DX旋挖挤扩灌注桩单桩抗拔承载性状的数值分析

陈立宏，张清林，2，袁希雨

(1．北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2．中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300)

1 前言

抗拔桩是抗拔基础的主要形式。近年来随着土木工程，尤其是地下工程、交通工程、近海工程等的飞速发展，抗拔桩的应用日益广泛，在高耸建筑物、输电塔、抗浮地下结构、桥梁基础、冻胀和膨胀土地区的建筑中得到了广泛应用。对于传统的非嵌岩等截面竖桩，桩的抗拔力都由侧阻提供，而抗拔侧阻力要小于抗压时的值，其抗拔能力十分有限，并非理想的形式。为了满足抗拔承载力的要求，往往要求大幅度增加抗拔桩的长度和直径，或者采用后注浆等新技术，而采用变截面桩，改变单纯由侧阻提供抗拔力的承载模式是一个更好的选择。近年来在各种建筑物基础中扩底桩的应用日趋增加，而多节扩孔桩在桩身上部的扩大部分能更早地发挥抗拔力，相对而言是一个更好的选择。

DX桩是多节挤扩桩中的优秀代表，其是在普通直孔桩基础上通过挤扩装置挤扩成扩大腔体，形成由承力盘、桩身、桩端共同承受上部荷载的桩型。虽然工程实践表明了DX桩优异的抗拔性能，但实践应用仍然相对较少，而且对于DX桩的抗拔受力机理、计算方法以及沉降的计算还处在探索阶段，因此非常有必要进行深入的研究。文章通过数值计算方法对DX桩进行抗拔承载性状的研究，以期能增加对DX桩抗拔机理的认识。

2 研究现状

由于承力盘增大了桩身的有效承载面积，同时旋扩设备对周围土体有一定的挤密作用，因此DX桩可大幅度提高单桩承载力。承力盘的存在改变了桩的承载机理，大幅度地提高了桩的抗拔承载力，现场抗拔试验表明DX旋挖挤扩灌注桩的抗拔效果是普通直孔桩的2倍甚至更多，而且发挥极限承载力需要的位移更小［1～3］。与传统的挤扩技术相比，旋挖挤扩装置有着显著的优势，双油缸双向相对位移带动三对旋扩臂对土体进行旋转挤压，挤压过程中同时完成切削、碾压、挤扩，旋扩臂始终与土体接触，上下面土体均被挤压，土体扰动小，无沉渣或少掉土。而且具有施工快捷、安全等优点。承力盘的位置可根据地层条件选择持力层，具有灵活性好、适应性广的特点，这一桩型目前在抗拔桩领域应用越来越广。采用该桩型，有利于大大缩短桩长、降低混凝土用量、节约工期，具有非常广阔的应用前景。由于其突出的优点，DX桩应用于抗浮、抗滑和其他抗拔工程中，收到了非常好的工程效果和经济效益。

但是DX桩的抗拔机理研究则远远落后于工程实践，目前的研究主要是通过一些桩基的静载荷试验来反馈分析，深入的研究工作很少。这主要是因为:

1)多节旋挖挤扩灌注桩的承载力机理相当复杂。与常规直孔桩完全不同，多节旋挖挤扩灌注桩是多支点的摩擦端承桩。抗压承载力由3部分组成:桩侧摩阻力、承力盘阻力、桩底端阻力，抗拔承载力则由桩侧摩阻力和承力盘阻力组成，这些不同的阻力之间又存在相互影响。目前针对承力盘阻力的研究基本属于空白;承力盘的存在会影响DX桩抗拔破坏的模式以及桩身摩阻力的发挥;同时，承力盘的大小、位置、数量、角度也会对抗拔承载力造成影响。多级扩径体的存在导致了目前人们对承载机理的认识还很不充分，制约了其在工程中的应用［4～6］。

2)与抗压桩相比，抗拔桩的研究相对较少。相对于抗压桩，抗拔桩的作用机理更为复杂，具有更多的不确定性。相对的研究也较少，特别是理论研究远远落后于工程实践发展。国内外对于抗拔桩的研究主要集中于承载力方面，而且在承载力的研究上主要集中在经验性的基础上，系统和深入的机理研究相对不多。当前抗拔桩的设计主要借鉴抗压桩的设计方法，即以桩的抗压侧摩阻力乘以经验折减系数后作为抗拔桩的侧摩阻力，进而估算抗拔桩的摩阻力。

3)DX桩发展时间不长。DX桩技术是在国内独立发展起来的新型桩基技术，发展时间才十多年，因此相对试验资料不足、计算理论也不成熟［4，5］。

对于等截面抗拔桩，国内外进行了较多的模型试验和一些现场原位试验研究。Kulhawy在1979年进行了砂土中大型模型桩抗拔试验，发现抗拔桩主要破坏模式为沿着桩土界面的圆柱形剪切破坏［7］。Alawneh在砂土中做了63组模型试验，探讨了打桩方式、砂的密实形态等对抗拔力的影响［8］。其他许多学者也进行了相应的试验研究，清华大学就曾利用渗水力方法进行了模型试验、现场足尺试验，对桩侧阻的发挥机理进行了探索。国内外根据大量的研究发现，一般破坏可分为倒圆锥台、圆柱和复合剪切破坏三大类形式，而主要形式是圆柱形剪切破坏，目前绝大部分研究都是在此基础上进行的。对于扩底桩的抗拔研究近年来比较多，主要是以模型试验为主，现场原型试验也有不少。

DX桩是一种新型桩基技术，相关研究较少，与其他桩型一样，研究主要集中于DX桩的实践效果和抗压机理，包括室内模型试验、大比尺模型试验和现场试验以及数值计算等。DX桩的抗拔研究目前还非常少，文献可见的研究成果极其稀少，不足10篇。陈轮等在北京莲花桥附近进行过大尺寸的模型桩抗拔试验［9］，对桩身端阻、侧阻的发挥规律进行了分析研究。李广信、汤飞对DX桩的抗拔利用锚板理论、Prandtle理论等进行过对比计算分析，并提出了用于规范计算的建议公式［10］。赵明华等通过增加折减系数的办法提出了一个DX桩抗拔承载力的计算方法［11］。

3 DX单桩抗拔的数值模拟

3．1 数值模拟概况

DX桩承力盘的存在增加了破裂柱面的直径，增加了抗拔力，改变了抗拔破坏的形态，也改变了位移与抗拔力之间的关系。另外承力盘的深度、大小、盘的数量对抗拔性能都有很大的影响，对这些问题现在依然没有开展过太多的研究工作，大大制约了DX桩的应用。在DX桩抗拔的数值模拟计算中，DX桩直径d选取为1 m，承力盘直径D为2 m，高度为1 m，桩身长度为20 m，两承力盘间距为8 m。在FLAC3D中建立模型，网格划分的范围取径向为10 m，深度为桩底14 m，如图1所示。为对比起见，还同时进行了直孔桩的抗拔模拟计算，直孔桩尺寸和数值模拟中的参数与DX单桩中的相同。计算采用分级加载，如表1所示。

图1 DX单桩模型Fig．1 Mesh of DX single pile

表1 抗拔加载与位移Table 1 Load and uplift displacement of piles

在DX桩抗拔的数值计算中，桩身混凝土采用弹性模型，桩周土体采用摩尔－库仑模型，桩土接触面采用库仑剪切模型，DX单桩的接触面模型建立后如图2所示，计算参数见表2。计算采用分级加载，共分12级。采用的土的参数是文献［12］中现场试验的数据。

图2 DX单桩接触面Fig．2 Contact surface of DX single pile

表2 DX单桩数值计算所采用的本构模型及参数Table 2 Constitutive models and parameters in numerical simulation of DX single pile

3．2 模型参数验证

为验证数值模拟所采用的本构模型及所取参数的可靠性，用数值计算中所取的模型及参数对文献［12］中的模型试验的1号桩、5号桩进行了模拟。1号桩、5号桩桩长2 m，桩径为0．15 m，承力盘直径为0．3 m，承力盘在桩中间位置。网格划分范围取径向2 m，深度为桩底2 m，如图3所示。

图3 模拟1号桩、5号桩的网格划分Fig．3 Meshing of pile 1 and pile 5 in simulation

数值模拟中的加载级数和每级荷载大小与实际情况一致，联合数值计算得到的桩顶在各级荷载下的沉降量与联合模型试验中1号桩、5号桩的沉降量，作出两者的荷载－沉降曲线(Q－s曲线)，如图4所示。

图4 数值计算及1号桩、5号桩的Q－s曲线Fig．4 Q －s curves of pile 1，pile 5 and the pile in numerical simulation

由于数值计算出的Q－s曲线没有发生突变，故按文献［13］取桩顶沉降为0．05d或40 mm时为桩的极限承载力，模拟中桩直径为0．15 m，0．05d即为7．5 mm ＜40 mm，故取桩顶沉降为7．5 mm 时桩顶荷载为桩的极限承载力。

由图4可知数值计算出长度为2 m、直径为0．15 m、有一个承力盘的 DX桩的极限承载力为84 kN左右。这和试桩1的极限承载力80 kN、试桩2的极限承载力90 kN分别相差5%和6．7%，可以认为三者的极限承载力很接近。

故完全可以认为数值计算所取的参数是合理的、可靠的。

3．3 抗拔曲线

通过数值分析计算得出DX单桩在各级上拔荷载Q下的上拔量s，作出承载力与沉降的Q－s曲线，如表1和图5所示。

图5 DX桩和普通直孔桩的抗拔曲线Fig．5 Uplift resistance curves of DX pile and ordinary pile

由图5可以看到:

1)DX桩的抗拔曲线呈现缓变，而相同直径的普通直孔桩则出现突变。DX桩承受抗拔的能力远比普通直孔桩强，DX桩在上拔荷载7536 kN时位移为44．6 mm，而直孔桩在2638 kN后就出现了位移突变。对于有两个承力盘的DX桩其抗拔承载力比普通直孔桩提高了2倍以上。

2)对于普通直孔桩，在桩顶施加竖直向上的荷载时，桩身与土层之间的剪切力使地基土体发生剪切位移，当地基土体的剪切位移超过极限位移后，就发生破坏。而对于DX桩，当地基土体达到或超过极限位移后，仍有承力盘承受上部土体的支撑力，使桩仍能承受上拔荷载。随着桩顶上拔荷载增加，桩身混凝土的拉伸量和桩土相对位移量逐渐增大，桩侧中下部的摩阻力逐步发挥出来;由于粘性土的极限位移只有6～12 mm，故当桩土相对位移大于桩土的极限位移后，桩身上部的侧阻已发挥到最大值并出现滑移。

3)在桩顶第四级荷载即3014 kN时，DX桩的上拔量为 5．63 mm，普通直孔桩的上拔量为5．95 mm，这说明在较小的抗拔荷载下，DX桩的上拔量和普通直孔桩相差不多。但继续加载时，DX桩的优越性就表现出来了。

3．4 承力盘阻力的发挥

作出受上拔荷载的DX单桩的桩身轴力图，如图6所示。图6显示的是在桩深度方向上，在桩顶和上下承力盘处的桩身轴力的大小。可以看到，沿桩深度方向上，桩身的轴力是不断减小的，这是因为在桩顶承受上拔荷载时，沿桩深度方向上，桩身轴力逐渐转化为桩侧摩阻力和承力盘的端阻力。在经过上、下两个承力盘后，桩身轴力变得很小，几乎为零。说明在桩底部承受的桩侧摩阻力很小，几乎所有的荷载都被下承力盘及其以上的桩身承担。沿桩的深度方向上有两个突变，这是因为承力盘承受了较大的荷载，使桩身轴力在经过承力盘时减小的幅度较大。

图6 DX单桩受上拔荷载时的桩身轴力图Fig．6 Axial force diagram of DX single pile under uplift loading

受上拔荷载的DX桩承力盘阻力的发挥也可以通过承力盘周围土体单元出现塑性区的范围来说明，在不同级上拔荷载下桩周土体的塑性区单元如图7所示。

由图7可以看出:

1)在第二级荷载下，承受上拔力的DX桩上承力盘周围土体发生塑性区的单元个数要比下承力盘的多，这说明在第二级荷载下，上承力盘首先发挥作用。

2)在第四级荷载下，上下两承力盘周围土体的塑性区都进一步增大，说明两承力盘阻力都发挥了作用。

图7 不同荷载下DX桩周塑性单元(浅色区域所示)Fig．7 The plastic units of DX pile under different grades of loading(light areas)

3)当桩顶荷载继续增大时，两承力盘周围土体的塑性区也进一步增大。在第七级荷载下，上承力盘周围的部分土体单元发生拉破坏。

4)总体来说，DX桩在承受上拔荷载的时候，承力盘阻力的发挥也具有时序效应。上承力盘阻力先发挥，下承力盘阻力再发挥。

4 结语

通过大比例尺模型试验和DX桩的数值计算分析，可以得出:

1)相比尺寸相同的普通混凝土灌注桩，DX单桩的抗拔承载力明显提高，上拔量明显降低。由数值计算得出具有两个承力盘的DX单桩的抗拔承载力超过普通直孔桩2倍。

2)DX桩在上拔荷载的作用下，承力盘阻力的发挥具有明显的时间顺序效应，上部盘的承载力先发挥，下部盘的承载力后发挥。当荷载进一步增大后，下盘承担的上拔荷载要高于上盘。主要是由于下盘周围土体应力较大，可承担的极限承载力较大，而这一结果与部分实测结果略有不同。文献［1］中实测数据表明上盘承受的抗拉荷载要比下盘大得多，这说明DX桩的抗拔模拟分析技术还有待提高。

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