上拔條件下擴底基礎碎石土地基破壞特征分析

安占禮

(三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002)

0 引言

擴底基礎是指以混凝土和鋼筋骨架灌注于機械或人工掏挖成型的土胎內的基礎。它是以天然土構成的抗拔土體保持基礎的上拔穩定，能充分發揮原狀碎石土良好的抗剪抗側性能，具有良好的抗拔能力。由于受到較大上拔荷載作用，擴底基礎地基土體會發生失穩破壞，為獲得其在上拔作用下的破壞特征，本文基于彈塑性理論，采用有限差分方法，對碎石土地基土體在擴底基礎經歷上拔荷載作用下的破裂形態進行數值分析。分析成果可為碎石土場地擴底基礎的設計提供依據。

1 理論與方法

擴底基礎材料為鋼筋混凝土，其在上拔過程中的變形為線性彈性變形，因此對擴底基礎的變形分析采用彈性理論進行。由于碎石土場地擴底基礎相對較淺(一般都小于7 m)，其彈塑性本構模型采用理想彈塑性本構模型［1］。擴底基礎地基土體采用的屈服準則是廣義米賽斯準則(Drucker-Prager準則)與莫爾—庫侖準則［2］。地基土體與基礎接觸面本構模型采用無厚度的接觸面模型［3］。本文采用 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續介質快速拉格朗日分析方法)方法［4］對上拔荷載作用下的擴底基礎碎石土地基土體變形破壞計算進行數值計算。

2 數值模擬分析

2.1 擴底基礎尺寸

擴底基礎尺寸與荷載施加方向示意圖見圖1。

圖1 擴底基礎尺寸示意圖

2.2 數值網格

擴底基礎及地基的數值計算模型范圍為:20m×20 m×20m，擴底基礎與土層單元均采用8節點六面體等參單元進行劃分。數值網格模型共劃分255 042個單元，267 355個節點;本次利用FLAC3D程序最終建立的模型以及選取的坐標系統如圖2所示。

2.3 計算參數

依據碎石土場地地質勘查報告，本文采用的計算參數見表1。

圖2 擴底基礎及碎石土地基數值網格

表1 擴底基礎及碎石土地基物理力學參數

2.4 邊界條件

根據擴底基礎的受力特征，對數值網格模型的4個側面及底面采用固定約束，土體上表面為自由邊界，擴底基礎頂施加上拔荷載。

2.5 計算結果分析

采用文獻［5］中的極限平衡狀態的標準對碎石土場地擴底基礎在上拔荷載作用下破壞特征數值計算結果進行分析。極限平衡狀態的標準為:1)地基土體出現明顯的位移分界面;2)地基土體出現連續貫通的塑性破壞區。在對擴底基礎在上拔荷載作用下進行數值模擬過程中，上拔荷載由500 kN逐漸增大到2 250 kN，當施加的上拔荷載為2 250 kN時，擴底基礎地基土體達到極限平衡狀態，其位移分布和塑性區分布圖如圖3，圖4所示。

圖3 擴底基礎地基土體位移分布圖

圖4 擴底基礎地基土塑性區分布圖

由圖3可以看出，擴底基礎周圍地基土體出現了明顯的位移分界面，分界面上部地基土體與分界面下部地基土體有一定的位移差，說明擴底基礎地基在位移分界面處出現了錯動且出現整體滑移破壞。由圖4知，擴底基礎周圍土體單元全部出現塑性破壞且塑性破壞區全部貫通，說明在上拔極限荷載作用下擴底基礎地基土體出現整體破壞。

根據對上拔荷載作用下擴底基礎地基土體破壞過程數值計算的結果進行分析，可認為擴底基礎地基土體的位移分界面為其在上拔荷載作用下的破壞面(見圖5)。由圖5可以看出，擴底基礎地基土體破壞面由基礎底部延伸到地基土體表面且呈軸對稱分布，與國內外學者通過研究獲得的擴底基礎抗拔樁的破壞面的趨勢相符合［6，7］。

圖5 擴底基礎地基土體1—1剖面處破壞面

3 結語

1)應用FLAC軟件對上拔荷載作用下碎石土場地擴底基礎地基土體破壞形態進行計算分析可知，其在上拔荷載作用下地基土體破壞面由基礎底部延伸到地基土體表面且呈軸對稱分布。

2)通過FLAC軟件對上拔荷載作用下碎石土場地擴底基礎地基土體破壞形態特征進行數值分析，獲得其破壞形態特征與前人研究結論相符合，說明可以應用FLAC軟件對碎石土場地擴底基礎地基土體進行數值計算。

［1］ 龔曉南.土塑性力學［M］.杭州:浙江大學出版社，1999.

［2］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 羅先啟，劉德富.西北口面板堆石壩面板溫度應力分析［A］.第六屆全國水利水電工程青年學術詞論會論文集［C］.北京:水利水電出版社，1995.

［4］ 張振華.深切河谷岸坡開挖過程動態監測預警方法研究［D］.武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所，2008.

［5］ 崔 強，張振華，魯先龍，等.擴底基礎上拔土體破壞模式及滑動面特征研究［J］.金屬礦山，2010(413):161-164.

［6］ Meyerhof，Adams.The Ultimate UP lift Capacity of Foundation［J］.CanGeoteehJ，1968，5(4):225-244.

［7］ 茜平一，劉祖德.淺埋斜錨板板周土體的變形破壞特性［J］.巖土工程學報，1992，14(1):62-66.