根键桩抗拔承载特性分析及变形预测_黄雪峰.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 1 1 9-0 8根键桩抗拔承载特性分析及变形预测黄雪峰*1,2,张吉禄1,周俊鹏3,韦林辉1,袁 俊4,王学明4(1.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 4 0 0 0 7 4;3.陆军勤务学院 军事设施工程系,重庆 4 0 1 3 1 1;4.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,陕西 西安 7 1 0 0 7 5)摘要:根键桩现场足尺试验表明,根键的植入不仅使基础承载力大幅提高,根键阻力的稳定发挥还能有效抑制桩体位移.但由于试验条件所限,并未对根键桩多种根键组合模式下极限承载力进行量测,仅凭现有成果无法系统预测根键桩荷载位移发展规律.故采用A B AQU S软件对足尺试验进行模拟分析,通过对比不同根键密度、位置下的Q-S曲线,确定不同根键组合对承载力的影响规律以及根键承载特性的变化情况,进而基于荷载传递理论提出考虑根键密度以及间距影响的根键桩非线性变形计算方法,结果表明理论计算与实测及模拟结果具有较高吻合度,能够正确反映不同根键组合模式下基础的变形规律.关键词:根键桩;抗拔承载特性;数值模拟;理论计算中图分类号:TU 4 7 3.1 文献标志码:AA n a l y s i so fu p l i f tb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e f o r m a t i o np r e d i c t i o no f r o o tp i l eHUAN GX u e-f e n g1,2,Z HAN GJ i-l u1,Z HOUJ u n-p e n g3,WE IL i n-h u i1YUANJ u n4,WAN GX u e-m i n g4(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i-v e r s i t y,C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4,C h i n a;3.D e p a r t m e n to fM i l i t a r yI n s t a l l a t i o n sE n g i n e e r i n g,A r m yL o g i s t i c a lU n i v e r s i t yo fP L A,C h o n g q i n g4 0 1 3 1 1,C h i n a;4.N o r t h w e s tE l e c t r i cP o w e rD e s i g nI n s t i t u t eC o.,L t d.o fC h i n aP o w e rE n g i n e e r i n gC o n s u l t i n gG r o u p,X ia n 7 1 0 0 7 5,C h i n a)A b s t r a c t:T h e f u l l-s c a l e f i e l dt e s to f r o o tp i l es h o w s t h a t i m p l a n t a t i o no f r o o t sn o to n l yg r e a t l y i m p r o v e st h eb e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o n,b u t a l s oe f f e c t i v e l yr e s t r a i n st h ed i s p l a c e m e n to fp i l ea t t r i b u t e dt ot h es t a b l ee x e r t i o no f r o o t r e s i s t a n c e.H o w e v e r,d u et ot h e l i m i t a t i o no f t e s tc o n d i t i o n s,t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f r o o tp i l e sh a sn o tb e e nm e a s u r e du n d e rv a r i o u sc o m b i n a t i o nm o d e s,a n dt h ee x i s t i n gr e s u l t sa-l o n ec a nn o t s y s t e m a t i c a l l yp r e d i c t t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f r o o tp i l e s.T h e r e f o r e,A B AQU Ss o f t-w a r e i su s e d t o s i m u l a t e a n da n a l y z e t h e f u l l-s c a l e t e s tm e n t i o n e d.B yc o m p a r i n gQ-Sc u r v e su n d e r d i f f e r e n tr o o td e n s i t i e sa n d l o c a t i o n s,t h e i n f l u e n c er u l eo fd i f f e r e n tr o o tc o m b i n a t i o n so nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h ec h a n g eo f t h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h er o o t sa r ed e t e r m i n e d.B a s e do nt h e l o a dt r a n s f e r t h e o r y,an o n l i n e a rd e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o do f t h e r o o t p i l e c o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c eo f t h e r o o tb o n dd e n s i t ya n dt h e s p a c i n g i sp r o p o s e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o nh i g h l ya g r e e sw i t h t h e s i m u l a-t i o nr e s u l t s,w h i c hc o r r e c t l y r e f l e c t t h ed e f o r m a t i o n l a wo f t h e f o u n d a t i o nu n d e r d i f f e r e n t r o o t b o n dc o m b i-n a t i o nm o d e s.K e yw o r d s:r o o tp i l e;u p l i f tb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n 近年来,我国在特大桥梁、特高压电塔等基础设 收稿日期:2 0 1 9-1 1-1 9 基金项目:重庆市研究生创新基金(C Y B 1 8 1 2 6)通讯作者:黄雪峰(1 9 6 0-),男,甘肃兰州人,博士,教授,博导.E m a i l:h x f e n 6 01 6 3.c o m置建设方面发展迅猛1-3,无论是桥梁的抗浮设计还是电塔上部导线截面大幅增加引起的上拔作用,都对基础的承载能力提出了更高的要求,传统等截面桩通过增加桩身直径以及加大埋深的方法对承载力提升有限,经济效益较差,且多受地形因素限制,为第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3满足工程建设中基础高承载力,良好经济效益的需求,扩底桩、支盘桩以及根键桩等多种变截面基础应运而生4-6,其中根键桩采用仿生学原理7,通过桩周植入土中的根键达到显著提高抗拔承载力,提高基础稳定性的目的.相比于扩底桩,根键桩的多层变截面设置能够使土体承载能力发挥更为充分,且根键通过钢筋与桩身连接,其强度明显高于素混凝土浇筑成型的支盘桩.根键桩作为一种新型变截面桩,尽管拥有较好的应用前景,但是由于其结构复杂,沉降变形难以预测6,理论研究较为滞后,并未在全国范围得到应用推广.自2 0 0 6年殷永高8提出以来,仅少数学者对其承载机理以及工程价值进行了探究,其中龚维明、卢元刚9-1 0等分别通过现场试验与数值模拟等手段对根键桩的水平以及抗压承载能力进行了不同程度的探究,结果表明,根式基础的抗压以及抗水平荷载能力均明显优于普通沉井基础,具有较高的工程应用价值;而葛楠等1 1通过模型试验对根键桩在砂土中的抗拔承载能力以及荷载传递规律进行了探究,并初步提出了根键进一步优化的思路;但是现有研究成果还存在诸多不足,上述试验中根键桩的形式较为固定,虽然在一定程度上揭示了根键的作用机理并验证了其工程价值,但是并未考虑不同根键间距和根键密度的变化对根键桩承载能力的影响,进而无法得到一种通用的预测根键桩非线性变形规律的理论计算解,这对根键桩在更大范围内的推广应用以及对工程实践的指导来说都较为不利.本文以现场足尺试验为对象,基于试验数据以及现场物理力学参数进行数值模拟分析,在此基础上探究不同根键层数,根键密度以及根键角度对基础抗拔承载力的影响,进而对根键承载特性以及不同根键组合方式下的基础非线性变形规律进行探究,以期为根键桩的进一步优化以及应用提供参考依据.1 现场试验1.1 现场地质概况试验位于兰州市某大厚度黄土地区,且多为自重湿陷性黄土,经现场勘测地表2 m左右为杂填土,力学性能较差,试验深度范围内天然土层为粉土与粉质粘土交错分布,现场地下水水位较深,故地下水对基础承载能力影响可忽略不计,具体各土层物理力学参数如表1所示.表1 现场试验各土层物理力学参数T a b.1 P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f s o i l l a y e r so f f i e l dt e s t层号名称密度/(gc m-3)孔隙比e湿陷性s 0.2z s粘聚力c/K P a摩擦角/()粉土1.3 51.1 8 70.1 1 40.0 1 82 31 9.6粉质粘土1.5 30.9 2 20.0 6 90.0 2 22 51 8.3粉土1.4 81.0 1 90.0 5 60.0 2 52 31 9.4