陳立宏，張清林，2，袁希雨

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

1 前言

抗拔樁是抗拔基礎(chǔ)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(fā)展，抗拔樁的應(yīng)用日益廣泛，在高聳建筑物、輸電塔、抗浮地下結(jié)構(gòu)、橋梁基礎(chǔ)、凍脹和膨脹土地區(qū)的建筑中得到了廣泛應(yīng)用。對于傳統(tǒng)的非嵌巖等截面豎樁，樁的抗拔力都由側(cè)阻提供，而抗拔側(cè)阻力要小于抗壓時(shí)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(shù)，而采用變截面樁，改變單純由側(cè)阻提供抗拔力的承載模式是一個(gè)更好的選擇。近年來在各種建筑物基礎(chǔ)中擴(kuò)底樁的應(yīng)用日趨增加，而多節(jié)擴(kuò)孔樁在樁身上部的擴(kuò)大部分能更早地發(fā)揮抗拔力，相對而言是一個(gè)更好的選擇。

DX樁是多節(jié)擠擴(kuò)樁中的優(yōu)秀代表，其是在普通直孔樁基礎(chǔ)上通過擠擴(kuò)裝置擠擴(kuò)成擴(kuò)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(shí)踐表明了DX樁優(yōu)異的抗拔性能，但實(shí)踐應(yīng)用仍然相對較少，而且對于DX樁的抗拔受力機(jī)理、計(jì)算方法以及沉降的計(jì)算還處在探索階段，因此非常有必要進(jìn)行深入的研究。文章通過數(shù)值計(jì)算方法對DX樁進(jìn)行抗拔承載性狀的研究，以期能增加對DX樁抗拔機(jī)理的認(rèn)識。

2 研究現(xiàn)狀

由于承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時(shí)旋擴(kuò)設(shè)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(jī)理，大幅度地提高了樁的抗拔承載力，現(xiàn)場抗拔試驗(yàn)表明DX旋挖擠擴(kuò)灌注樁的抗拔效果是普通直孔樁的2倍甚至更多，而且發(fā)揮極限承載力需要的位移更小［1～3］。與傳統(tǒng)的擠擴(kuò)技術(shù)相比，旋挖擠擴(kuò)裝置有著顯著的優(yōu)勢，雙油缸雙向相對位移帶動(dòng)三對旋擴(kuò)臂對土體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擠壓，擠壓過程中同時(shí)完成切削、碾壓、擠擴(kuò)，旋擴(kuò)臂始終與土體接觸，上下面土體均被擠壓，土體擾動(dòng)小，無沉渣或少掉土。而且具有施工快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)。承力盤的位置可根據(jù)地層條件選擇持力層，具有靈活性好、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，這一樁型目前在抗拔樁領(lǐng)域應(yīng)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(jié)約工期，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，DX樁應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。

但是DX樁的抗拔機(jī)理研究則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，目前的研究主要是通過一些樁基的靜載荷試驗(yàn)來反饋分析，深入的研究工作很少。這主要是因?yàn)?

1)多節(jié)旋挖擠擴(kuò)灌注樁的承載力機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。與常規(guī)直孔樁完全不同，多節(jié)旋挖擠擴(kuò)灌注樁是多支點(diǎn)的摩擦端承樁?？箟撼休d力由3部分組成:樁側(cè)摩阻力、承力盤阻力、樁底端阻力，抗拔承載力則由樁側(cè)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(fā)揮;同時(shí)，承力盤的大小、位置、數(shù)量、角度也會對抗拔承載力造成影響。多級擴(kuò)徑體的存在導(dǎo)致了目前人們對承載機(jī)理的認(rèn)識還很不充分，制約了其在工程中的應(yīng)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(jī)理更為復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐發(fā)展。國內(nèi)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(jīng)驗(yàn)性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)和深入的機(jī)理研究相對不多。當(dāng)前抗拔樁的設(shè)計(jì)主要借鑒抗壓樁的設(shè)計(jì)方法，即以樁的抗壓側(cè)摩阻力乘以經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)后作為抗拔樁的側(cè)摩阻力，進(jìn)而估算抗拔樁的摩阻力。

3)DX樁發(fā)展時(shí)間不長。DX樁技術(shù)是在國內(nèi)獨(dú)立發(fā)展起來的新型樁基技術(shù)，發(fā)展時(shí)間才十多年，因此相對試驗(yàn)資料不足、計(jì)算理論也不成熟［4，5］。

對于等截面抗拔樁，國內(nèi)外進(jìn)行了較多的模型試驗(yàn)和一些現(xiàn)場原位試驗(yàn)研究。Kulhawy在1979年進(jìn)行了砂土中大型模型樁抗拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(yàn)，探討了打樁方式、砂的密實(shí)形態(tài)等對抗拔力的影響［8］。其他許多學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，清華大學(xué)就曾利用滲水力方法進(jìn)行了模型試驗(yàn)、現(xiàn)場足尺試驗(yàn)，對樁側(cè)阻的發(fā)揮機(jī)理進(jìn)行了探索。國內(nèi)外根據(jù)大量的研究發(fā)現(xiàn)，一般破壞可分為倒圓錐臺、圓柱和復(fù)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(chǔ)上進(jìn)行的。對于擴(kuò)底樁的抗拔研究近年來比較多，主要是以模型試驗(yàn)為主，現(xiàn)場原型試驗(yàn)也有不少。

DX樁是一種新型樁基技術(shù)，相關(guān)研究較少，與其他樁型一樣，研究主要集中于DX樁的實(shí)踐效果和抗壓機(jī)理，包括室內(nèi)模型試驗(yàn)、大比尺模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算等。DX樁的抗拔研究目前還非常少，文獻(xiàn)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(jìn)行過大尺寸的模型樁抗拔試驗(yàn)［9］，對樁身端阻、側(cè)阻的發(fā)揮規(guī)律進(jìn)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(jìn)行過對比計(jì)算分析，并提出了用于規(guī)范計(jì)算的建議公式［10］。趙明華等通過增加折減系數(shù)的辦法提出了一個(gè)DX樁抗拔承載力的計(jì)算方法［11］。

3 DX單樁抗拔的數(shù)值模擬

3．1 數(shù)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(tài)，也改變了位移與抗拔力之間的關(guān)系。另外承力盤的深度、大小、盤的數(shù)量對抗拔性能都有很大的影響，對這些問題現(xiàn)在依然沒有開展過太多的研究工作，大大制約了DX樁的應(yīng)用。在DX樁抗拔的數(shù)值模擬計(jì)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(wǎng)格劃分的范圍取徑向?yàn)?0 m，深度為樁底14 m，如圖1所示。為對比起見，還同時(shí)進(jìn)行了直孔樁的抗拔模擬計(jì)算，直孔樁尺寸和數(shù)值模擬中的參數(shù)與DX單樁中的相同。計(jì)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(shù)值計(jì)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(jì)算參數(shù)見表2。計(jì)算采用分級加載，共分12級。采用的土的參數(shù)是文獻(xiàn)［12］中現(xiàn)場試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

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

表2 DX單樁數(shù)值計(jì)算所采用的本構(gòu)模型及參數(shù)Table 2 Constitutive models and parameters in numerical simulation of DX single pile

3．2 模型參數(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬所采用的本構(gòu)模型及所取參數(shù)的可靠性，用數(shù)值計(jì)算中所取的模型及參數(shù)對文獻(xiàn)［12］中的模型試驗(yàn)的1號樁、5號樁進(jìn)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(wǎng)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(wǎng)格劃分Fig．3 Meshing of pile 1 and pile 5 in simulation

數(shù)值模擬中的加載級數(shù)和每級荷載大小與實(shí)際情況一致，聯(lián)合數(shù)值計(jì)算得到的樁頂在各級荷載下的沉降量與聯(lián)合模型試驗(yàn)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(shù)值計(jì)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(shù)值計(jì)算出的Q－s曲線沒有發(fā)生突變，故按文獻(xiàn)［13］取樁頂沉降為0．05d或40 mm時(shí)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(shí)樁頂荷載為樁的極限承載力。

由圖4可知數(shù)值計(jì)算出長度為2 m、直徑為0．15 m、有一個(gè)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(rèn)為三者的極限承載力很接近。

故完全可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算所取的參數(shù)是合理的、可靠的。

3．3 抗拔曲線

通過數(shù)值分析計(jì)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(xiàn)緩變，而相同直徑的普通直孔樁則出現(xiàn)突變。DX樁承受抗拔的能力遠(yuǎn)比普通直孔樁強(qiáng)，DX樁在上拔荷載7536 kN時(shí)位移為44．6 mm，而直孔樁在2638 kN后就出現(xiàn)了位移突變。對于有兩個(gè)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(shí)，樁身與土層之間的剪切力使地基土體發(fā)生剪切位移，當(dāng)?shù)鼗馏w的剪切位移超過極限位移后，就發(fā)生破壞。而對于DX樁，當(dāng)?shù)鼗馏w達(dá)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(cè)中下部的摩阻力逐步發(fā)揮出來;由于粘性土的極限位移只有6～12 mm，故當(dāng)樁土相對位移大于樁土的極限位移后，樁身上部的側(cè)阻已發(fā)揮到最大值并出現(xiàn)滑移。

3)在樁頂?shù)谒募壓奢d即3014 kN時(shí)，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(xù)加載時(shí)，DX樁的優(yōu)越性就表現(xiàn)出來了。

3．4 承力盤阻力的發(fā)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?yàn)樵跇俄敵惺苌习魏奢d時(shí)，沿樁深度方向上，樁身軸力逐漸轉(zhuǎn)化為樁側(cè)摩阻力和承力盤的端阻力。在經(jīng)過上、下兩個(gè)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(cè)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(dān)。沿樁的深度方向上有兩個(gè)突變，這是因?yàn)槌辛ΡP承受了較大的荷載，使樁身軸力在經(jīng)過承力盤時(shí)減小的幅度較大。

圖6 DX單樁受上拔荷載時(shí)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(fā)揮也可以通過承力盤周圍土體單元出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍來說明，在不同級上拔荷載下樁周土體的塑性區(qū)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(fā)生塑性區(qū)的單元個(gè)數(shù)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(fā)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(qū)都進(jìn)一步增大，說明兩承力盤阻力都發(fā)揮了作用。

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

3)當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大時(shí)，兩承力盤周圍土體的塑性區(qū)也進(jìn)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(fā)生拉破壞。

4)總體來說，DX樁在承受上拔荷載的時(shí)候，承力盤阻力的發(fā)揮也具有時(shí)序效應(yīng)。上承力盤阻力先發(fā)揮，下承力盤阻力再發(fā)揮。

4 結(jié)語

通過大比例尺模型試驗(yàn)和DX樁的數(shù)值計(jì)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(shù)值計(jì)算得出具有兩個(gè)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(fā)揮具有明顯的時(shí)間順序效應(yīng)，上部盤的承載力先發(fā)揮，下部盤的承載力后發(fā)揮。當(dāng)荷載進(jìn)一步增大后，下盤承擔(dān)的上拔荷載要高于上盤。主要是由于下盤周圍土體應(yīng)力較大，可承擔(dān)的極限承載力較大，而這一結(jié)果與部分實(shí)測結(jié)果略有不同。文獻(xiàn)［1］中實(shí)測數(shù)據(jù)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(shù)還有待提高。

［1］沈保漢，王海燕，劉振亮，等．北京BGFD風(fēng)電場兩節(jié)DX擠擴(kuò)灌注樁抗壓和抗拔承載力機(jī)理的試驗(yàn)研究［J］．工業(yè)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(xué)，2003，24(增刊2):517－520．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程JGJ171－2009［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

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

［5］賀德新，沈保漢．DX擠擴(kuò)裝置及DX多節(jié)擠擴(kuò)樁的應(yīng)用［J］．工業(yè)建筑，2001，31(1):27 －31．

［6］曹可之．DX樁基技術(shù)及實(shí)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(jī)理的現(xiàn)場試驗(yàn)研究［J］．工業(yè)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(yè)建筑，2005，35(6):52－55．

［11］趙明華，李微哲，單遠(yuǎn)銘，等．DX樁抗拔承載機(jī)理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［J］．巖土力學(xué)，2006，27(2):199－203．

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

［13］中華人民共和國建設(shè)部．建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ94－2008［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．