基于数值模拟的抗拔桩力学性能研究*

刘晓丹,陶思源,刘 苏,王玉祥,朱学敏,马 露

(1.安徽水利开发有限公司,安徽 蚌埠 233000;2.安徽科技学院 建筑学院,安徽 蚌埠 233000)

1 概述

随着建筑工程技术的不断发展,以及城市经济发展需要,越来越多的地下工程投入建设,而地下工程常见问题有桩体的抗浮,解决桩体抗浮最经济高效的方法是采用抗拔桩[1-5]。普通抗拔桩承受荷载时桩体受拉容易开裂,而托底抗拔桩是采用无粘接性钢绞线与桩底或基础相连,荷载通过钢绞线由桩底传至桩端,桩体本身承受压力,可有效避免桩体产生裂缝。

抗拔桩在实际工程中有一定应用,但目前对于托底抗拔桩桩土接触面承载能力和桩土位移的研究较少,托底抗拔桩的作用荷载范围有待进一步探究。周鹏等[6]应用FLAC3D有限元软件模拟托底抗拔桩和普通抗拔桩的受力状态,着重分析两者荷载-位移规律和摩阻力分布情况发现托底抗拔桩承载力强于普通抗拔桩,两者的侧摩阻力分布类似,两者侧摩阻力关系与施加的荷载水平有关;聂永江等[7]建立桩-土多段线性荷载传递函数以研究砂土地基中托底抗拔桩的极限承载特性,研究表明,托底抗拔桩在达到极限破坏时,不同深度处桩-土剪切应力不同,软化系数会显著影响托底抗拔桩极限承载力;邵光辉等[8]通过室内模型试验,研究了普通抗拔桩和托底抗拔桩在极限承载力和桩侧摩阻力等方面的差异,并给出了托底抗拔桩极限承载力理论计算公式,但未揭示桩顶位移与极限承载力、桩侧摩阻力的内在联系;戴国亮等[9]基于荷载传递函数概念,建立了托底抗拔,研究表明,桩身轴力、位移沿桩身呈上弯分布,但缺少理论计算对抗拔桩力学位移特性进行归纳研究;朱克文等[10]建立抗拔桩上限分析机构,研究了长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性和土塞高度对抗拔承载力的影响,拟合出了闭口桩的抗拔净承载力预测公式,研究发现闭口桩、开口桩和管桩承载力系数的影响因素各异,但只是针对普通抗拔桩的研究分析,关于托底抗拔桩的探讨还有待探讨;高笑娟等[11]研究了普通抗拔桩、扩大头抗拔桩的受力机理和承载能力,结果表明,压力性抗拔桩极限抗拔承载力和单位面积摩阻力比拉力型有显著提高。

相比原型试验的复杂工况和苛刻的试验条件,数值模拟条件相对简单且对于工况的模拟较为容易,并且获得的数据较为准确,模拟实际工程的桩土尺度更加节约成本,不同类型的桩土模型都可以较好完成。本文基于现有研究,分析普通抗拔桩和托底抗拔桩的荷载位移规律和桩侧摩阻力对桩顶位移的影响规律,从桩土接触面的内在特点揭示两种抗拔桩的差异。

2 数值模拟建模

2.1 模型分析

模型图如图1所示,此模型基于实际工程的尺寸而建立,土体厚度15 m,桩长10 m,桩入土深度为10 m,桩直径为1 m,整体模型长宽分别为10和5 m。模型的约束条件为:模型限制X、Y向侧向位移,底部限制侧向位移和竖向位移。

图1 三维模型图

2.2 接触面及材料设置

数值模型中,土体采用摩尔库伦模型,桩体采用弹性模型,桩土接触面使用FLAC3D运用的interface界面。当桩土接触时,接触面结点与实体单元外表面(目标面)建立基本的接触关系,此时目标面的法向方向决定接触力的法向方向。桩土接触面的破坏模型采用摩尔库伦模型的强度准则,当剪应力或者拉应力达到相应强度时,将会在接触的目标面上形成有效法向应力增量。土体的主要物理力学参数见表1,桩体的物理力学指标见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 桩体物理力学参数

2.3 荷载施加规则

加载方式为逐步施加荷载法,确定预估极限荷载后,将荷载分成9级,逐级加载,直至破坏。其中普通抗拔桩荷载直接作用于桩顶,托底抗拔桩荷载作用于钢绞线即桩端,两者的作用方向均向上。

3 试验结果分析

3.1 弹性模量对桩体位移的影响

针对不同弹性模量的桩体分别施加桩顶荷载,得到普通抗拔桩荷载-位移曲线(见图2)。由图2可知,不同弹性模量的桩体荷载-位移曲线走势大致相同,弹性模量的变化不会改变桩体的变形特点,但弹性模量会影响普通抗拔桩抵抗变形的能力,具体表现为:随着桩体弹性模量的增加,桩顶位移逐渐减小,470 kN桩顶荷载作用下,弹性模量为50 GPa时相比于20 GPa时桩顶位移减少了22%,可见弹性模量增加可以显著提高抗拔桩抗变形能力。抗拔桩的荷载位移曲线可以近似分为3个阶段:0～470 kN段为线弹性阶段;470～570 kN之间为局部破坏阶段;超过570 kN为破坏阶段。可见抗拔桩在承载过程中大部分是处于线弹性阶段,局部破坏阶段占比较小,局部破坏阶段之后迅速进入破坏阶段,可见抗拔桩的破坏为突变型。

图2 桩体弹性模量与桩顶位移关系图

进入破坏阶段之后,所有曲线基本重合,从桩土接触的角度分析,表明桩体弹性模量对桩土接触面极限承载力影响不大,弹性模量的提高只会增加桩体的承载和变形能力,而桩土接触面的力学性能不受弹性模量的影响,关于接触面的特性可以展开深入研究。

3.2 普通抗拔桩和托底抗拔桩荷载-位移规律

将不同弹性模量桩体的普通抗拔桩与托底抗拔桩的荷载-位移关系曲线绘制于直角坐标系中,所得结果如图3所示。从两种形式抗拔桩的受力特点分析,普通抗拔桩荷载作用点在桩顶,桩体受拉,荷载传递路径为从桩顶到桩端;托底抗拔桩荷载作用点在桩端,桩体受压,荷载传递路径为从桩端到桩顶。未破坏阶段,托底抗拔桩桩顶位移显著小于普通抗拔桩,这是由于托底抗拔桩桩体承受压力时,桩体截面变大,桩土接触面变大,桩土接触更加紧密,桩侧摩阻力变大,而普通抗拔桩与之相反;但破坏后两者桩顶位移变化趋势基本一致,这是由于破坏后桩土之间产生滑移,桩土接触面破坏,桩侧摩阻力完全发挥,两者位移变化相同。从图3中亦可看出,普通抗拔桩的桩体弹性模量对桩顶位移影响明显,而托底抗拔桩桩顶位移基本不受桩体弹性模量的影响,两条曲线基本重合,因为托底抗拔桩在未破坏时,桩侧摩阻力由下至上发挥作用,桩体需要克服的阻力较大,因此弹性模量对于桩顶位移影响较小;而普通抗拔桩由于桩体伸长和桩土位移的累加,其变形受弹性模量的影响较大,且弹性模量越大桩顶位移越小。

图3 普通抗拔桩与托底抗拔桩荷载-位移变化图

3.3 托底抗拔桩相比普通抗拔桩对桩顶位移的影响

图4所示为托底抗拔桩相比普通抗拔桩桩顶位移减少百分比的分布曲线。以桩体弹性模量20 GPa为例,当施加荷载在0～78 kN之间时,桩体位移减少百分比近似线性增加;当荷载区间在78～470 kN时,桩顶位移减少百分比约为28.5%,减少百分比变化较小,而施加荷载超过470 kN后,桩顶位移减少百分比急剧下降。由前文可知,此工况下桩土接触面极限承载力约为570 kN,综上可以得出,当施加荷载在极限承载力14%以内时,托底抗拔桩的作用持续增加;当施加荷载在极限荷载的14%～82%之间时,托底抗拔桩的作用趋于稳定;达到极限荷载后两种抗拔桩作用同步下降。综合可知,托底抗拔桩承受荷载的最佳区间在桩土接触面极限荷载的14%～82%范围内,后续可以针对此结论作出更深入研究,得出托底抗拔桩承受荷载的合理区间,以期应用于实际工程。

图4 托底抗拔桩相比普通抗拔桩桩顶位移减少比例关系图

从图4中亦可看出,桩体弹性模量越大,托底抗拔桩相比普通抗拔桩对桩顶位移的减少比例越小。由于弹性模量越大,托底抗拔桩抵抗变形能力越弱,由桩体膨胀变形而增加的桩侧摩阻力越小,因此,弹性模量增加,托底抗拔桩的作用效应反而减弱。

3.4 桩侧摩阻力对桩顶位移的影响

由前文可知,桩顶位移主要受桩侧摩阻力影响,图5所示为不同桩侧摩阻力下托底抗拔桩的荷载-位移曲线,其中,t表示桩侧摩阻力的折减系数,当t=1时,侧摩阻力为30 MPa。

图5 不同折减系数下托底抗拔桩荷载-位移曲线图

由图5可知,侧摩阻力越大,桩土接触面极限承载力越大。由前文分析可知,桩体和土体特性对接触面极限承载力的影响不大,因为抗拔桩本质上属于摩擦型桩,接触面的极限荷载主要来源于侧摩阻力。当t=1时,对应的极限承载力为470 kN;当t=0.3时,对应的极限承载力为235 kN。前者相比后者的极限承载力增加了100%,可见侧摩阻力对接触面极限承载力的影响重大。

从图5中亦可看出,不同折减系数下的桩土接触面极限承载力几乎处于同一直线上,即侧摩阻力与接触面极限荷载成正相关。此处仅对两者的关系作出初略分析,两者的内在联系及成因研究可以在后续中进行。

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)在不同桩顶荷载作用下,桩顶位移随着弹性模量的增加而增加,但弹性模量不能改变桩土接触面的极限承载力;桩土接触面极限承载力只受桩侧摩阻力的影响,摩阻力越大,接触面极限承载力越大。

2)托底抗拔桩相比普通抗拔桩可以显著减少桩顶位移;桩体弹性模量对托底抗拔桩和普通抗拔桩的变形影响表现不同,主要是两者的受力和荷载传递路径不同引起的。

3)研究发现,托底抗拔桩相比普通抗拔桩的桩顶位移减少百分比存在一个较为稳定的区间,得出与之对应的作用荷载占接触面极限承载力的比例具有一个合理范围14%～82%,在此范围内,托底抗拔桩发挥的减少桩顶位移作用最为显著,此结论在实际工程中具有一定的参考价值。