软土地基抗拔桩极限抗拔力影响因素分析第年12华东交通大学。26No。6Dee。,2009文章编号:1005—0523(2009)06—0026—05软土地基抗拔桩极限抗拔力影响因素分析(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海)摘要:抗拔桩的极限抗拔力是软土地基中抗拔桩设计的重要参数,为研究和分析抗拔桩极限抗拔力的影响因素,在国内外相关研究分析的基础上,结合上海火车南站抗拔桩静载试验实测数据,并通过有限元软件进行数值分析,研究了桩体弹性模量,桩长,桩径种因素对抗拔桩极限抗拔力的影响。结果表明,桩体弹性模量对抗拔桩的极限抗拔力影响不大。而桩长,桩径的增加均能明显提高抗拔桩的极限抗拔力。关键词:抗拔桩;极限抗拔力;;有限元中图分类号:TU473。文献标识码:A抗拔桩作为抗拔基础的一种重要形式,已大量用于超高层建筑物,极限抗拔力其设计的重要参数。目前,抗拨桩极限抗拔力的设计多运用经验公式,借鉴抗压桩的设计方法,以桩的抗压侧摩阻力值导人一个经验折减系数后作为抗拔桩侧摩阻力值[4-5]以估算抗拔力,该方法一般用于安全等级低的工程,不能准确反映抗拔桩的极限抗拔力。

国内外对抗拔桩的研究多来自砂土中模型试验,而对于软土地区抗拔桩的极限承载力研究比较少。[]通过系统研究发现砂土中等截面抗拔桩主要破坏形态为沿着桩一土界面发生圆柱形剪切破坏;,Rao等[7j在砂土中做了大量抗拔桩试验,总结得出抗拔桩的极限承载力与土的密度,桩身材料,桩的类型,施工工艺等[]有关。本文基于上海南站抗拔桩静载试验结果,结合数值模拟方法,分析了在软土地基中桩体弹性模量,桩长,桩径对抗拔桩极限抗拔力的影响,以供软土地区抗拔力设计时作为参考。抗拔桩承载机理分析抗拔桩的抗拔与承压桩的抗压机理不同[9,10j,前者是利用桩身自重及桩周土体桩顶施加竖向拉力时,桩身受到拉伸作用而相对土体产生向上位移的趋势,于是桩与土的接触面上产生向下的摩阻力,随着上拔荷载的增加,桩土接触面的摩阻力也逐渐增加。当荷载到达一定水平,桩与土的接触面或者桩周土体内破裂面便发生破坏,桩的抗拔力发挥到极限,此后逐渐下降。实际工程中抗拔桩的极限抗拔力远小于抗压桩的极限抗压力。规范中规定,抗拔桩的极限抗拔力由抗压桩的极限抗压力乘以折减系数来确定。本文运用杭州中山花园抗拔桩与承压桩试桩试验结果,对比分析抗拔桩与抗压桩承载特性的区别。

根据中山花园抗拔桩和承压桩的静载试验分别为44。5m和44。0m,桩径都为900—nm。图为文献[11]原始试验结果,由于曲线的拐点不明显,为了更好地分析极限抗拔力抗拔桩与抗压桩的区别,对结果做了对数处理,结果如图2可以看出,位于同一场地,尺寸相近的抗拔桩和承压桩的承载特性差异很大。(1)相同尺寸的抗拔桩与抗压桩相比,抗压桩的极限抗压力远大于抗拔桩极限抗拔可知抗拔桩的极限抗拔力约为,抗压桩的极限抗压力约为。这主要是由于抗压桩的极限承载力由侧摩阻力和桩端阻力组成,大量现场试验测得桩端阻力可以占据极限承载力的一定比例,而抗拔桩的极限抗拔力主要由侧摩阻力提供。(2)无论是等截面抗压桩还是等截面抗拔桩,从图可以看出,在荷载较小时,Q—s曲线都近似为一直线,说明当桩顶荷载较小时,桩土无相对位移,主要是桩身受力变形,而桩身的初期变形属于弹性变形。收稿日期:2009—09—20作者简介:陈娟(1985一),女,湖北荆门人,硕士研究生,研究方向为铁道工程。期陈娟:软土地基抗拔桩极限抗拔力影响因素分析随着荷载的增加,桩体的向上位移促使桩周土也产生向上的位移,土体出现非线性变形。对于等截面抗压桩,在荷载超过时,才呈现明显的非线性;而对于等截面抗拔桩,当荷载超过时,就呈现明显的非线性。

桩顶位移s/桩顶位移S/mm中th~liiQ—S曲线对比[I1]图2中山花园lgq—S曲线对比由以上分析可知,抗拔桩与抗压桩的荷载方向不同,造成两者的极限承载力不同。力与桩体的性质,几何参数及桩周土性质有关。在实际工程中,除桩体参数及桩周土性质外,成桩工艺及成桩后的应力改变对抗拔桩极限抗拔力也有影响。有限元模型的建立及验证2。1计算模型抗拔桩施工过程较复杂,对抗拔桩的抗拔力进行模拟,做了如下假设:(1)桩身假设为线弹性体,土假定为理想弹塑性体,且采用Mohr-屈服准则;(2)桩土体系被看作是以桩垂直中心线任意平面为对称轴的轴对称问题;(3)假定在工作荷载下,桩土接触面不分离,也就是处于接触且滑动状态;(4)桩侧和桩底土体的物理力学性质不随桩的设置而改变。有限元计算模型简图如图3所示,桩径0。75m,桩长50m,桩基下面的土层深取150m,模型径向范围为50m。模型中土体采用CAX4R单元,桩体采用CAX8R单元模拟。边界约束:模型的底部径向和竖向位移均约束,模型的外侧的径向位移约束。2。2桩土接触面在模拟桩土相互作用过程中,多引入接触面单元,。

它是有限元计算中模拟接触面变形的一种特殊单元。采用接触面单元需要确定哪些点的位移连续,不能准确模拟实际过程,利用中的主一从接触面可以解决该问题。软件中,采用单纯的主一从接触算法,把桩土相互接触的一对表面定为接触对。根据接触算法将桩表面定为主接触面,土表面定为从属接触面。桩土接触面模型采用经典的库伦摩擦模型,并用来表征两个接触面的摩擦行为。当等效摩擦力达到临界应力tcrit时,接触面就会发生相对滑移。t由下列公式确定tt=min(,一)28华东交通大学2009式中,为摩擦系数;P为两接触面的接触压力;￡一为中由用户指定的摩擦力。2。3模型验证采用上海南站南广场基坑工程抗拔桩静载试验成果进行模型验证。该工程地层为软土,土体强度低,含水量高,地下潜水位在地表下0。5m左右,地下结构受到浮力大,而～【:覆荷载较小,仅靠结构自重以及结构与土体的侧摩阻力无法满足抗浮的要求,必须在坑底设置抗拔桩。由于工程需要,现场进行了A,B,cl三种桩本文选用Cl型桩两根试桩抗拔试验与有限元计算结果进行对比分析,有限元模型如图4,土层参数见表1所示。有限元网格图桩土界面之问的摩擦角是影响抗拔桩承载性能的关键因素,根据提出的用以下公式计算桩土问的摩擦角3o=tan一(/(1+sin2))J式中,为土体的内摩擦角星现场抗拔桩静载试验Q—S曲线与有限元计算结"果对比如图5所示,曲线表明两者吻合较好,计算中取15用的桩土接触面参数,有限元网格划分比较合理,能够毫lo较好地模拟抗拔桩的试桩过程。

辑抗拔桩极限抗拔力影响因素分析。本文主要分析抗拔桩桩体弹性模量,桩长,桩径这个方面对其极限抗拔力的影响。为了保证其它条件相同,揭示3 种参数对抗拔桩极限抗拔力的影响,对土 桩顶荷载。/l(N 数值模拟结果与试验结果对比层进行简化,统一取上海南站具有代表性意义的第层土的参数,桩土摩擦系数统 一取0。3。 3。1 桩体弹性模量影晌分析 30m桩顶作用 抗拔桩弹性模量分别取20GPa,30GPa,40GPa 计算得出 曲线如图6所示。 计算结果表明: (1)在不同的桩体模量 曲线中,随着桩顶作用荷载的增加,桩顶的上拔量也增加。桩体弹模为 20GPa,25GPa,30GPa 曲线的极限荷载为634kN,695kN,,对应的上拔量分别为28。, 26。 和25。。即当桩体模量分别提高25%,50%时,抗拔桩的极限抗拔力分 别增加9。62%, 期陈娟:软土地基抗拔桩极限抗拔力影响因素分析2911。99%,对应的桩顶上拔量分别降低7。90%抗拔桩与抗压桩的区别,8。94%。 (2)由分析可知,当抗拔桩达到一定强度后,增加桩体的模量,抗拔桩的极限抗拔力 相应地增加,但增 加的幅度较小,可以近似地认为桩体模量的增加对抗拔桩极限抗拔力影响不大。

因 为桩体达到一定强度 后,桩身变形减少,桩整体出现较大的上拔位移,当桩土相对位移到达一定限值后, 土体发生塑性破坏。因 此再增加桩体的强度对极限抗拔力影响不大。 3。2 桩体长度影响分析 桩体弹模取 30GPa,桩长分别取 30m,40m,50m,60m,70m 计算得到的 所示。12o lOO 80 }睾《6o4o 2O oo桩顶荷载。/kN 不同桩体模量q—s对比曲线 7ooo 不同桩长q—s对比曲线 计算结果表明: (1)随着桩长的增加,Q—S 曲线逐渐由陡降型变成缓变型。抗拔桩的桩长分别为 30m,40m,50m 曲线的极限抗拔力分别为,,,对应的桩顶上拔量分 别为27。, 52。14mln 74。。当桩长分别增加33。33%,66。67%时,抗拔桩的极限抗拔力分 别增加103。69%, 286。73%,对应的桩顶的上拔量分别增加 91。06%和 172。44%。然而当桩长继续增加, 极限抗拔力增加的 效果不明显。 (2)可以得出,桩体的长度增加,抗拔桩的极限抗拔力和桩顶的上拔量都明显增加, 然而当桩长继续 增加到一定程度后,极限抗拔力增加得缓慢。

因为侧摩阻力承担的抗拔力通过桩身 逐渐向下传递到桩身 下部土体,且桩与土的相对位移也由桩顶传递到桩尖。即由于长桩上部和下部侧摩 阻力的异步性,在桩身 中部桩土之间的摩阻力达到土的抗剪强度发生破坏。因此当桩长达到一定值后,对 提高极限抗拔力没有 意义。 3。3 桩径影响分析 桩长取40m,桩体弹模取30GPa 时,桩径分别取0。8m,1。0m,1。2m,1。4m,1。6 叽计算得 曲线,每条曲线都有明显的拐点,可以直接得到在不同条件下的抗拔桩极限抗拔力,曲线如图8 所示。 计算结果表明:j (1)桩径为0。8m,1。0m,1。2m,1。4m,1。6m时, 曲线的极限抗拔力分别为,,餐,,,因此当桩径增加25%,謦 50%,75%,100%时,抗拔桩的极限抗拔力分别增加 27。58%,60。08%,122。00%,163。32%。 可知,随着桩径的增加,同一荷载水平下桩顶的上拔量逐渐减少。因此,增大桩径能提高抗 拔桩的极限抗拔力也能减少桩顶的上拔量,主要由于 桩径变大桩土接触面面积增大,需要克服的侧摩阻力 桩顶荷载。

/I【N 不同桩径q—s对比曲线 30华东交通大学2O09 也增加。但是增加桩径所需的材料明显增加且施工难度也增加,工程中较不经济。(3)抗拔桩设计时,应结合桩长和桩径,采用优化方案设计,选择合适的桩长和桩径 来提高抗拔桩的 结论本文运用 有限元软件分析抗拔桩桩体弹性模量,桩长,桩径 种因素对软土地基中抗拔桩极 限抗拔力的影响,得出以下结论: (1)桩体的弹性模量对抗拔桩的极限抗拔力影响不大,但是可以适当提高桩体弹性 模量来控制抗拔 桩的变形量。 (2)桩长增加 33%,67%时,抗拔桩的极限抗拔力分别增加 104%,287%。桩体长度的 增加能明显的 提高抗拔桩的极限抗拔力,但当桩长继续增加到一定程度后,并不能继续提高极限 (3)桩径增加也可以提高抗拔桩的极限抗拔力,当桩径增加25%,50%,75%,100%时, 抗拔桩的极限 抗拔力分别增加 27。58%,60。08%,122。00%,163。32%。但是增加桩径,所需的材料明 显增加且施工难度 也增加,工程中较不经济。 参考文献: [1]刘祖德。抗拔桩基础[J]。地基处理,1995,6(4):l [2]黄茂松,任青,王卫东,陈峥。

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Bas , out ctors。 , , 。 :;ity;;(责任编辑:王建

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