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黄土地区扩底抗拔桩单桩承载性能探究

作者：来源：日期：2019/11/5 8:07:10人气：2039

随着科学技术的发展，城市地下空间及高层建筑的开发与建设，从而对基础承载性能要求越来越高，扩底抗拔桩在基础工程中得到广泛的应用，因扩孔桩的抗拔和抗压承载性能较等截面抗拔桩有较大幅度的提高。研究表明，扩底桩在节约材料和提高承载性能均有很大的优越性，抗拔桩的使用可以大幅度减小桩长、减少桩的数量。目前，扩底抗拔桩的造价成本很高，其安全可靠性和经济性具有重要的研究价值。结合西北黄土地区抗拔桩的荷载沉降进行实测和数值模拟分析，从而进一- 步的探究抗拔桩的承载特性规律及其桩尺寸的变化对承载特性的影响程度分析。

  1扩底桩单桩承载特性

扩底抗拔桩在桩侧摩阻力和桩身轴力分布规律等特性与纯摩擦型承压桩相似，扩底抗拔桩的承载由桩侧摩阻力、扩大头部分抗拔力和桩身自重3部分组成。抗拔桩的极限承载力受到诸多因素的影响，例如:地基土质类别、桩的尺寸、桩土界面特性、桩身材料和荷载作用形式等。訾平华通过浅析几种缺陷桩在静载试验中的表现研究"，提出了影响单桩竖向承载力的因素;张夫健通过铁路桥梁群桩基础沉降形状与计算分析研究[2)，提出了群桩沉降计算方法;通过扩孔抗拔桩承载力试验与研究)]，提出了适用于软士地区扩底抗拔桩单桩承载力计算公式并对扩底桩的群桩效应进行了研究分析;通过研究不同桩长扩底抗拔桩极限承载力的统- -计算模式(4);通过修机井地锚桩抗拔承载能力试验研究[']，提出了侧摩阻力是修机井地锚抗拔桩承载力重要组成部分等相关结论;当前，对于单桩极限承载力的计算方法主要有两种，第- .种是理论计算方法，以土的抗剪强度和侧压力系数为主要参数按不同破坏模式建立计算公式，该方法计算相对较复杂且在计算过程中影响剪切破坏因素多;第二种是根据基桩试验资料,将桩的抗压极限承载力与抗拔极限承载力进行转化建立联系，通常将抗拔极限承载力计算等效为抗压极限承载力乘以抗拔系数的形式。我国现行《建筑桩基技术规范》[6]就是采用第二种方法。抗拔系数λ因土质不同取值也不相同，即使同类土取值也不尽相同。通过扩底抗拔桩荷载传递规律及其影响因素分析的研究"，提出了扩底抗拔桩荷载传递规律以及桩长、扩底直径、桩长、土的剪切模量和内摩擦角等因素对抗拔桩承载特性的影响。

  2扩底抗拔桩承载特性实例分析

  2.1实测值与计算值对比

  扩底抗拔桩的桩身尺寸对单桩承载力的影响较大，鲁先龙、乾增珍等[8]在西北地区做了12根抗拔桩的现场试验，现场的试验场地上部为冲洪积相黄土粉状土，厚度为28 m~36 m，下部为砂土和碎石土，厚度为5 m~6m。桩身各尺寸参数如表1所示。基础形式如图1所示。各桩号的位移-荷载曲线如图2所示。

根据文献资料，由初始斜率法[9和L - L法[10]确定桩的极限承载力的大小如图3所示。根据《建筑桩基技术规范》扩底抗拔桩基桩抗拔极限承载力:

式中: λ;为抗拔系数; T。为基桩抗拔承载力极限值; qma 为桩侧表面第i层土的抗压极限阻力标准值; u,为桩身周长，对扩底桩当1:< (4~10) d时u;取πD; l为桩长。

根据文献结论，结合图2曲线可以看出，基桩荷载沉降曲线经历3个阶段，首先是线弹性阶段，然后是塑性阶段，最后就是破坏阶段。笔者认为合理的极限承载力应该出现在塑性变形阶段之中。因为关于西北地区扩底抗拔桩的现场试验文献较少，规范中部分参数取值区间较大,将规范计算值与文献中极限承载力相比，规范计算极限承载力大多处在图2中的塑性阶段，各参数取值有待进-步研究，以便指导工程设计与施工。

根据规范计算值、初始斜率法值和L -L法值分析，可以得出计算值曲线走势与L - L,法值曲线相似，在数值上与初始斜率法值曲线更靠近，从而在某种程度上验证了针对这两种经验法的正确性，如图3所示。笔者个人认为对这些经验法的推广需要进一步的验证。

  根据《建筑桩基技术规范》中对抗拔桩极限承载力的计算公式1,取值是一个变化范围，结合文献数据，u,= πD计算抗拔桩极限承载力较合理，而桩第6、7、8号桩中l的最大值为8.1 d,故可以推断在黄土地区粉质土中抗拔桩承载力计算公式中l;比规范取值范围小。笔者推断范围为l;< (8.1~10) d,从而计算出抗拔桩的极限承载力更加合理准确。

  2.2 抗拔桩桩桩长尺寸对其承载力影响

针对扩大头直径尺寸对桩基承载力及变形影响，因第6、7.8号桩的桩径及扩大头的桩径尺寸- -致,只有桩长不同，随着桩长的增大，由图2可以看出，抗拔桩的承载力相应的提高了，桩长L=4.1 m的承载力较桩长L=8.1 m的承载力提高2倍多，但是桩长L=5.6 m的承载力较桩长L=8.1 m的承载力提高的在弹性和弹塑性阶段提高的不是跟桩长正相关，此时桩长对扩底桩的承载力相对较小。这表明桩长在一定范围内时，桩长越长其基桩承载力较大，沉降位移较小，而在桩长较长时其承载力的影响相对较小，但是承载力随着桩长的增加总体是呈增大的趋势。在实际工程中，在一定桩长范围内可以采取增加桩长以提高承载力，从而节省材料。

  2.3现场实测数据与数值模拟数据对比分析

本节主要是通过有限元软件Midas模拟以上几种工况的单桩荷载-沉降曲线，数值模拟的主要目的是为了分析抗拔桩承载力特性规律及不同桩长对承载性能的影响。于丹、杜鹏洋等通过抗拔桩单桩承载特性试验及数值模拟[u]，提出了随着桩顶荷载的逐级增加，出现，实测数据与模拟数据有一定误差并针对出现误差原因进行了分析。对3根抗拔桩承载性能进行数值模拟，采用3D模型分级加载，桩体本构模型为弹性模型，土体本构模型为摩尔-库伦模型;模拟结果6号桩最终沉降量跟实测值相当，模拟值为54.11 mm，比实测值53.31 mm略大; 3根桩的模拟值与实测值的趋势相同，最终沉降量与实测值的差值均在3 mm之内，第6、7和8号现场实测值和模拟值的对比分析如图4所示。

(1)通过规范法和经验法，对实测数据和计算数据进行对比分析，可以得出初始斜率法值和L4-L2法与规范计算法在数值和趋势上基本-致,初始斜率法在数值上与规范值比较接近，在工程实践验算方面有较准确的预测性，这也证明经验法具有- -定的实用性。因黄土地区地质复杂，如需推广需要进-步验证。

(2)通过现场实测数据与规范计算数据对比分析，推断粉质黄土地区计算抗拔桩极限承载力时桩身周长取值范围较规范规定范围小，进- -步提高计算得准确性，笔者推断范围为l < (8.1~10) d,如需推广需要更多理论与实测数据验证。

(3)从第6、7、8号桩现场实测数据可以看出，在一定范围内，桩长越长其抗拔承载力越大，6号桩长是7号的1.45倍，然而其抗拔承载力时增加了2倍。说明桩身尺寸对其抗拔承载力影响较大，通过这-特性可以有效提高抗拔桩承载力而节省成本。

(4)通过Midas数值模拟第6、7、8号桩抗拔承载力与沉降关系，得出实测值与模拟值趋势和数值基本吻合，误差在允许范围内，从而更进步验证了数值模拟在预测抗拔桩极限承载力的实用性，为解决实际工程问题提供了解决途径和方法。

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