黃土地區(qū)抗拔單樁的受力及變形特性研究

劉增榮 王夢迪 劉 明

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055）

0 引言

在西北黃土地區(qū)，近年來，隨著一帶一路戰(zhàn)略的實施，超高層建筑逐漸興起，地下空間的設(shè)計深度不斷加大，高壓輸電線塔、風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等項目方興未艾，越來越多的工程需要考慮抗浮問題。抗拔樁作為樁基礎(chǔ)的一種，多用于地下室的抗浮、輸電線路及高聳構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，其承載性能好，在施工過程中對周圍土體的擾動較少，因此被廣泛用作建筑物的抗拔基礎(chǔ)[1]。

目前，國內(nèi)對于抗拔樁的研究大都來自于現(xiàn)場試驗或室內(nèi)模型試驗，理論分析還不成熟[2]。尤其是在西部黃土地區(qū)，有關(guān)抗拔樁承載及變形特性方面的資料還比較貧乏[3-4]，因此有必要做進一步的研究。

本文主要采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，分析了黃土地區(qū)抗拔單樁在上拔作用下的受力及變形特性[5]，通過與現(xiàn)場試樁試驗結(jié)果的比對驗證了模型的可靠性。隨后研究了樁長和樁身混凝土強度對抗拔單樁軸力、側(cè)摩阻力和樁頂上拔位移的影響，進一步探索其中規(guī)律。

1 工程概況

本文依托的某體育館工程，位于西安市西南郊，場地地形平坦，地貌單元上部是皂河古河道堆積區(qū)，下部是渭河二級階地。該建筑物的占地面積為10316 m2，地下一層，地上三層，采用大跨式屋面斜拉結(jié)構(gòu)，對不均勻沉降要求高。場地自然地面標(biāo)高為414.10～414.30 m，地下水位在自然地面下約10 m左右，試坑地面標(biāo)高約為409.0 m。試坑地面以下地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值見表1。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值

2 黃土地區(qū)抗拔單樁數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗對比分析

2.1 抗拔單樁模型基本參數(shù)

本文采用ABAQUS有限元軟件來分析黃土地層中抗拔單樁的承載特性。單樁采用線彈性模型，其主要參數(shù)有混凝土及鋼筋的彈性模量和泊松比[6]。以試驗試樁SZH5為基本模型，樁長L=26 m，樁徑D=600 mm，土層深度為60 m，場地范圍取20 m×20 m，其余參數(shù)如表2所示。土體認(rèn)為是彈塑性材料，采用Mohr--Coulomb模型，涉及的主要參數(shù)按表2取值。

表2 單樁設(shè)計參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的對比分析

為了驗證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果對比該工程試樁SZH--5--1和SZH--5--2的現(xiàn)場試驗報告。在現(xiàn)場試驗中，抗拔單樁是通過錨樁橫梁裝置提供反力，通過液壓千斤頂慢速分級施加載荷[7]，每級的加載規(guī)律如表3所示，兩組抗拔試驗所加的最大上拔力分別為2900 k N和2500 k N。在本文的分析中則是在樁頂表面分級施加等效均布荷載。

表3 單樁數(shù)值模擬加載規(guī)律

2.2.1 樁頂上拔位移對比

將模型計算結(jié)果與抗拔樁靜載試驗的實測數(shù)據(jù)進行了對比，如表4和圖1所示。

表4 數(shù)值模擬與抗拔靜載試驗的樁頂位移對比

圖1 數(shù)值模擬與抗拔靜載試驗的Q--s曲線

可以看出，數(shù)值模擬和兩組試樁所得的Q--s曲線基本一致，在樁頂荷載小于1100 k N時，變化趨勢平緩，當(dāng)突破1100 k N以后，Q--s曲線接近于線性變化，上拔位移增加較快；模擬所得的樁頂上拔位移相比試樁結(jié)果略微偏大。當(dāng)荷載達到最大時，兩者僅相差0.67 mm，誤差率6.1%。因此，認(rèn)為該模型所得結(jié)果基本符合實際。

2.2.2 樁周土體變形對比

模型和試驗所得抗拔單樁樁周土體變形曲線如圖2所示。

圖2 樁周土體隆起變形對比

由圖2可以看出，模擬與實驗所得曲線總體擬合較好，都表現(xiàn)出了離樁越近的土體隆起變形越大的趨勢。當(dāng)與樁心的距離超過大約3倍樁徑時，試樁測得土表隆起位移急劇下降，而后趨近于零。而模擬得出的位移偏大，這是由于實際場地土層性質(zhì)分布的不均勻?qū)е隆?/p>

3 樁長對抗拔單樁受力及變形的影響分析

為了研究樁長對單樁抗拔承載性能的影響，在試樁模型的基礎(chǔ)上，建立四組不同樁長的單樁模型，分別為20 m、30 m、40 m、50 m，對應(yīng)了短樁、中長樁、長樁、超長樁。加載規(guī)律如表5所示。

表5 單樁數(shù)值模擬加載規(guī)律

3.1 單樁Q--s曲線

從圖3可以看出，樁頂上拔位移與所受荷載近似呈線性關(guān)系。當(dāng)荷載相同時，樁頂?shù)纳习挝灰齐S著樁長的增大逐漸減小。隨著樁長從20 m逐漸增加到50 m，單樁的Q--s曲線越來越接近于一條直線，這表明長樁比短樁更難以發(fā)生塑性破壞。

圖3 單樁Q--s曲線

3.2 樁身軸力分布

樁長的改變使得樁身軸力發(fā)生變化，如圖4所示。

圖4 樁身軸力分布

從圖4可以看出：①總體來說，抗拔單樁的軸力隨著樁身深度的增加而減小，但當(dāng)樁長較長（＞30 m），樁頂荷載較?。?00 k N）時，軸力隨著深度的增加呈現(xiàn)先略微增大然后線性減小的趨勢；②當(dāng)樁頂荷載較大（＞2300 k N）時，隨著樁長的增加，樁身軸力減小的速率越來越趨于穩(wěn)定。

3.3 樁側(cè)摩阻力分布

隨著樁長的增大，單樁的樁身側(cè)摩阻力分布如圖5所示。

圖5 樁側(cè)摩阻力分布

可以得出如下結(jié)論：①在同一級荷載下，側(cè)摩阻力沿著樁身方向的波動很大，呈現(xiàn)“駝峰”型分布，而靠近樁兩端處的側(cè)摩阻力都很??；當(dāng)樁頂荷載增大時，同一根樁的側(cè)摩阻力相繼提高；②樁側(cè)摩阻力的分布在沿深度方向會出現(xiàn)多個峰值，且出現(xiàn)的個數(shù)隨著樁長的增大而增多，最大峰值傾向于出現(xiàn)在樁的中下部；③在同一上拔荷載作用下，樁長越小，側(cè)摩阻力就越大，因此增大樁長能夠有效降低樁側(cè)摩阻力。

4 樁身混凝土強度對抗拔單樁受力及變形的影響分析

由于目前工程用混凝土強度等級為C15—C80，其彈性模量約在22～38 GPa之間，因此在本文的模擬中，取樁身混凝土彈性模量為20 GPa、30 GPa和40 GPa來分析。樁長L=30 m，樁徑D=600 mm，加載方式同前。

4.1 單樁Q--s曲線

三組不同強度混凝土構(gòu)成的抗拔單樁Q--s曲線如圖6所示。

圖6 單樁Q--s曲線

可以看出，隨著樁身混凝土強度的提高，相同荷載作用下的樁頂上拔量逐漸減小，樁的承載力在提高。但相比于20～30 GPa，30～40 GPa時樁頂位移減少的幅度明顯變小。

4.2 樁身軸力分布

各級加載下，不同混凝土強度的抗拔單樁軸力沿深度方向的分布曲線如圖7所示。

從上圖中可以看出，樁身混凝土強度每增加10 GPa，同一級上拔荷載下樁身各處的軸力也在增大，最大增幅在7%～12%之間，三種情況下的軸力分布圖走向基本一致。

4.3 樁側(cè)摩阻力分布

不同混凝土強度的抗拔單樁樁側(cè)摩阻力沿深度的變化如圖8所示。

圖7 樁身軸力分布

從圖8可以看出，對于30 m長的抗拔樁，側(cè)摩阻力隨著深度的增加呈現(xiàn)“一波三折”式變化，出現(xiàn)多個峰值，當(dāng)樁身混凝土強度從20 GPa逐步增大到40 GPa時，最大峰值出現(xiàn)的位置從中上部逐漸向尾部轉(zhuǎn)移，其數(shù)值也在變大。這說明樁身強度的提高會使得側(cè)摩阻力的分布發(fā)生改變，在一定程度上有利于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。

5 結(jié)論

圖8 樁側(cè)摩阻力分布

本文基于抗拔單樁的現(xiàn)場靜載試驗，通過ABAQUS有限元軟件來分析黃土地層中抗拔樁的承載特性，得出的主要結(jié)論有：

1）通過與抗拔靜載試驗的對比分析，可以看出離樁越近的土體在上拔荷載作用下變形越大；當(dāng)樁頂荷載超過1300 k N時，樁身附近土表的上拔位移急劇增大，說明已經(jīng)出現(xiàn)局部剪切破壞。與試驗數(shù)據(jù)相比，數(shù)值模擬所得土表隆起位移曲線僅在后半段有所偏大，驗證了模型參數(shù)的可靠性。

2）在黃土地層中，樁頂?shù)纳习瘟侩S樁長增加而降低，且樁長越大降低的趨勢越緩；樁身軸力向下逐漸減小，同一深度截面上的軸力隨著樁長的增大也減??；樁側(cè)摩阻力沿深度方向呈現(xiàn)增減交替變化的趨勢，隨著樁長的增加，側(cè)摩阻力的峰值個數(shù)增多，而最大峰值卻在變小。

3）在黃土地層中，隨著樁身混凝土強度的提高，樁頂?shù)纳习瘟繙p小，同一深度處的樁身軸力則增大；樁側(cè)摩阻力沿深度方向呈現(xiàn)出“一波三折”式變化，最大峰值出現(xiàn)的位置從中上部向末端轉(zhuǎn)移，其值在增加，說明樁身強度的提高有利于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。