基巖中樹根樁抗拔性能數值模擬研究★

陳能遠 李 陽

(1.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054; 2.長安大學，陜西 西安 710000)

0 引言

樹根樁是一種樹根狀分布的微型鉆孔灌注樁，通常樁體直徑小于350 mm。具有布置靈活、鉆孔小、施工機械小型化和經濟環保等優勢[1]。樹根樁主要用于基礎托換、地下工程和邊坡工程的加固、軟土地基加固等，其設計理論和施工技術逐漸趨于成熟[2]。國外Poulos[3]認為對于粘土中的等截面樁，其抗拔力由沿樁身的粘聚力和樁重組成。Sowa[4]指出，摩阻力在數值上趨向于抗拔樁低于抗壓樁，在缺乏其他資料的情況下，推薦按受下壓載荷時樁側阻力的2/3來計算上拔時樁身阻力。

國內在樹根樁上的研究主要借鑒國外技術，且多以試驗分析為主，對土體與樹根樁相互作用研究較少，本文基于數值模擬技術，對爆破作用下的樹根樁抗拔性能進行研究。

1 工程概況

為分析爆炸作用下樹根樁抗拔性能，試驗選取了烏魯木齊戈壁某爆炸試驗場。研究區屬風成戈壁地貌單元，地層結構自上而下依次為：0 m～0.5 m的風積表土，0.5 m～3.0 m的強風化礫巖，3.0 m～9.5 m的強風化砂巖，9.5 m以下為中風化砂礫巖，見圖1。根據場地地質條件進行了巖土工程勘探取樣，通過室內土工試驗獲取相關物理力學參數。

研究區地層以強風化～中風化砂、礫巖為主，根據爆破試驗場設計要求，結合巖土物理力學指標性能，現做如下樹根樁抗拔試驗設計。初步設計擬采用45°傾斜鋼管錨固樁(微型樁)抗拔，管徑219 mm，成樁直徑300 mm，單樁豎向抗拔力特征值取2 500 kN，見圖2。

基于巖土規范，分別對樁體沿徑向極限抗拔力、按被動土壓力以及按上覆土體抗剪強度對樹根樁設計參數進行了驗算。盡管理論設計能夠滿足承載力要求，但樹根樁、樁間土的應力—應變本構關系難以量化，因此本文擬采用Midas GTS/NX數值模擬軟件對基巖中樹根樁抗拔性能進行分析。

2 試驗方法

參照樹根樁抗拔試驗設計參數，建立了1∶1數值模型，考慮到邊界效應，根據圣維南原理，將地層尺寸設置為結構尺寸的3倍大小。在長期地質作用下，地層物理力學性質復雜多變，為便于計算，現假設各巖土體土質均勻、各向同性，土體顆粒為連續介質，顆粒間接觸良好。結合地勘試驗結果，計算選用的各材料物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

名稱E/MPaμc/kPaφ/(°)表土180.286027礫巖1.2×10-40.2220033砂巖5.4×10-40.2050031砂礫巖9.8×10-40.181 00028混凝土30×10-40.243 00025鋼管200×10-40.3——

3 結果分析

根據設計參數，樹根樁沿基礎軸線對稱布置，每根樹根樁豎向抗拔特征值取2 500 kN，故在基礎頂部施加5 000 kN的豎直向上的荷載。通過模擬計算，本文將從樹根樁地基變形規律、應力、應變等重要參數方面進行理論分析。

3.1 樹根樁地基變形規律

模擬計算分兩步驟進行，先將基礎埋置地基中，計算完畢后位移清零，再在基礎頂部施加5 000 kN的豎直向上荷載。經計算，樹根樁地基變形如圖3所示。由基礎向地層深部及兩側發散，位移滿足由大變小的規律，最大位移量約2 mm。樹根樁為全長錨固，地基主要變形發生在樹根樁中部以上深度范圍內。

3.2 土體應力與應變分析

由圖4樹根樁地基應力云圖可知，隨著豎向荷載的施加，樹根樁基礎及周邊土體出現了應力集中現象，受基巖物理力學性質影響，應力集中區主要位于強風化礫巖與強風化砂礫巖中，中風化砂礫巖相對較小。樹根樁的應力集中區約為樹根樁樁徑的5倍，由此可以判斷，樹根樁與土體形成的錨固體有效半徑約為樹根樁樁徑的5倍。

基礎頂部施加豎向荷載后，基礎放大腳兩側及基礎底部明顯出現了應變集中現象(見圖5)，這與外部荷載的拖拽作用有關。值得說明的是，由于數值模擬進行了連續介質假設，導致基礎底部應變集中區較大，實際過程中基礎底部與地基土之間的接觸面粘聚力較小，因此該集中區范圍應變相應較小，且主要集中在樹根樁兩側。

3.3 樹根樁鋼管應變分析

樹根樁中的鋼管材料最接近各向同性、連續介質假設，因此選取了鋼管作為樹根樁抗拔性能研究對象。為了便于分析，分別沿鋼管上部和下部布設了兩條應變測線，通過數據提取，得到了如圖6所示的鋼管應變曲線圖。圖6中，橫坐標表示測點到鋼管與基礎面交匯點的距離，其中負數(<0)部分代表鋼管埋置基礎內部分，縱坐標為鋼管應變值。

從圖6可知，距交匯點-1.1 m～6.0 m范圍內應變差異明顯。基礎可近似看作固定支座，在基礎與鋼管交匯點附近，而非接觸點，鋼管的應變達到了峰值，并沿著鋼管兩端頭逐漸減小，應變主要集中在鋼管2/3～3/4范圍內，說明樹根樁的有效支護深度為樁長的2/3～3/4范圍。

4 結語

利用Midas GTS/NX軟件，對基巖中樹根樁的抗拔性能進行了數值模擬，通過分析得到以下結論：

1)由基礎向地層深部及兩側發散，位移滿足由大到小變化規律。樹根樁為全長錨固，地基主要變形發生在樹根樁中部以上深度范圍內。2)樹根樁與土體形成的錨固體有效半徑約為樹根樁樁徑的5倍。3)基礎頂部施加豎向荷載后，基礎放大腳兩側及基礎底部明顯出現了應變集中現象。4)樹根樁與基礎交匯點附近應變達到最大，向樁端兩側逐漸減小。樹根樁的有效支護深度為樁長的2/3～3/4范圍。