DX旋挖擠擴灌注樁單樁抗拔承載性狀的數值分析

陳立宏，張清林，2，袁希雨

(1．北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044;2．中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300)

1 前言

抗拔樁是抗拔基礎的主要形式。近年來隨著土木工程，尤其是地下工程、交通工程、近海工程等的飛速發展，抗拔樁的應用日益廣泛，在高聳建筑物、輸電塔、抗浮地下結構、橋梁基礎、凍脹和膨脹土地區的建筑中得到了廣泛應用。對于傳統的非嵌巖等截面豎樁，樁的抗拔力都由側阻提供，而抗拔側阻力要小于抗壓時的值，其抗拔能力十分有限，并非理想的形式。為了滿足抗拔承載力的要求，往往要求大幅度增加抗拔樁的長度和直徑，或者采用后注漿等新技術，而采用變截面樁，改變單純由側阻提供抗拔力的承載模式是一個更好的選擇。近年來在各種建筑物基礎中擴底樁的應用日趨增加，而多節擴孔樁在樁身上部的擴大部分能更早地發揮抗拔力，相對而言是一個更好的選擇。

DX樁是多節擠擴樁中的優秀代表，其是在普通直孔樁基礎上通過擠擴裝置擠擴成擴大腔體，形成由承力盤、樁身、樁端共同承受上部荷載的樁型。雖然工程實踐表明了DX樁優異的抗拔性能，但實踐應用仍然相對較少，而且對于DX樁的抗拔受力機理、計算方法以及沉降的計算還處在探索階段，因此非常有必要進行深入的研究。文章通過數值計算方法對DX樁進行抗拔承載性狀的研究，以期能增加對DX樁抗拔機理的認識。

2 研究現狀

由于承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時旋擴設備對周圍土體有一定的擠密作用，因此DX樁可大幅度提高單樁承載力。承力盤的存在改變了樁的承載機理，大幅度地提高了樁的抗拔承載力，現場抗拔試驗表明DX旋挖擠擴灌注樁的抗拔效果是普通直孔樁的2倍甚至更多，而且發揮極限承載力需要的位移更?。?～3］。與傳統的擠擴技術相比，旋挖擠擴裝置有著顯著的優勢，雙油缸雙向相對位移帶動三對旋擴臂對土體進行旋轉擠壓，擠壓過程中同時完成切削、碾壓、擠擴，旋擴臂始終與土體接觸，上下面土體均被擠壓，土體擾動小，無沉渣或少掉土。而且具有施工快捷、安全等優點。承力盤的位置可根據地層條件選擇持力層，具有靈活性好、適應性廣的特點，這一樁型目前在抗拔樁領域應用越來越廣。采用該樁型，有利于大大縮短樁長、降低混凝土用量、節約工期，具有非常廣闊的應用前景。由于其突出的優點，DX樁應用于抗浮、抗滑和其他抗拔工程中，收到了非常好的工程效果和經濟效益。

但是DX樁的抗拔機理研究則遠遠落后于工程實踐，目前的研究主要是通過一些樁基的靜載荷試驗來反饋分析，深入的研究工作很少。這主要是因為:

1)多節旋挖擠擴灌注樁的承載力機理相當復雜。與常規直孔樁完全不同，多節旋挖擠擴灌注樁是多支點的摩擦端承樁。抗壓承載力由3部分組成:樁側摩阻力、承力盤阻力、樁底端阻力，抗拔承載力則由樁側摩阻力和承力盤阻力組成，這些不同的阻力之間又存在相互影響。目前針對承力盤阻力的研究基本屬于空白;承力盤的存在會影響DX樁抗拔破壞的模式以及樁身摩阻力的發揮;同時，承力盤的大小、位置、數量、角度也會對抗拔承載力造成影響。多級擴徑體的存在導致了目前人們對承載機理的認識還很不充分，制約了其在工程中的應用［4～6］。

2)與抗壓樁相比，抗拔樁的研究相對較少。相對于抗壓樁，抗拔樁的作用機理更為復雜，具有更多的不確定性。相對的研究也較少，特別是理論研究遠遠落后于工程實踐發展。國內外對于抗拔樁的研究主要集中于承載力方面，而且在承載力的研究上主要集中在經驗性的基礎上，系統和深入的機理研究相對不多。當前抗拔樁的設計主要借鑒抗壓樁的設計方法，即以樁的抗壓側摩阻力乘以經驗折減系數后作為抗拔樁的側摩阻力，進而估算抗拔樁的摩阻力。

3)DX樁發展時間不長。DX樁技術是在國內獨立發展起來的新型樁基技術，發展時間才十多年，因此相對試驗資料不足、計算理論也不成熟［4，5］。

對于等截面抗拔樁，國內外進行了較多的模型試驗和一些現場原位試驗研究。Kulhawy在1979年進行了砂土中大型模型樁抗拔試驗，發現抗拔樁主要破壞模式為沿著樁土界面的圓柱形剪切破壞［7］。Alawneh在砂土中做了63組模型試驗，探討了打樁方式、砂的密實形態等對抗拔力的影響［8］。其他許多學者也進行了相應的試驗研究，清華大學就曾利用滲水力方法進行了模型試驗、現場足尺試驗，對樁側阻的發揮機理進行了探索。國內外根據大量的研究發現，一般破壞可分為倒圓錐臺、圓柱和復合剪切破壞三大類形式，而主要形式是圓柱形剪切破壞，目前絕大部分研究都是在此基礎上進行的。對于擴底樁的抗拔研究近年來比較多，主要是以模型試驗為主，現場原型試驗也有不少。

DX樁是一種新型樁基技術，相關研究較少，與其他樁型一樣，研究主要集中于DX樁的實踐效果和抗壓機理，包括室內模型試驗、大比尺模型試驗和現場試驗以及數值計算等。DX樁的抗拔研究目前還非常少，文獻可見的研究成果極其稀少，不足10篇。陳輪等在北京蓮花橋附近進行過大尺寸的模型樁抗拔試驗［9］，對樁身端阻、側阻的發揮規律進行了分析研究。李廣信、湯飛對DX樁的抗拔利用錨板理論、Prandtle理論等進行過對比計算分析，并提出了用于規范計算的建議公式［10］。趙明華等通過增加折減系數的辦法提出了一個DX樁抗拔承載力的計算方法［11］。

3 DX單樁抗拔的數值模擬

3．1 數值模擬概況

DX樁承力盤的存在增加了破裂柱面的直徑，增加了抗拔力，改變了抗拔破壞的形態，也改變了位移與抗拔力之間的關系。另外承力盤的深度、大小、盤的數量對抗拔性能都有很大的影響，對這些問題現在依然沒有開展過太多的研究工作，大大制約了DX樁的應用。在DX樁抗拔的數值模擬計算中，DX樁直徑d選取為1 m，承力盤直徑D為2 m，高度為1 m，樁身長度為20 m，兩承力盤間距為8 m。在FLAC3D中建立模型，網格劃分的范圍取徑向為10 m，深度為樁底14 m，如圖1所示。為對比起見，還同時進行了直孔樁的抗拔模擬計算，直孔樁尺寸和數值模擬中的參數與DX單樁中的相同。計算采用分級加載，如表1所示。

圖1 DX單樁模型Fig．1 Mesh of DX single pile

表1 抗拔加載與位移Table 1 Load and uplift displacement of piles

在DX樁抗拔的數值計算中，樁身混凝土采用彈性模型，樁周土體采用摩爾－庫侖模型，樁土接觸面采用庫侖剪切模型，DX單樁的接觸面模型建立后如圖2所示，計算參數見表2。計算采用分級加載，共分12級。采用的土的參數是文獻［12］中現場試驗的數據。

圖2 DX單樁接觸面Fig．2 Contact surface of DX single pile

表2 DX單樁數值計算所采用的本構模型及參數Table 2 Constitutive models and parameters in numerical simulation of DX single pile

3．2 模型參數驗證

為驗證數值模擬所采用的本構模型及所取參數的可靠性，用數值計算中所取的模型及參數對文獻［12］中的模型試驗的1號樁、5號樁進行了模擬。1號樁、5號樁樁長2 m，樁徑為0．15 m，承力盤直徑為0．3 m，承力盤在樁中間位置。網格劃分范圍取徑向2 m，深度為樁底2 m，如圖3所示。

圖3 模擬1號樁、5號樁的網格劃分Fig．3 Meshing of pile 1 and pile 5 in simulation

數值模擬中的加載級數和每級荷載大小與實際情況一致，聯合數值計算得到的樁頂在各級荷載下的沉降量與聯合模型試驗中1號樁、5號樁的沉降量，作出兩者的荷載－沉降曲線(Q－s曲線)，如圖4所示。

圖4 數值計算及1號樁、5號樁的Q－s曲線Fig．4 Q －s curves of pile 1，pile 5 and the pile in numerical simulation

由于數值計算出的Q－s曲線沒有發生突變，故按文獻［13］取樁頂沉降為0．05d或40 mm時為樁的極限承載力，模擬中樁直徑為0．15 m，0．05d即為7．5 mm ＜40 mm，故取樁頂沉降為7．5 mm 時樁頂荷載為樁的極限承載力。

由圖4可知數值計算出長度為2 m、直徑為0．15 m、有一個承力盤的 DX樁的極限承載力為84 kN左右。這和試樁1的極限承載力80 kN、試樁2的極限承載力90 kN分別相差5%和6．7%，可以認為三者的極限承載力很接近。

故完全可以認為數值計算所取的參數是合理的、可靠的。

3．3 抗拔曲線

通過數值分析計算得出DX單樁在各級上拔荷載Q下的上拔量s，作出承載力與沉降的Q－s曲線，如表1和圖5所示。

圖5 DX樁和普通直孔樁的抗拔曲線Fig．5 Uplift resistance curves of DX pile and ordinary pile

由圖5可以看到:

1)DX樁的抗拔曲線呈現緩變，而相同直徑的普通直孔樁則出現突變。DX樁承受抗拔的能力遠比普通直孔樁強，DX樁在上拔荷載7536 kN時位移為44．6 mm，而直孔樁在2638 kN后就出現了位移突變。對于有兩個承力盤的DX樁其抗拔承載力比普通直孔樁提高了2倍以上。

2)對于普通直孔樁，在樁頂施加豎直向上的荷載時，樁身與土層之間的剪切力使地基土體發生剪切位移，當地基土體的剪切位移超過極限位移后，就發生破壞。而對于DX樁，當地基土體達到或超過極限位移后，仍有承力盤承受上部土體的支撐力，使樁仍能承受上拔荷載。隨著樁頂上拔荷載增加，樁身混凝土的拉伸量和樁土相對位移量逐漸增大，樁側中下部的摩阻力逐步發揮出來;由于粘性土的極限位移只有6～12 mm，故當樁土相對位移大于樁土的極限位移后，樁身上部的側阻已發揮到最大值并出現滑移。

3)在樁頂第四級荷載即3014 kN時，DX樁的上拔量為 5．63 mm，普通直孔樁的上拔量為5．95 mm，這說明在較小的抗拔荷載下，DX樁的上拔量和普通直孔樁相差不多。但繼續加載時，DX樁的優越性就表現出來了。

3．4 承力盤阻力的發揮

作出受上拔荷載的DX單樁的樁身軸力圖，如圖6所示。圖6顯示的是在樁深度方向上，在樁頂和上下承力盤處的樁身軸力的大小?？梢钥吹?，沿樁深度方向上，樁身的軸力是不斷減小的，這是因為在樁頂承受上拔荷載時，沿樁深度方向上，樁身軸力逐漸轉化為樁側摩阻力和承力盤的端阻力。在經過上、下兩個承力盤后，樁身軸力變得很小，幾乎為零。說明在樁底部承受的樁側摩阻力很小，幾乎所有的荷載都被下承力盤及其以上的樁身承擔。沿樁的深度方向上有兩個突變，這是因為承力盤承受了較大的荷載，使樁身軸力在經過承力盤時減小的幅度較大。

圖6 DX單樁受上拔荷載時的樁身軸力圖Fig．6 Axial force diagram of DX single pile under uplift loading

受上拔荷載的DX樁承力盤阻力的發揮也可以通過承力盤周圍土體單元出現塑性區的范圍來說明，在不同級上拔荷載下樁周土體的塑性區單元如圖7所示。

由圖7可以看出:

1)在第二級荷載下，承受上拔力的DX樁上承力盤周圍土體發生塑性區的單元個數要比下承力盤的多，這說明在第二級荷載下，上承力盤首先發揮作用。

2)在第四級荷載下，上下兩承力盤周圍土體的塑性區都進一步增大，說明兩承力盤阻力都發揮了作用。

圖7 不同荷載下DX樁周塑性單元(淺色區域所示)Fig．7 The plastic units of DX pile under different grades of loading(light areas)

3)當樁頂荷載繼續增大時，兩承力盤周圍土體的塑性區也進一步增大。在第七級荷載下，上承力盤周圍的部分土體單元發生拉破壞。

4)總體來說，DX樁在承受上拔荷載的時候，承力盤阻力的發揮也具有時序效應。上承力盤阻力先發揮，下承力盤阻力再發揮。

4 結語

通過大比例尺模型試驗和DX樁的數值計算分析，可以得出:

1)相比尺寸相同的普通混凝土灌注樁，DX單樁的抗拔承載力明顯提高，上拔量明顯降低。由數值計算得出具有兩個承力盤的DX單樁的抗拔承載力超過普通直孔樁2倍。

2)DX樁在上拔荷載的作用下，承力盤阻力的發揮具有明顯的時間順序效應，上部盤的承載力先發揮，下部盤的承載力后發揮。當荷載進一步增大后，下盤承擔的上拔荷載要高于上盤。主要是由于下盤周圍土體應力較大，可承擔的極限承載力較大，而這一結果與部分實測結果略有不同。文獻［1］中實測數據表明上盤承受的抗拉荷載要比下盤大得多，這說明DX樁的抗拔模擬分析技術還有待提高。

［1］沈保漢，王海燕，劉振亮，等．北京BGFD風電場兩節DX擠擴灌注樁抗壓和抗拔承載力機理的試驗研究［J］．工業建筑，2009，39(2):45－54．

［2］錢德玲．支盤樁抗壓和抗拔特性的研究［J］．巖土力學，2003，24(增刊2):517－520．

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部．三岔雙向擠擴灌注樁設計規程JGJ171－2009［S］．北京:中國建筑工業出版社，2009．

［4］賀德新．DX樁技術概論［J］．巖土工程界，1999(2):23－26．

［5］賀德新，沈保漢．DX擠擴裝置及DX多節擠擴樁的應用［J］．工業建筑，2001，31(1):27 －31．

［6］曹可之．DX樁基技術及實用工程［J］．西部探礦工程，2002，76(3):130－131．

［7］Kulhawy Fred H ，Kozera David W ．Uplift testing of model drilled shafts in sand［J］．Journal of the Geotechnical Engineering Division，1979，105(1):31－47．

［8］Ahmed Shlash Alawneh，Abdallah I，Husein Malkawi．Tension tests on smooth and rough model piles in dry sand［J］．Canadian Geotechnical Journal，1999，36:746 －751．

［9］陳 輪，蔣 力，王海燕，等．DX樁抗拔承載力機理的現場試驗研究［J］．工業建筑，2004，34(10):33－35．

［10］李廣信，湯 飛．DX樁承力盤抗拔阻力的分析與研究［J］．工業建筑，2005，35(6):52－55．

［11］趙明華，李微哲，單遠銘，等．DX樁抗拔承載機理及設計計算方法研究［J］．巖土力學，2006，27(2):199－203．

［12］陳立宏，唐松濤，賀德新．DX樁群樁現場試驗研究［J］．巖土力學，2011，32(4):1003 －1007．

［13］中華人民共和國建設部．建筑樁基技術規范JGJ94－2008［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．