Journal of Engineering Geology 工程地质学报 1004—9665/2013/21(3).0400—08 抗拔桩承载特性研究与三维数值仿真分析术 熊 昊①刘 润①徐余 天津300072) (①天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室(②天津市建筑设计院天津300074) 摘要随着城市建设的发展,地铁、地下停车场、地下商场等地下建筑更加普遍,且呈现多样化、复杂化、深入化的发展趋 势,使得地下结构物的抗浮稳定性逐渐突显,其中设置抗拔桩是结构抗浮的主要工程措施之一。本文分析了抗拔单桩与群桩 的地基破坏模式并揭示抗拔桩的工作机理,应用ABAQUS大型有限元软件对抗拔单桩模型以及群桩模型分别进行了数值模 拟,从桩身应力、桩周土体、桩侧阻力等多个角度分析抗拔承载力的影响因素以及群桩效应,结合工程实例分析抗拔群桩距径 比(A)对抗拔承载力及地基变形的影响。结果表明:在上拔力作用下,单桩中的应力集中于轴心,沿半径及深度递减,桩侧摩 阻力自上而下逐渐减小,但随着向上位移的增大而增大;当基桩的距径比A减小时,承载力折减系数 增大,群桩效应显著, 桩间土与桩有整体被拔起的趋势,不利于结构的抗浮稳定性;A=3和A=6可以作为划分群桩效应程度的界限。 关键词抗拔桩破坏模式数值分析距径比 中图分类号:TU473.1 文献标识码:A CHARACTERISTICS AND 3 D NUMERICAL SIMULATION ANALYSIS 0F UPLIFT PILE BEARING CAPACITY IN URBANS XIONG Hao ̄LIU Run①XU Yu② (( ̄State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072) (②Tianjin Architecture Design Institute.,Tianifn 300074) Abstract With the development of urban construction,underground structures including subways,underground parks and underground markets have become more and more widespread.Their development trends are diversiifed, complicated and deep—going.It can be known that anti—lfoating stability of underground stuctrures become an out- standing problem.So,one of main project measures is to set up uplitf piles.This paper mainly analyzes the ground failure mode of uplit pilfe and pile group,and reveals the work mechanism of uplit pifle.The mode of uplift pile and pile group is numerically simulated using ABAQUS finite element software.The influence factors of uplift ca- pacity and pile group effect are investigated in different aspects such as pile stress,soil around pile and pile side re— sistance.It further studies the effect of the distance—diameter ratio of uplitf pil,e roup gon uplitf capacity and founda— tion deformation combined with practical works.The analyzing results show that,under the action of uplit force,f pile stress mainly acts in axis,which decreases with increasing radius and depth.The pile side friction force de— creases gradually from upper depth to lower depth.It increases with increasing upward displacement.When the 收稿日期:2012—10—20;收到修改稿日期:2013—03—03. 基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0370),天津市自然基金面上项目(12JCYBJC14700) 第一作者简介:熊吴,岩土工程专业.Email:xionghao19529@foxmail.con 21(3) 熊 昊等:抗拔桩承载特性研究与三维数值仿真分析 401 distance.diameter ratio(A)of foundation pile decreases,the capacity reduction factor( )increases,the pile group effect is more significant,and there is an uplift trend in piles and soil between piles that go against the anti-floating stabili'ty of construction.A=3 and A=6 can be used as the limit ti determine the degree of pile group. Key words Uplift pile,Failure mode,Numerical analysis,Distance'diameter ratio 1 引 言 当今建筑物的密集程度和设计埋深不断增加, 特别是发达城市,大型地下停车场、大型地下商场、 地铁车站等都需要进行抗浮设计。地下工程的抗浮 问题可用压重法、抗拔桩或抗浮锚杆来解决。压重 法是通过加大混凝土底板厚度以平衡水的浮力,但 经济上不太合理;抗浮锚杆的间距小,地下室底板 可做得较薄,锚杆的造价也较低,使整个抗浮结构可 大大地节省工程造价,但不能充分利用上部结构传 来的竖向力来平衡掉一部分水浮力,且要求锚固于 较硬岩体中,不适用于软岩与土体;抗拔桩在抗浮 设计中应用广泛。 国内外学者对抗拔桩的研究现状:在抗拔桩的 承载机理研究方面,宫常青等通过计算总结了抗浮 爆扩桩的承载机理…;杜广印等对抗压桩与抗拔桩 侧阻力规律进行了比较并总结 ;陈刚等对抗浮设 计水位进行了分析 ;Shanker等和Honda等研究 了抗拔桩在砂土中的承载机理 ;在抗拔桩的内 力与变形研究方面,孙晓立等基于桩侧土体强度随 着深度线性变化的假定推导出抗拔桩轴力和变形的 弹塑性解析表达式 ’ ;丁明等给出桩顶弹性变型 和上拔荷载的解析解以及非弹性变型的修正协调变 形法 j。在数值模拟方面,王浩采用颗粒流模拟土 体总结了抗拔桩群桩端阻力的变化规律 ;廖俊 展等对深基坑的抗拔桩进行了三维数值模拟,结果 表明逆作法比顺做法更利用基坑抗浮 ;黄茂松 等通过在不同开挖宽度和埋置深度条件下抗拔桩极 限承载力的对比分析和影响因素的探讨,提出了深 层开挖条件下抗拔桩承载力变化的一般规律-1 ; 孙文杰通过有限元分析了抗拔桩沿深度方向的桩身 应力分布 。在试验研究方面,李伟伟等通过离心 模型试验和有限元结果的对比,提出了单桩Q—S曲 线的变化规律¨ ;何剑通过单桩静载试验得到了 单桩侧摩阻力系数及轴向应力分布规律.1 ;刁钰 等基于抗拔桩静载试验分析了土体扰动对测量结果 的影响,并对比了Osterberg法与常规拔桩法的差 异¨ ;Dash等通过模型试验研究了竖向压力荷载 对抗拔桩承载力的影响,试验结果表明桩承受竖向 压力荷载会减少桩的抗拔承载力,减少的幅度取决 于压力的大小 17];Finno等 利用平面有限元对基 坑开挖引起临近桩基破坏的实例进行了分析;杨敏 等 采用三维弹塑性有限元法分析了临近桩基对 基坑开挖所引起的土体变形场的影响,对于设置抗 浮抗拔桩深基坑的变形及桩体的受力计算,特别是 采用实体单元来模拟抗拔桩的研究较少。而且采用 实体单元可以更有效地模拟抗拔桩周围土体的变形 与桩身受力特性 J。 由以上分析可知,抗拔桩的受力与变形问题是 工程中的焦点问题之一,本文采用三维数值模拟方 法,研究抗拔单桩与群桩的承载机理,并分析抗拔桩 群桩的群桩效应现象,揭示桩的距径比对群桩抗拔 承载力的影响。 2抗拔桩的承载机制 等截面的抗拔桩其应力分布形式与受压桩相 近,但桩身侧摩阻力的方向相反。随着荷载增大,桩 身向上移动,拉应力逐步向下扩展。当桩底端与土 的相对位移达到某一定值时,该桩侧摩阻力就已经 发挥到极致,这时整根桩的侧摩阻力达到甚至超过 峰值;当相对位移继续增大时,抗拔承载力就逐步 减弱。 研究表明 l1 ,等截面抗拔桩的破坏形式大致 可分为4大类:沿桩一土侧壁剪破(图1a);与桩 长等高的倒圆锥剪破(图1b);复合剪切面破坏 图1等截面抗拔桩的破坏面 Fig.1 Failure surface of constant section pile 由图8可知,与单桩明显不同,群桩受荷时,基 桩对桩间土的变形影响显著。当桩间距较小如图 8a,桩间土体整体向上移动,由于桩一土摩擦作用, 桩间土与桩易形成整体而发生整体破坏;随着桩间 距的增大,这种整体效应越来越不明显,如图8d中, 此时桩间土的变形与单桩情况下土体的变形云图比 较接近。 图9为L:3d情况下,中心桩轴力分布与数值 向上位移s的关系曲线。 茸 制 麟 图9、£:3d时中心桩桩身应力与竖向位移 的关系 Fig.9 Axial force of group pile model under variation uplift displacement 图1O为S=40ram时,不同L/d情况下桩身应力 分布,这两个图分别反映了群桩模型中竖向位移s 以及L/d对桩身应力的影响,从图可知,桩身应力随 着竖直向位移s和L/d的增大而增加。 轴力,kN 图10 s=40mm时桩身应力随L/d的变化 Fig.10 Axial force in the case of s=40ram 图1l为不同距径比(L/d)情况下的群桩荷 载一位移(Q—S)曲线。 由曲线可知,加载到约4000kN时曲线出现拐 点,开始陡降,抗拔桩开始逐渐出现滑动现象;通过 Journal ofEngineering Geology工程地质学报2013 图11不同L/d情况下群桩Q-s曲线 Fig.11 Q-s curve at different L/d 不同模型曲线的比较可知,当L/d逐渐增大,相同荷 载作用下的位移逐渐减小,有利于结构抗浮,但随着 L/d的增大,抗拔桩根数将减小,总承载力也会下 降,所以应根据实际情况最终确定合理的L/d。 图l2为不同距径比L/d情况下的桩身应力分 布。 S.¥33 S,¥33 刚-1714e+04 ." 嘲.09e+06 l 图l2不同L/d的桩身竖向应力分布(单位:Pa) Fig.12 Axial force at different L/d(unit:Pa) a.L=3d;b. =4d;c.L=5d;d.L=6d 由图12可见,当L=3d时群桩效应显著,表现 为基桩的桩身上部等应力面有倾斜角;而当而L= 6d时群桩中基桩的桩身应力分布与前述的单桩非 常接近。因此随着桩间距的增大,桩身应力分别逐 步接近单桩应力分布形势;而随着桩间距的减小, 桩身应力也随之减小,部分应力由桩间土体承担,这 2l(3) 熊 昊等:抗拔桩承载特性研究与三维数值仿真分析 [3] 陈刚,黄骁,孙进忠.北京怡海花园工程建筑抗浮设防水位研 (11):1689~1695. 究[J].工程地质学报,2004,12(增1):421~424. 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