软土地区扩底抗拔桩应用的探讨分析

姜 娟

0 引言

地下空间的开发与利用已成为21世纪城市立体空间开发的主旋律之一。许多大城市已将地下空间的开发与利用纳入了城市整体规划,在诸如地下车库、地下商业街、地下广场、地下道路交通等地下工程的建设中,由于结构自重较轻,致使基础抗拔问题更加突出,通过扩底实现变截面桩型的改进来达到显著提高单桩抗拔承载力是较合适的选择。

1 扩底抗拔桩的破坏形态分析

等截面桩的破坏形态大致可分为四大基本类型:1)沿桩土侧壁界面剪切破坏;2)与桩长等高的倒圆锥台土体剪切破坏;3)复合剪切面破坏形式:即桩的下部沿桩土侧壁界面剪破,而上部的局部深度内土体中形成斜向裂面,其上部倒锥土体与桩体粘结在一起,与桩体同时向上变形;4)钢筋被拉断。

扩底桩总的极限抗拔力所对应的上拔位移很大,其位移的大小随土层性质、扩大头埋深及桩型(长细比、扩大头形状)等变化。

扩大头的上移使地基土内产生各种形状的剪切破坏面,这种基础的破坏形态较为复杂,与基础埋深、扩大头形状、土层性质密切相关。基本的破坏形式见图1。当桩基础埋深不是很大时,虽然桩侧面滑移出现得较早,但当扩大头上移导致地基土剪切破坏后,原来的圆柱形剪切面不一定能保持原有的形状,尤其靠近扩大头附近变得复杂,也可简化成图2中的破坏形式。中部的圆柱状剪切面大致等于扩大头直径,可称为圆柱形冲剪式剪切面,最后可能在地面附近出现倒锥形剪切面,其后的变形发展过程与等截面桩相似。

2 扩底抗拔桩作用机理的有限元模拟分析

2.1 有限元模型的建立

建立三维轴对称有限元桩土接触模型,但鉴于桩与桩周软土刚度差异很大,将导致有限元计算的接触应力不准确,同时造成计算的不收敛,故本次扩底桩的研究主要集中在扩底部分及其周围土体上,本文将建立类似深层载荷试验方式的模型,以研究扩底桩底部桩段的承载性状,具体模型如图3所示。

土体及扩底桩均采用三维八节点实体单元。扩底桩采用线弹性模型,符合广义虎克定律;土体采用摩尔—库仑模型,不考虑加工硬化,视为弹塑性材料,采用非相关流动法则。采用刚柔接触的面—面接触单元来模拟扩大头与其周围土体的接触行为,扩大头表面视为目标面,土体为接触面,形成接触对,摩阻力大小利用Coulomb摩擦模型。接触算法采用罚函数法与拉格朗日法混合的扩展拉格朗日乘子法,一方面减少病态,另一方面可以选择任意求解器,计算结果准确。

2.2 整体承载力对比分析

对上述对象建立有限元模型,顶端加载计算后可得两种桩型的 Q—s曲线,如图4所示。可以看出,两种桩型Q—s曲线均出现拐点,两种情况桩底地基土均在转折点处达到破坏,对扩底桩而言,当顶部荷载Q=3 500 kN时 Q—s曲线发生突变;等直径直桩在顶部荷载 Q=2 800 kN时发生突变,承载力提高23%。由图4可知,直桩的Q—s曲线始终处于扩底桩的下方,且偏离较大,可以说明扩底桩提供的承载力大于普通等直径直桩。

2.3 扩大角度影响

为研究扩底桩在受拉情况下的受力特性,采用有限元计算了几种扩底桩的受力情况。计算结果如表1所示,图5是表1计算结果的曲线图。

表1 不同扩底角度计算结果汇总表

从表1中可见,随着扩大角度增加,在相同作用荷载条件下,应力扩散后的桩端变形逐渐减少。同时,在扩大角达到一定程度后,变形减少,趋势变缓。从图5中可见,在扩底6°以后与不扩底相比,桩端变形减少了超过1/2;而在超过 10°以后,角度扩大对控制桩端沉降效果已经变得不显著,也就是说在超过12°后再通过增加扩底角度来控制变形则无明显经济技术效益。因此对于扩底抗拔桩而言,比较合理的扩底角度应在 6°～12°。

3 扩底抗拔桩承载特性浅析

1)与等截面桩相比,抗拔钻孔灌注桩采用扩底工艺后,其单桩抗拔承载力可提高1.5倍以上,而扩底所耗的材料则是增加5%左右桩身混凝土,故其经济技术效益明显。2)与等截面桩相比,扩底抗拔桩的 Q—s曲线平缓,且在破坏荷载时拐点不明显,有些类似于桩端土较硬的抗压桩的 Q—s曲线,说明扩底桩后劲较足。3)桩顶与桩端位移的发展规律从桩身变形角度反映其工作特性。当桩端变形增量小于桩顶变形增量时,整个桩身不断被拉长,桩顶荷载沿桩身向下传递,当桩顶与桩端的变形增量相同时,桩长不再变化,表明在当时荷载下,桩体处于刚度位移状态,桩的抗拔力开始进入极限。扩底桩由于土体“卡”住了扩大头,以土体压缩的形式限制了桩端的上拔变形,在相同桩顶荷载下,桩端变形较小,且要等到比等截面桩大得多的桩顶荷载时才开始出现桩顶与桩端的同步位移,扩底作用相当明显。4)由桩顶与桩端位移发展规律,可以明显看到由于扩大头周围土体对扩大头的嵌固作用,使桩身不断被拉长,在破坏状态时,扩底桩的桩身伸长率大于等截面桩,桩身伸长率的提高,表征扩底桩具有足够韧性的指标。5)在破坏状态下卸荷时,扩底桩的回弹率远小于等截面桩,在破坏状态时,扩底抗拔桩的上拔位移大,回弹率小,但这并不表明在工作状态时也有相同的规律,由于工作状态下扩底桩的刚度大于等截面桩的特性,可初步判断:对于相同的荷载,扩底桩的回弹率应大于等截面桩。

4 扩底抗拔桩工程案例

以下列举上海某广场地下车库的抗拔桩,采用扩底抗拔钻孔灌注桩作为案例,将扩底抗拔桩与常规直桩的承载能力进行比较。

场地地层分布情况见表2。

表2 地层特性表

本工程抗拔桩共有三种抗拔桩型,其中Ⅰ,Ⅱ为扩底桩,Ⅲ为等截面桩。原设计Ⅲ型等截面桩桩径为600,桩长约60 m,后部分采用Ⅰ,Ⅱ型桩,桩身不变,桩端扩至1 200,扩大头长1,桩长缩短(见表3)。

表3 抗拔桩桩型

根据前述圆柱面剪切法计算得到扩底桩极限承载力约为3 300 kN～3 500 kN,与相同长度的φ 850的等截面桩或55 mφ 600的等截面桩的计算单桩承载力相近,经试桩其极限承载力不小于3 400 kN,说明采用扩底桩具有较高的经济性,而且可以避免由于等截面超长桩的施工质量问题。

5 结语

本文对目前扩底抗拔桩受荷机理研究进行了整理分析,并采用有限元模拟的方式对扩底抗拔桩的承载特性进行进一步研究,初步推断了扩底抗拔桩的几点承载特性,得出该种桩型在受荷变形的工程特点更优于传统等截面抗拔桩。

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