擴底樁材料參數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）

目前對擴底抗拔樁的理論研究遠遠滯后于工程發展的需要，對擴底抗拔樁的理論研究還不深入。本文采用數值模擬方法，根據現有的一些試驗數據及工程實測資料，建立了合理的三維有限元計算模型，綜合考慮了樁-土之間相互作用、土體初始應力與彈塑性等各種復雜因素，模擬了擴底樁的上拔過程。分析了材料參數對抗拔承載力的影響。

1 有限元模型的建立

以有限元軟件ANSYS12.0為工具，采用軸對稱方法進行模擬。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。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 擴底樁上拔行力的模擬

①初始地應力場的模擬：樁、土區域均使用土體參數、樁-土界面設置接觸單元，通過對有限元模型施加重力場來模擬天然土體的初始應力。②成樁狀態的模擬：樁、土區域使用各自參數、樁-土界面設置接觸單元，用EKILL命令殺死接觸單元，再利用EALIVE命令激活被殺死的單元，然后施加自重模擬成樁過程中產生的位移場。③上拔過程模擬：用EKILL命令殺死接觸單元，再利用EALIVE命令激活被殺死的單元，然后施加自重及上拔荷載求解樁頂位移，求得的樁頂位移減去第二步中成樁所產生的樁頂位移，便得到上拔荷載下的樁頂位移。

3 材料參數對抗拔承載力的影響

3.1 擴底樁彈性模量的影響

以斜坡地形上平頭擴底樁為基礎，取樁長H=5m，d=1.2m，D=2.5m。擴底樁彈性模量按EP=10GPa、30GPa、100GPa分成三種工況，樁的形狀和結構尺寸不變，其他材料參數不變。分別對對應于上述不同工況的擴底樁進行三維有限元分析，得到Q-S曲線如圖1所示。

根據圖1知，樁的上拔承載力隨著樁體的彈性模量的增加而增大，但幅度很小，基本可以忽略不計。這是因為土體先因整體失穩而破壞；土體發生破壞時，樁身遠未達到強度極限強度。以斜坡地形上平頭擴底樁為基礎，取樁長H=5m，d=1.2m，D=2.5m。土體彈性模量按ES=60MPa、120MPa、150MPa分成三種工況，樁的形狀和結構尺寸不變，樁和土的其他材料參數不變。對不同工況的擴底樁進行三維有限元分析，得到Q-S曲線如圖2所示。

圖1 不同樁體彈性模量的荷載-位移曲線

圖2 不同土彈性模量下的Q-S曲線

從圖像中可以看出土彈性模量越大，樁的抗拔承載力也越大。

3.2 土體粘聚力和內摩擦角的影響

以斜坡地形上平頭擴底樁為基礎，取樁長H=5m，d=1.2m，D=2.5m。土體粘聚力按c=20kPa、30kPa、40kPa、50kPa分成四種工況，保持樁的形狀和結構尺寸不變，樁與土的材料參數不變。分別對對應于上述不同工況的擴底樁進行三維有限元分析，得到Q-S曲線如圖3所示。另外，將上述不同土體粘聚力下樁的極限抗拔承載力值繪于圖4。

圖3 不同土粘聚力的Q-S曲線

圖4 承載力隨土粘聚力的變化曲線

從圖3和圖4可以看出，隨著土體的粘聚力的增加，擴底樁的抗拔承載力也增加。并且擴底樁的抗拔承載力隨粘聚力的增大幾乎呈線性增大。

以斜坡地形上平頭擴底樁為基礎，取樁長H=5m，d=1.2m，D=2.5m。土體內摩擦角按 φ=9°、18°、27°、36°分成四種工況，保持樁的形狀和結構尺寸不變，樁與土的材料參數不變。分別對對應于上述不同工況的擴底樁進行三維有限元分析，得到Q-S曲線如圖5所示。另外，將上述不同土體內摩擦角下樁的極限抗拔承載力值繪于圖6。

圖5 不同土內摩擦角的Q-S曲線

圖6 承載力隨土內摩擦角的變化曲線

從圖5和圖6可以看出，隨著土體的內摩擦角的增加，擴底樁的抗拔承載力增加。并且擴底樁的抗拔承載力隨內摩擦角的增大幾乎呈線性增大。

這兩方面的原因也是顯而易見的。土體的粘聚力和內摩擦角是構成土體強度的重要因素。土體粘聚力和內摩擦角的增大，意味著土體強度越大。因此，樁的極限承載力也就隨之增大。

4 結論

①斜坡地形中，土彈性模量越大，擴底樁的抗拔承載力也越大。②斜坡地形中，土體的粘聚力和內摩擦角是構成土體強度的重要因素。土體粘聚力和內摩擦角的增大，意味著土體強度越大。因此，樁的極限承載力也就隨之增大。