軟土地區擴底抗拔樁應用的探討分析

姜 娟

0 引言

地下空間的開發與利用已成為21世紀城市立體空間開發的主旋律之一。許多大城市已將地下空間的開發與利用納入了城市整體規劃,在諸如地下車庫、地下商業街、地下廣場、地下道路交通等地下工程的建設中,由于結構自重較輕,致使基礎抗拔問題更加突出,通過擴底實現變截面樁型的改進來達到顯著提高單樁抗拔承載力是較合適的選擇。

1 擴底抗拔樁的破壞形態分析

等截面樁的破壞形態大致可分為四大基本類型:1)沿樁土側壁界面剪切破壞;2)與樁長等高的倒圓錐臺土體剪切破壞;3)復合剪切面破壞形式:即樁的下部沿樁土側壁界面剪破,而上部的局部深度內土體中形成斜向裂面,其上部倒錐土體與樁體粘結在一起,與樁體同時向上變形;4)鋼筋被拉斷。

擴底樁總的極限抗拔力所對應的上拔位移很大,其位移的大小隨土層性質、擴大頭埋深及樁型(長細比、擴大頭形狀)等變化。

擴大頭的上移使地基土內產生各種形狀的剪切破壞面,這種基礎的破壞形態較為復雜,與基礎埋深、擴大頭形狀、土層性質密切相關。基本的破壞形式見圖1。當樁基礎埋深不是很大時,雖然樁側面滑移出現得較早,但當擴大頭上移導致地基土剪切破壞后,原來的圓柱形剪切面不一定能保持原有的形狀,尤其靠近擴大頭附近變得復雜,也可簡化成圖2中的破壞形式。中部的圓柱狀剪切面大致等于擴大頭直徑,可稱為圓柱形沖剪式剪切面,最后可能在地面附近出現倒錐形剪切面,其后的變形發展過程與等截面樁相似。

2 擴底抗拔樁作用機理的有限元模擬分析

2.1 有限元模型的建立

建立三維軸對稱有限元樁土接觸模型,但鑒于樁與樁周軟土剛度差異很大,將導致有限元計算的接觸應力不準確,同時造成計算的不收斂,故本次擴底樁的研究主要集中在擴底部分及其周圍土體上,本文將建立類似深層載荷試驗方式的模型,以研究擴底樁底部樁段的承載性狀,具體模型如圖3所示。

土體及擴底樁均采用三維八節點實體單元。擴底樁采用線彈性模型,符合廣義虎克定律;土體采用摩爾—庫侖模型,不考慮加工硬化,視為彈塑性材料,采用非相關流動法則。采用剛柔接觸的面—面接觸單元來模擬擴大頭與其周圍土體的接觸行為,擴大頭表面視為目標面,土體為接觸面,形成接觸對,摩阻力大小利用Coulomb摩擦模型。接觸算法采用罰函數法與拉格朗日法混合的擴展拉格朗日乘子法,一方面減少病態,另一方面可以選擇任意求解器,計算結果準確。

2.2 整體承載力對比分析

對上述對象建立有限元模型,頂端加載計算后可得兩種樁型的 Q—s曲線,如圖4所示。可以看出,兩種樁型Q—s曲線均出現拐點,兩種情況樁底地基土均在轉折點處達到破壞,對擴底樁而言,當頂部荷載Q=3 500 kN時 Q—s曲線發生突變;等直徑直樁在頂部荷載 Q=2 800 kN時發生突變,承載力提高23%。由圖4可知,直樁的Q—s曲線始終處于擴底樁的下方,且偏離較大,可以說明擴底樁提供的承載力大于普通等直徑直樁。

2.3 擴大角度影響

為研究擴底樁在受拉情況下的受力特性,采用有限元計算了幾種擴底樁的受力情況。計算結果如表1所示,圖5是表1計算結果的曲線圖。

表1 不同擴底角度計算結果匯總表

從表1中可見,隨著擴大角度增加,在相同作用荷載條件下,應力擴散后的樁端變形逐漸減少。同時,在擴大角達到一定程度后,變形減少,趨勢變緩。從圖5中可見,在擴底6°以后與不擴底相比,樁端變形減少了超過1/2;而在超過 10°以后,角度擴大對控制樁端沉降效果已經變得不顯著,也就是說在超過12°后再通過增加擴底角度來控制變形則無明顯經濟技術效益。因此對于擴底抗拔樁而言,比較合理的擴底角度應在 6°～12°。

3 擴底抗拔樁承載特性淺析

1)與等截面樁相比,抗拔鉆孔灌注樁采用擴底工藝后,其單樁抗拔承載力可提高1.5倍以上,而擴底所耗的材料則是增加5%左右樁身混凝土,故其經濟技術效益明顯。2)與等截面樁相比,擴底抗拔樁的 Q—s曲線平緩,且在破壞荷載時拐點不明顯,有些類似于樁端土較硬的抗壓樁的 Q—s曲線,說明擴底樁后勁較足。3)樁頂與樁端位移的發展規律從樁身變形角度反映其工作特性。當樁端變形增量小于樁頂變形增量時,整個樁身不斷被拉長,樁頂荷載沿樁身向下傳遞,當樁頂與樁端的變形增量相同時,樁長不再變化,表明在當時荷載下,樁體處于剛度位移狀態,樁的抗拔力開始進入極限。擴底樁由于土體“卡”住了擴大頭,以土體壓縮的形式限制了樁端的上拔變形,在相同樁頂荷載下,樁端變形較小,且要等到比等截面樁大得多的樁頂荷載時才開始出現樁頂與樁端的同步位移,擴底作用相當明顯。4)由樁頂與樁端位移發展規律,可以明顯看到由于擴大頭周圍土體對擴大頭的嵌固作用,使樁身不斷被拉長,在破壞狀態時,擴底樁的樁身伸長率大于等截面樁,樁身伸長率的提高,表征擴底樁具有足夠韌性的指標。5)在破壞狀態下卸荷時,擴底樁的回彈率遠小于等截面樁,在破壞狀態時,擴底抗拔樁的上拔位移大,回彈率小,但這并不表明在工作狀態時也有相同的規律,由于工作狀態下擴底樁的剛度大于等截面樁的特性,可初步判斷:對于相同的荷載,擴底樁的回彈率應大于等截面樁。

4 擴底抗拔樁工程案例

以下列舉上海某廣場地下車庫的抗拔樁,采用擴底抗拔鉆孔灌注樁作為案例,將擴底抗拔樁與常規直樁的承載能力進行比較。

場地地層分布情況見表2。

表2 地層特性表

本工程抗拔樁共有三種抗拔樁型,其中Ⅰ,Ⅱ為擴底樁,Ⅲ為等截面樁。原設計Ⅲ型等截面樁樁徑為600,樁長約60 m,后部分采用Ⅰ,Ⅱ型樁,樁身不變,樁端擴至1 200,擴大頭長1,樁長縮短(見表3)。

表3 抗拔樁樁型

根據前述圓柱面剪切法計算得到擴底樁極限承載力約為3 300 kN～3 500 kN,與相同長度的φ 850的等截面樁或55 mφ 600的等截面樁的計算單樁承載力相近,經試樁其極限承載力不小于3 400 kN,說明采用擴底樁具有較高的經濟性,而且可以避免由于等截面超長樁的施工質量問題。

5 結語

本文對目前擴底抗拔樁受荷機理研究進行了整理分析,并采用有限元模擬的方式對擴底抗拔樁的承載特性進行進一步研究,初步推斷了擴底抗拔樁的幾點承載特性,得出該種樁型在受荷變形的工程特點更優于傳統等截面抗拔樁。

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