姜 娟

0 引言

地下空間的開發(fā)與利用已成為21世紀城市立體空間開發(fā)的主旋律之一。許多大城市已將地下空間的開發(fā)與利用納入了城市整體規(guī)劃,在諸如地下車庫、地下商業(yè)街、地下廣場、地下道路交通等地下工程的建設(shè)中,由于結(jié)構(gòu)自重較輕,致使基礎(chǔ)抗拔問題更加突出,通過擴底實現(xiàn)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(tài)分析

等截面樁的破壞形態(tài)大致可分為四大基本類型:1)沿樁土側(cè)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(fù)合剪切面破壞形式:即樁的下部沿樁土側(cè)壁界面剪破,而上部的局部深度內(nèi)土體中形成斜向裂面,其上部倒錐土體與樁體粘結(jié)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(yīng)的上拔位移很大,其位移的大小隨土層性質(zhì)、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(nèi)產(chǎn)生各種形狀的剪切破壞面,這種基礎(chǔ)的破壞形態(tài)較為復(fù)雜,與基礎(chǔ)埋深、擴大頭形狀、土層性質(zhì)密切相關(guān)?；镜钠茐男问揭妶D1。當樁基礎(chǔ)埋深不是很大時,雖然樁側(cè)面滑移出現(xiàn)得較早,但當擴大頭上移導(dǎo)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(fù)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(xiàn)倒錐形剪切面,其后的變形發(fā)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(dǎo)致有限元計算的接觸應(yīng)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(jié)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(guān)流動法則。采用剛?cè)峤佑|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(shù)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(tài),另一方面可以選擇任意求解器,計算結(jié)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?？梢钥闯?兩種樁型Q—s曲線均出現(xiàn)拐點,兩種情況樁底地基土均在轉(zhuǎn)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(fā)生突變;等直徑直樁在頂部荷載 Q=2 800 kN時發(fā)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(jié)果如表1所示,圖5是表1計算結(jié)果的曲線圖。

表1 不同擴底角度計算結(jié)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(yīng)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(jīng)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(jīng)濟技術(shù)效益。因此對于擴底抗拔樁而言,比較合理的擴底角度應(yīng)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(jīng)濟技術(shù)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(fā)展規(guī)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(tài),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(xiàn)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(fā)展規(guī)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(tài)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(tài)下卸荷時,擴底樁的回彈率遠小于等截面樁,在破壞狀態(tài)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(tài)時也有相同的規(guī)律,由于工作狀態(tài)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(yīng)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(guī)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(shè)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(jù)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(jīng)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(jīng)濟性,而且可以避免由于等截面超長樁的施工質(zhì)量問題。

5 結(jié)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(yōu)于傳統(tǒng)等截面抗拔樁。

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[2] 劉金勵.樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

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