孫金磊

(1.河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

等截面抗拔樁力學特性以及對支護結構影響規(guī)律研究

孫金磊1,2

(1.河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

通過模擬等截面單樁抗拔的上拔過程,選擇了合理的彈塑性接觸面模型,得到Q-S曲線、側(cè)摩阻力以及樁身軸力規(guī)律,并在此基礎上結合實際工程開挖施工過程,在既有的現(xiàn)場測量地質(zhì)詳勘資料的基礎上,建立隧道基坑開挖的三維地質(zhì)模型 ,并通過有限單元三維數(shù)值模擬方法模擬隧道動態(tài)開挖全過程,研究了在復雜地質(zhì)條件下的明挖淺埋隧道抗拔樁在施工過程中的作用,總結了開挖過程中抗拔樁的側(cè)摩阻力和軸力等力學行為特征、變化趨勢,得出了抗拔樁不但能很好的控制連續(xù)墻的變形,而且也能有效的降低底板的隆起。

等截面抗拔樁;力學特性 ;合理支護;影響規(guī)律

0 前 言

國內(nèi)外關于抗拔樁在抗浮設計方面的研究文獻資料并不是很多,我國對一級建筑物的單樁抗拔承載力標準值是通過現(xiàn)場單樁上拔靜荷載試驗確定,對二、三級建筑物的抗拔樁側(cè)摩阻力一般以抗壓樁的側(cè)摩阻力乘以經(jīng)驗折減系數(shù)[1]。Tomlinson在1957年,Vesic在1970年分別提出抗拔樁側(cè)摩擦力與抗壓樁側(cè)摩擦力是相等的。經(jīng)過眾多學者的研究[2-3],人們已經(jīng)認識到兩者是不同的,但是由于對抗拔樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮缺乏充足的認識,只好套用抗壓樁的研究成果,即抗壓側(cè)摩阻力乘以折減系數(shù)來表示抗拔樁側(cè)摩阻力。而后,Kulhawy在1979年通過試驗對三種抗拔樁可能破壞形式進行了研究,提出抗拔樁承載力計算公式;1996年,徐和、陳竹昌進行了抗拔樁模型試驗,對以前工作者提出的公式進行了一定的改進;2002年張尚根等采用Cooke提出的摩擦樁荷載物理模型,推導出抗拔樁的荷載與位移關系的理論解;L.C.Reese通過試驗表明:堅硬粘土內(nèi)鉆孔樁的側(cè)阻力在相對位移為0.5%～2%時達到其峰值;美國KulhawyF.H教授所領導的研究小組曾研究表明:等截面樁的主要破壞形態(tài)是沿著樁土側(cè)壁界面上發(fā)生的圓柱形剪切破壞,一般使側(cè)阻力達到最大值所需要的樁土相對位移不超過13 mm。

根據(jù)工程勘察結果,整個隧道施工范圍內(nèi)土層主要為淤泥層、粉質(zhì)粘土層、砂土層、砂、礫質(zhì)黏土層,下臥巖層,且海域段水位受潮汐變化的影響較多,沿線地下水位普遍偏高,結構受地下水影響明顯(見表1)。因此,隧道整體的抗浮穩(wěn)定性問題尤為突出。根據(jù)海域敞開段的地質(zhì)條件,地基處理方案為滿堂加固,由于條件的限制,抗浮設計只能采用抗拔樁的設計方案。因此,對于拱北隧道海域段的特殊環(huán)境地質(zhì)條件,通過三維有限元數(shù)值模擬方法來分析復雜地質(zhì)條件以及高水位下抗拔樁的力學規(guī)律,以及對基坑的支護結構的影響成為關注的核心問題。

表1 土體參數(shù)表

本文擬通過三維有限元的數(shù)值模擬仿真技術,在研究等截面抗拔樁的單樁發(fā)揮作用的力學特性基礎上[4-5],結合實際工程,研究了隧道從開挖到施工結束過程中的抗拔樁力學行為特性的變化規(guī)律,總結了施工過程中抗拔樁的作用,具體分析研究了抗拔樁的力學行為特征以及抗拔樁在不同的施工階段的工作狀態(tài),得出隧道抗浮設計的數(shù)值計算效果。

1 接觸模型

建立如圖1所示的平面模型,模型高100 m,寬50 m,樁直徑D=0.45 m,樁長L=27 m。樁假設為彈性,土體采用彈塑性本構模型。樁側(cè)、樁底與周圍的土均建立非線性接觸;模型的底面和兩旁采用法向約束,頂面自由。

圖1 抗拔樁平面模型

計算時接觸面采用無厚度的摩爾庫倫硬接觸模型,取摩擦系數(shù) μ=0.25,模型計算采用樁頂位移控制的方法,設置樁頂上拔最大位移為60 mm,分100步完成。根據(jù)計算結果得到的樁頂軸力與位移關系即Q-S曲線,如圖2所示?？梢钥闯?軸力與位移是基本成線性增加的關系,并且增加的速率慢慢減小,當位移達到36 mm后,繼續(xù)增加抗拔樁上拔位移,樁頂軸力基本保持不變,即抗拔樁已經(jīng)破壞(接觸面相對滑動接觸關系破壞),這種現(xiàn)象符合抗拔樁陡降型破壞的特點,說明這種理想彈塑性接觸模型能較合理的模擬出抗拔樁的上拔過程。

圖2 Q-S曲線

同時得到樁體軸力和摩阻力的分布曲線[2-3,6]如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出,對樁頂施加上拔荷載時,樁身混凝土受到上拔荷載拉伸產(chǎn)生相對于土的向上位移,從而形成樁側(cè)土抵抗樁側(cè)表面向上位移的向下摩阻力,且樁頂上拔荷載通過樁側(cè)表面的樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土層中。沿著樁身深度范圍內(nèi),樁身軸力逐漸減小,側(cè)摩阻力逐漸增大;抗拔位移值越大,樁頂軸力也越大[7-10]。

圖3 軸力圖

圖4 樁身側(cè)摩阻力圖

2 有限元三維隧道模型

為了真實模擬整個開挖過程,開挖方案如下:第1步地基加固,施加抗拔樁(灌注樁)、地下連續(xù)墻等圍護結構;第2步施加第一道支撐,進行第一步開挖;共分六步開挖,然后再逐步拆除支撐并施加隧道結構。計算過程中土層分布與實際情況相似,共分為7層,其分層情況如圖5所示,①、②號試驗樁位置見圖6,橫斷面如圖7所示,模型長42 m,寬217 m,高123.5 m。在模型中,地下連續(xù)墻采用4節(jié)點殼單元,考慮施工時連續(xù)墻分幅,在建模過程中相鄰槽段之間的作用通過建立接頭單元來模擬。樁身與樁周土之間、樁底與樁底土之間及連續(xù)墻與土體之間均設置接觸關系,來模擬樁、連續(xù)墻與土體之間的相互作用。

圖5 模型

圖6 ①、②號樁位置

圖7 結構斷面

3 計算結果分析

3.1 抗拔樁變形分析

以①、②號樁為研究對象。從圖8中可以看出,樁的軸向剛度很大,使得兩根樁的豎向變形均較小,①號樁樁頂上抬19.2 mm,樁端上抬17.3 mm,樁身變形1.9 mm;②號樁樁頂上抬34.8 mm,樁端上抬33.0 mm,樁身變形1.8 mm。開挖過程中,由于樁土間的相互作用,樁體附近的土體回彈較小,而樁與樁之間的土體回彈較大,坑底回彈曲線成凸形,影響了坑內(nèi)樁的沉降,中間②號樁的樁頂及樁端變形明顯大于外側(cè)①號樁的變形,說明土體卸荷引起的回彈對中間樁的影響要大于邊樁。

由圖9可見,兩根樁的水平位移變化趨勢基本相同,①號樁樁頂位移12.4 mm,樁底位移5.62 mm;②號樁樁頂位移3.95mm,樁底位移1.60 mm。其原因在于土體的側(cè)向變形引起樁身彎曲,樁與樁之間的遮攔作用,使得不同位置樁的位移不同。①號樁的水平位移明顯大于②號樁,說明土體側(cè)向變形引起的樁身彎曲的影響范圍主要限于邊樁,對基坑中心大部分樁的影響較小[6,11]。

圖8 樁體豎向位移

圖9 樁體水平位移

3.2 抗拔樁受力分析

①號樁體軸力隨施工過程的變化如圖10所示。從圖10中可以看出,整個樁體受拉;隨著樁深的增加,樁軸力先增大后減小,呈兩頭小、中間大的規(guī)律,最大軸力的位置就是側(cè)摩阻力為零的地方。并且隨著開挖的進行,樁身軸力逐漸增大,拆撐結束后,樁身軸力基本沒有發(fā)生變化,說明樁已處于穩(wěn)定狀態(tài)[12-13]。

圖10 施工過程中①號樁體軸力圖

3.3 對地下連續(xù)墻的影響

地下連續(xù)墻水平位移在坑底有樁和無樁兩種情況下的變化如圖11所示[8]。從圖11中可以看出,由于連續(xù)墻頂部連續(xù)墻的水平位移很小;隨著連續(xù)墻深度的增加,水平位移也逐漸增大;由于連續(xù)墻下部受到坑底土體的約束,土壓力平衡破壞較小,產(chǎn)生的土壓力也較小,故墻體水平位移慢慢減小,總體來說地下連續(xù)墻大體上呈現(xiàn)出兩端小中間大的變形形態(tài)。并且隨著開挖的進行,地下連續(xù)墻的最大水平位移值不斷增大,其所在位置也逐漸向下轉(zhuǎn)移[14]。

在第一步開挖時,兩種情況下連續(xù)墻的位移基本一致,而后隨著開挖步的進行,兩者差別慢慢顯現(xiàn)出來,開挖結束后,坑底有樁基時,連續(xù)墻最大位移值為18.44 mm,坑底無樁基時,連續(xù)墻最大位移值為19.03 mm,可以發(fā)現(xiàn)在墻身下部,由于抗拔樁的存在,連續(xù)墻的水平位移顯著減小。這是由于樁土間的相互作用,在開挖過程中,樁附近的土體的回彈變形較小,對樁底土的影響也較小,從而限制了基坑坑底以下部分連續(xù)墻的變形,說明相比較無樁情況而言,坑底樁對控制連續(xù)墻變形起到很好的作用。

圖11 施工過程中連續(xù)墻體水平位移分布

3.4 樁對坑底變形影響分析

基坑開挖后坑底土由于卸載而打破原有的平衡狀態(tài),卸載后土體會回彈隆起。在有樁和無樁兩種情況下,坑底隨開挖其變形趨勢如圖12所示?？梢钥闯?由于連續(xù)墻的約束作用,坑底兩端的變形小于坑底中部的變形,使得坑底的回彈曲線呈凸形;隨著基坑開挖深度的增加,基底逐漸卸荷,地基回彈量也逐漸增大,此時圍護結構的約束作用也越來越突出。

在第一步開挖時,兩種情況下底板的位移基本一致,而后隨著開挖步的進行,兩者的差別越來越突出,開挖結束后,坑底無樁時,底板最大回彈量88.27 mm,坑底有樁基時,底板最大回彈量為60.70 mm,說明坑底設置樁基能顯著減小坑底的回彈。

圖12 工作井施工過程中基坑隆起圖

4 結 論

(1)在抗拔樁的模擬中,樁-土接觸采用面面接觸單元以及無厚度的摩爾庫倫硬接觸模型能很好的模擬樁-土間的接觸關系。

(2)得到了等截面抗拔樁的樁體軸力和摩阻力的分布曲線以及作用規(guī)律。

(3)通過工程實際得到抗拔樁在開挖過程中的作用規(guī)律以及力學特性的變化趨勢;通過對比開挖過程中基坑設置抗拔樁與否,得到抗拔樁對基坑支護結構的影響規(guī)律以及抗拔樁的作用效果。

[1]劉祖德.抗拔樁基礎(二)[M].地基處理,1995,6(4):1-12.

[2]Dash B K,Pise P J.Effect of compressive load on upliftea paeity of model piles[J].Jounal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2003,129(11):987-992.

[3]Kulhawy F H.Limiting tip and side resistance:fact or fallacy[C]//in Proc of Symp on Analysis and Design of Pile Foundation.San Francisco:ASCE,1984:80-98.

[4]王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州:浙江大學出版社,2006:183-195.

[5]楊愛國.抗拔樁承載機理的三維有限元研究[D].南京:南京理工大學,2007.

[6]許宏發(fā),羅國煜,廖鐵平,等.等截面樁的抗拔樁機理研究[J].工程勘察,2003,(3):4-6,34.

[7]宋 兵.樁側(cè)摩阻力特性的研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[8]丁佩民,黃堂松,肖志斌.抗拔樁側(cè)摩阻力發(fā)揮規(guī)律的探討[J].建筑科學,2003,19(6):46-48,62.

[9]賈德慶.廣東沿海主要土層樁側(cè)摩阻力和樁尖阻力的分析[J].水運工程,2004,(2):22-25.

[10]杜廣印,黃 鋒,李廣信.抗壓樁與抗拔樁側(cè)阻的研究[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(1):91-93.

[11]許宏發(fā).樁的抗拔承載力與非線性計算理論研究[D].南京:中國人民解放軍理工大學,2001.

[12]王之軍.等截面豎向單樁抗拔承載力試驗研究及變形非線性分析[D].北京:中國地質(zhì)大學,2006.

[13]孫曉立.抗拔樁承載力和變形計算方法研究[D].上海:同濟大學,2007.

[14]胡云華,郭小紅,覃正剛.抗拔樁對隧道主體結構的影響分析[J].地下空間與工程學報,2011,7(1):93-98,111.

Study on Mechanical Properties and Effects to Supporting Structure of Uniform Uplift Pile

SUN Jin-lei1,2
(1.Geotechnical Engineering Research Institute of Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Through simulating the drawing process of single pile pulling on uniform cross-section,the reasonable elasticplastic contact surface model is chosen to obtain the rules of Q-S curve,side friction resistance and axial force.Then based on actual engineerings and geological data from site investigation,the 3-D geological model for tunnel excavating is established.Simultaneously,the 3-D finite element numerical simulation method is used for simulating the excavation process of tunnel,the action of uplift pile in the construction under complex geological conditions is studied,and the mechanical characteristics and variation trend of the uplift pile in excavation process are summarized.It is obtained from all these as mentioned above that the uplift pile could effectively control the deformation of continuous wall and the heave of floor.

uplift pile of uniform cross-section;mechanical characteristics;reasonable supporting;influence law

TU473

A

1672—1144(2013)02—0172—04

2012-09-02

2012-09-28

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2011CB013504);浙江省重大科技計劃重點項目(2009C33049);江蘇省2011年度研究生培養(yǎng)科技創(chuàng)新計劃項目(CXZZ11-0428)

孫金磊(1987—),男,河北唐山人,碩士研究生,研究方向為隧道與地下工程。