擴底樁構造對其抗拔承載力影響分析

于海濤 徐強勝

（1.吉林化工學院 吉林省吉林市 132022 2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院 遼寧沈陽 110015）

引言

掏挖擴底樁作為抗拔樁基礎的一種主要形式，已廣泛地應用在各種工程結構的基礎中。相比平坡上的基礎，位于斜坡或陡坡地段的掏挖擴底樁基礎表現出一些不同于平地基礎的特點。因此研究斜坡地形中影響擴底樁承載的因素顯得尤為重要，對于降低工程造價、節約工程成本、保護環境等諸多方面都具有重要的現實意義。

1 有限元模型的建立

以大型通用有限元軟件ANSYS12.0為工具，采用軸對稱方法進行模擬，由于ANSYS規定以Y軸為對稱軸，在建立有限元模型時，豎向（樁身軸向）為Y軸，水平向為X軸。樁、土均采用二維八節點的實體單元（solid45）模擬；土體為DP材料；樁與土體界面處設置接觸單元CONTAC173和TARGE170來模擬樁-土之間的滑動和開裂，選用庫侖摩擦類型。

樁的徑向取8～10倍樁徑，樁底下取2～3倍樁長；本文的計算區域徑向取9倍樁徑，樁底取2.5倍樁長；在該區域底部與外側邊界全約束，軸對稱處僅約束X向位移。

2 擴底樁構造對其抗拔承載力的影響

2.1 樁長H的影響

分別對樁長H=4m、8.5m、l5m、20m、25m。保持樁的其他尺寸不變，分別對對應于上述不同樁的各工況進行三維有限元計算，獲得Q-S曲線如圖1所示。另外，將各種樁長下樁的極限抗拔承載力值繪于圖2。

分析圖1和圖2可以發現：從整體上看，樁的抗拔承載力隨著樁長H的增加而增加。樁的抗拔承載力增加的原因是顯而易見的。一方面，樁長的增加導致樁結構本身自重的增加，這需要更大上拔力才能將其破壞；另一方面，樁長的增加也增加了樁土的接觸面，增加了樁側摩阻力，因此這也需要更大上拔力才能將其破壞。另外，從上面兩圖還可以發現，當樁長增大時，樁的極限抗拔承載力增加在H小于10m是時較緩，接著變化較快，當H大于20m又變緩，但仍然有較大幅度的增加。這一點與平坡平坡地形擴底樁隨樁長的變化規律不同。

圖1 不同樁長下的Q-S曲線

圖2 不同樁長的極限荷載

2.2 擴大頭直徑D的影響

掏挖擴底樁的擴大端是影響其抗拔承載力的一個重要因素。以斜坡地形上平頭擴底樁為例，樁長H=5m，樁徑d=1.2m。分別取D/d=1.25、1.67、2.08、2.5、2.91，即 D=1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m 等五種工況。保持樁的其他尺寸不變，樁與土的材料不變的情況下，分別對對應于上述不同樁的各工況進行三維有限元計算，得到Q-S曲線如圖3所示。另外，將各種擴大頭直徑D下樁的極限抗拔承載力值繪于圖4。

從圖3和圖4可以看出，隨著樁徑D的增大，擴底樁的抗拔承載力有較為顯著的提高。當D/d小于3時，擴底樁的抗拔承載力隨樁徑比D/d的變化基本上呈線性變化。

圖3 不同擴底直徑下的Q-S曲線

圖4 上拔承載力隨樁徑比的變化曲線

2.3 擴大頭平底高h2的影響

掏挖擴底樁的擴大端是影響其抗拔承載力的一個重要因素。以斜坡地形上平頭擴底樁為例，樁長H=5m，樁徑d=1.2m，擴大頭直徑D=2.5m。分別取h2=0.2m，0.3m，0.4m，0.5m等四種工況。保持樁的其他尺寸不變，分別對對應于上述不同樁的各工況進行三維有限元計算，得到Q-S曲線如圖5所示。另外，將各種擴大頭直徑D下樁的極限抗拔承載力值繪于圖6。

圖5 不同平底高度的Q-S曲線

圖6 承載力隨h2的變化曲線

從圖5和圖6可知，隨著h2的增加，擴底樁的抗拔承載力有所增加，究其原因是h2的增大增加了樁側與土的接觸面積，增加了樁側摩阻力。另一方面，h2的增大也可以增加樁的自重。如圖6所示，雖然隨著h2的增加，擴底樁的抗拔承載力一直增加，亦即擴底樁端部設計有一定的底高h2從而提高其豎向承載力是可行的，但從整體上來看，通過增加h2增加擴底樁的抗拔承載力是有限的。因此，通過擴底樁端部設計有一定的底高提高其豎向承載力必須同時考慮到施工條件，增加混凝土用量和承載力提高的幅度等因素。

3 結論

（1）樁的抗拔承載力隨著樁長H的增加而增加，在10～20m之間，變化較快。

（2）隨著樁徑D的增大，擴底樁的抗拔承載力有較為顯著的提高。

（3）隨著擴大頭平底高h2的增加，擴底樁的抗拔承載力有所增加，但從整體上來看，通過增加h2增加擴底樁的抗拔承載力是有限的。