地質(zhì)作用下，地層物理力學性質(zhì)復雜多變，為便于計算，現(xiàn)假設各巖土體土質(zhì)均勻、各向同性，土體顆粒為連續(xù)介質(zhì)，顆粒間接觸良好。結(jié)合地勘試驗結(jié)果，計算選用的各材料物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

名稱E/MPaμc/kPaφ/(°)表土180.286027礫巖1.2×10-40.2220033砂巖5.4×10-40.2050031砂礫巖9.8×10-40.181 00028混凝土30×10-40.243 00025鋼管200×10-40.3——

3 結(jié)果分析

根據(jù)設計參數(shù)，樹根樁沿基礎軸線對稱布置，每根樹根樁豎向抗拔特征值取2 500 kN，故在基礎頂部施加5 000 kN的豎直向上的荷載。通過模擬計算，本文將從樹根樁地基變形規(guī)律、應力、應變等重要參數(shù)方面進行理論分析。

3.1 樹根樁地基變形規(guī)律

模擬計算分兩步驟進行，先將基礎埋置地基中，計算完畢后位移清零，再在基礎頂部施加5 000 kN的豎直向上荷載。經(jīng)計算，樹根樁地基變形如圖3所示。由基礎向地層深部及兩側(cè)發(fā)散，位移滿足由大變小的規(guī)律，最大位移量約2 mm。樹根樁為全長錨固，地基主要變形發(fā)生在樹根樁中部以上深度范圍內(nèi)。

3.2 土體應力與應變分析

由圖4樹根樁地基應力云圖可知，隨著豎向荷載的施加，樹根樁基礎及周邊土體出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，受基巖物理力學性質(zhì)影響，應力集中區(qū)主要位于強風化礫巖與強風化砂礫巖中，中風化砂礫巖相對較小。樹根樁的應力集中區(qū)約為樹根樁樁徑的5倍，由此可以判斷，樹根樁與土體形成的錨固體有效半徑約為樹根樁樁徑的5倍。

基礎頂部施加豎向荷載后，基礎放大腳兩側(cè)及基礎底部明顯出現(xiàn)了應變集中現(xiàn)象(見圖5)，這與外部荷載的拖拽作用有關(guān)。值得說明的是，由于數(shù)值模擬進行了連續(xù)介質(zhì)假設，導致基礎底部應變集中區(qū)較大，實際過程中基礎底部與地基土之間的接觸面粘聚力較小，因此該集中區(qū)范圍應變相應較小，且主要集中在樹根樁兩側(cè)。

3.3 樹根樁鋼管應變分析

樹根樁中的鋼管材料最接近各向同性、連續(xù)介質(zhì)假設，因此選取了鋼管作為樹根樁抗拔性能研究對象。為了便于分析，分別沿鋼管上部和下部布設了兩條應變測線，通過數(shù)據(jù)提取，得到了如圖6所示的鋼管應變曲線圖。圖6中，橫坐標表示測點到鋼管與基礎面交匯點的距離，其中負數(shù)(<0)部分代表鋼管埋置基礎內(nèi)部分，縱坐標為鋼管應變值。

從圖6可知，距交匯點-1.1 m～6.0 m范圍內(nèi)應變差異明顯?；A可近似看作固定支座，在基礎與鋼管交匯點附近，而非接觸點，鋼管的應變達到了峰值，并沿著鋼管兩端頭逐漸減小，應變主要集中在鋼管2/3～3/4范圍內(nèi)，說明樹根樁的有效支護深度為樁長的2/3～3/4范圍。

4 結(jié)語

利用Midas GTS/NX軟件，對基巖中樹根樁的抗拔性能進行了數(shù)值模擬，通過分析得到以下結(jié)論：

1)由基礎向地層深部及兩側(cè)發(fā)散，位移滿足由大到小變化規(guī)律。樹根樁為全長錨固，地基主要變形發(fā)生在樹根樁中部以上深度范圍內(nèi)。2)樹根樁與土體形成的錨固體有效半徑約為樹根樁樁徑的5倍。3)基礎頂部施加豎向荷載后，基礎放大腳兩側(cè)及基礎底部明顯出現(xiàn)了應變集中現(xiàn)象。4)樹根樁與基礎交匯點附近應變達到最大，向樁端兩側(cè)逐漸減小。樹根樁的有效支護深度為樁長的2/3～3/4范圍。