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扩底桩抗拔承载特性数值分析


第29卷第6期
2009年12月

防灾减灾工程学报
Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering

V01.29 No.6 Dec.2009

扩底桩抗拔承载特性数值分析‘
张金利1,阮孝政1,蔡桂林2
(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室、大连理工大学土木水利学院,辽宁大连116024; 2.抚顺石化公司工程部,辽宁抚顺113008)

摘要:基于通用软件ABAQUS,建立了扩底抗拔桩三维弹塑性有限元模型,通过对模型的计算与分析,探讨了扩底 桩的抗拔承栽特性。为验证数值模型的可靠性,将数值计算得到的荷载一位移关系曲线与试桩资料进行比较,两者 吻合较好,表明本文所建立的模型可较好地模拟扩底抗拔桩的工作性状。通过计算与分析,探讨了扩底抗拔桩的轴 力、侧摩阻力分布特征,桩身和扩大头周围土体变形与塑性应变的发展规律,以及扩大头的挤压作用对扩大头周围 土体竖向应力的影响。同时,通过变动参数研究了扩大头的形状、土体的性质对扩底桩抗拔承载力的影响,结果表 明,扩大头直径和扩大头周围土体的性质对抗拔承载力的影响较大,而扩底高度的影响相对较小。 关键词:扩底抗拔桩;抗拔承载力;扩大头;承载特性;数值分析
中图分类号:TU473.1+l

文献标识码;A

文章编号:1672—2132(2009)06—0624—08

的荷载传递机理、桩周土体的位移和塑性应变分布 0

引言
随着城市建设的发展,抗拔桩开始应用于主要

特征及扩底周围土体的竖向应力分布,进而通过变 动参数的对比计算,探讨了系列因素对扩底桩抗拔 承载力的影响。

承受浮托力的地下结构,其中上海世博500 kV大型 地下变电站就是一个典型的工程实例[1]。然而,抗拔 桩基础尤其是扩底抗拔桩的承载力取值,一直是工 程设计的难题。目前,国内外对扩底抗拔桩的研究尚 处于初期探索阶段。 Diekin和Leung[2门3先后通过室内离心机模型 试验研究了砂土中抗拔桩的承载力;郦建俊等“]、黄 茂松等[5]分别从不同的角度假设抗拔桩的破坏模 式,然后利用极限平衡法分析了扩底桩的抗拔承载 力;王卫东等[6]、吴春秋等r7]对抗拔桩进行了原位试 验,并在此基础上进行了相应的理论分析;Brich和 Dickin[81利用有限元分析软件DYNA一3D,研究了砂 土中扩底桩的抗拔承载力;吴江斌等£9’1…、黄茂松 等[1¨通过建立轴对称模型,分别对扩底桩扩大头的 作用机制和开挖条件下桩基础的抗拔特性进行了分 析,但这些均未对扩底桩的破坏模式及参数进行讨 论。目前关于这方面的研究,有限元分析效果较好, 因此本文通过数值计算与对比分析,研究了扩底桩
Fig.1

1有限元模型的建立
考虑到结构与地基及加载条件的对称性,只取 桩基一地基耦合体系的一半建立有限元模型,如图1 所示。整个计算模型采用三维8节点减缩积分实体 单元。在有限元模型的底面边界上约束三个方向的 自由度,侧面边界上约束1、2方向的自由度,对称面 上只约束2方向的自由度。土体采用基于Mohr—Cou

图1有限元分析模型
Computational

model in FEM analysis

?收稿日期:2009—03—05;修回日期:2009—05—03

基金项目:国家自然科学基金项目(50679015)资助 作者简介:张金利(1964一),男,副教授,博士。主要从事环境岩土工程与桩基工程方面的教学与研究。
Email:rxz308290467@163.com

万方数据  

第6期

张金利等:扩底桩抗拔承载特性数值分析

625

一lomb屈服准则的理想弹塑性模型;桩体采用线弹 性模型。计算区域沿径向取20倍的桩径,沿深度取 1.5倍的桩长,这样可以消除边界的影响以满足计 算精度的要求[1
2。。

桩抗拔承载力时的可靠性,这里利用黄茂松等提供 的具体数据和计算参数进行计算,并与其所给出的 试验结果相比较。其中,桩长L_--27 m,桩身直径d_--
0.45

m,扩底高度L1=2 m,扩底直径D--_0.8 m(即

1.1桩土摩擦模型的选取 在通用软件ABAQUS中,利用接触对算法模 拟桩土接触面之间的相互作用效应。在建立模型时, 只需设置主面和从面而不需要假定其接触状态,计 算过程中,根据桩与土界面上的法向应力直接判断 接触状态。当界面上的法向应力为拉应力时,则桩与 土之间发生相对分离,界面上的摩擦力全部消失;当 界面上法向应力为压应力时,则桩与土之间处于接 触状态,此时界面上的摩擦力由Coulomb摩擦定律 确定,即
rc,it=卢户

扩径比D/d=1.78),桩土间的摩擦系数卢一0.2。具 体计算参数见表1。计算中,利用位移加载时,为了使 桩的顶部受力均匀,用刚片对其进行了局部加强。 有限元计算得到的扩底抗拔桩荷载一位移曲线 如图2所示。由图可以看出,计算结果与试验结果吻 合较好,由此表明了利用本文建立的有限元模型分 析扩底抗拔桩承载特性的可靠性。
表1材料物理力学计算参数
Table 1 Physical piles and mechanical parameters of soils and

式中卢为界面之间的摩擦系数; P为界面上法向接触压力。 当界面上的切向应力小于临界值矗m时,接触面 之间处于粘结状态;当界面上的切向力大于临界值 rcm时,接触面将相对滑动。接触面从粘结状态转变 为滑动状态而产生的不连续性,往往导致有限元计 算不收敛,为了解决这个问题,ABAOus采用罚刚 度方法,引入了一个“弹性滑动”的罚刚度函数因子, 允许处于粘结状态的接触面之间发生微小的“弹性
相对滑动”Li3]。

鲫 枷 枷 咖

丕、赫枢肾辑

1.2加载方式的选取 与模型试验相似,在有限元计算与分析中,一般 采用荷载控制方法或位移控制方法进行加载。与荷 载控制法相比,位移控制法所获得的荷载一位移曲 线一般较准确。采用位移加载的好处还在于当荷载 达到上拔极限时,能准确找到该极限值,且位移加载 仍可继续,只是桩身上拔力不再提高,计算仍然可以 收敛。如果采用桩顶外力加载,在超过桩的极限承载 力后,外力加载不再有效,导致计算不收敛。因此,本 文的计算模型采用位移控制方法进行加载。 3
Fig.2

鲫 枷 瑚


桩项位移/mm

图2试验结果与有限元计算结果比较
Comparison between field suits
test

data and

FEM

re—

上拔荷载作用下扩底桩荷载传递机理
为了分析竖向上拔荷载作用下扩底桩的抗拔承

2有限元模型的验证
黄茂松等(文献[11])以足尺试验中的桩为模拟 对象,通过对模拟和足尺试验所得的荷载一位移曲 线的比较,给出了对其进行数值计算的桩及周围土 体的参数。为了验证本文所建立的模型在计算扩底

载特性,取桩长L一20 m、桩身直径d一0.8 m、扩大 头长度L,=2.0 m、扩底直径D一1.6 m(即扩径比 D/d=2)进行有限元计算。桩周土体分为两层,将扩 大头埋置在下层较好土体中,土体取表1中的⑧和 ⑥土层的参数。

万方数据  

防灾减灾工程学报

第29卷

3.1荷载位移曲线 有限元计算所得扩底桩的桩顶上拔荷载一位移 曲线如图3所示。由图可以看到,该曲线呈缓变型,在 达到拐点之后,承载力随位移的增大继续增大,所以 通常根据位移确定极限承载力,这与王卫东等(文献 [6])从实验中观察到的现象及所得结论是一致的。


载的52%,所以扩大头对提高扩底桩的抗拔承载力 起着重要作用。 3.3桩侧摩阻力分布曲线 上拔荷载作用下,桩侧摩阻力沿深度的分布如 图5所示。由图可以看出,在不同深度处,桩侧阻力 的发挥特征并不相同。当上拔荷载较小时,随着荷载 的增大,桩身周围侧摩阻力逐渐发挥,此时扩底部分 尚未发生作用;当上拔荷载达到1
500

姗 咖 姗 咖 姗 咖 姗



kN时,桩身周






围侧摩阻力基本完全发挥;此后,随着上拔荷载的继 续增大,桩身周围侧阻力值基本不变,但是扩大头处 摩阻力仍在逐渐增大。所以扩底桩在较大位移时,其 承载力仍有增大的趋势,即荷载位移曲线呈缓变型。
0 2 4

辎 枢 辎 U 瞽 掣







\ 趟 殛



0 2 4 6

\ 型lO 媾
12 14 16 18 20 0 500 1 000 l 500 2 000 2 500 3 000





桩身轴力/kS

图4桩身轴力沿深度分布曲线
Fig.4 Distribution of axial force along pile body

万方数据  

第6期

张金利等:扩底桩抗拔承载特性数值分析

627

图7上拔荷载下土体等效体塑性应变分布
Fig.7 Effective plastic strain distribution of soil uplift loading under

向,短轴为扩底表面法线方向。如果扩大头周围土体 受挤压而发生冲剪破坏,可以初步认为其破坏滑移 将发生在等效塑性区内,等效塑性区的形状有助于
图6上拔荷载下桩土位移分布
Fig.6 Displacement distribution of pile and soils under uplift loading

理解扩底桩的极限破坏机制。 3.6扩大头周围土体竖向应力分析 在距离桩底1.75 m处的扩大头周围土体竖向 应力分布如图8所示。由图可以看出,当上拔荷载小 于1
000

扩大头周围的土体中。塑性区由扩大头顶端逐步向 四周和下方扩展,其扩展方向基本为扩底锥面的法 线和切线方向。当上拔荷载为2
500

kN时,桩周土体

kN时,扩大头与周围土体基本没有发生相

的塑性区呈半个椭球形,长轴方向为扩底表面切线方

互作用,对周围土体竖向应力没有影响;当荷载大于

万方数据  

628

防灾减灾工程学报

第29卷

1 000

kN时,扩大头与土体开始发生相互作用,并

可以看出,扩底桩抗拔承载力随桩身直径的增大而 增大。所以增大桩径对提高扩底桩抗拔承载力的效 果非常明显。
4 500 4000 3

且随着上拔荷载的增加,对土体竖向应力的影响也 增大。就扩大头周围土体而言,当上拔荷载为1
000

kN时,土体竖向应力为320 kPa;而当上拔荷载为
2 500

kN时,土体的最大竖向应力为460 kPa,增大



5∞

了44%,可见扩大头对抗拔力的作用是非常明显的。

30∞

赫 2 5∞ 枢 20∞ 肾 辑

童 蓄 毒
蛙-H

l 500 1 ooo 500 0

桩顶位移/mm

图10不同桩身直径下的荷载一位移曲线
Fig.10 Uplift load—displacement ferent diameters of pile
curves

in

cases

of dif-

图8上拔荷载下扩大头周围土体竖向应力分布
Fig.8 Vertical
stress

4.3扩底高度的影响 对于扩底高度L。一1.0、2.0、3.0 m的扩底抗拔

in soils around enlarged base

4参数分析
4.1桩长度的影响 对于长度£一12、16、20 m的扩底桩,有限元计 算得到的上拔荷载一位移曲线如图9所示。由图可 以看出,扩底桩抗拔承载力随桩长的增大而增大,但 是随着桩长的增大,拐点处对应的位移也在增大,即 需要更大的位移才能充分发挥其极限承载力。


桩,有限元计算所得到的上拔荷载一位移曲线如图 11所示。由图可以看出,桩的抗拔承载力随着扩底 高度的增大而降低,但降低的幅度不大,表明其对抗 拔承载力的影响不大。 4 咖
3 3 2 2 l 1









咖 姗 咖 姗 啪 姗

蚤、毹稼匿辑







茧 ~




撂 匿 辑



桩顶位移/mm



图11不同扩底高度下的荷载一位移曲线
Fig.1 l Uplift

load-displacement

curves

in

cases

of dif-

ferent heights of enlarged base

4.4扩径比的影响 对于扩径比D/d一2.0、2.5、3.0的扩底桩,有 限元计算所得到的上拔荷载一位移曲线如图12所 示。由图可以看出,扩底桩的抗拔承载力随着扩径比 的增大而增大。所以适当增大扩径比对提高扩底桩 对于桩身直径d=0.6、0.8、1.0 m的扩底桩,有 限元计算得到的荷载~位移曲线如图10所示。由图 抗拔承载力的效果非常明显,但考虑到施工难度,建 议扩径比取2~3为宜。

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6000

张金利等:扩底桩抗拔承载特性数值分析

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载力几乎没有变化,即E。对极限抗拔承载力影响很 小。


5000

咖 湖 雠 姗 咖 姗 咖



茧4000

3 3 2 2

鬈3


000

担2000

l 000

互、繇挺臀埠

l l

桩顶位移/mm

图12不同扩径比下的荷载一位移曲线
Fig.1 2 Uplift load—displacement
cuYves

in

cases

of dif-

桩项位移/o
图14不同桩身周围土体弹性模量下的荷载一位移曲线
Fig.1


ferent diameters of enlarged base

4.5桩身弹性模量的影响 对于桩身弹性模量Ep一2、5、lO、20、30 GPa的 扩底桩,有限元计算得到的荷载~位移曲线如图13 所示。由图可以看出,当桩身弹性模量小于20
GPa

Uplift load-displacement

curves

in

cases

of dif-

ferent elastic moduli of soils around piles

4.7扩大头周围土体弹性模量的影响 假设桩身周围土体弹性模量Ec=15 MPa,变动 扩大头周围土体弹性模量Eb,对于E“/Ec一1、2、3、4、

时,对承载力影响较大;当桩身弹性模量大于20 GPa时,对承载力几乎没有影响。因而在扩底桩施 工时,应采取措施严格控制桩体质量。


5几种情况,有限元计算得到的荷载一位移曲线如
图15所示。由图可以看出,扩底桩的抗拔承载力随 着E。的增大而增大;在相同的上拔荷载作用下,桩 顶位移随着E“的增大而降低。所以E“的增大,不仅 可以提高扩底桩的抗拔承载力,同时也可以降低桩 顶位移。

咖 湖 嘲








蚤\醛柱爵搿







咖 姗 3 ㈣
4 3 2 2

誊| 嘲


桩顶位移/mln ,I)I、赫耀簪辑
l l

图13不同桩身弹性模量下的荷载一位移曲线
Fig.1 3 Uplift load—displacement
curves





in

cases

of dif—

ferent elastic moduli of pile body

4.6桩身周围土体弹性模量的影响 假设扩大头周围土体弹性模量Es=40 MPa,对 于桩身周围土体弹性模量Ec=5、10、20、30 MPa的 几种情况,有限元计算得到的荷载一位移曲线如图 “所示。由图可以看出,随着E。的增大,扩底桩荷载 ~位移曲线拐点前的直线段斜率逐渐增大,相同上 拔荷载下,桩顶位移随着E的增大而降低,但降低 的幅度却越来越小,这说明E。增大到一定程度后, 若再继续增大,对桩的承载力和位移的影响越来越 小。同时也可以看出,不同E。时,扩底桩抗拔极限承 5
Fig.1 5

桩顶位移/mm

图15不同扩大头周围土体弹性模量下的荷载一位移曲线
Uplift

load—displacement

curves

in

cases

of dif-

ferent elastic base

moduli of soils around enlarged

结论
基于大型通用有限元分析软件ABAQUS平

台,建立了扩底桩三维有限元模型,分析了上拔荷载 作用下扩底桩的荷载传递机理和桩周土体的位移、

万方数据  

防灾减灾工程学报

第z9卷

塑性应变分布及扩大头周围土体竖向应力分布,进 而通过变动参数的对比计算,探讨了桩的长度、桩身 直径、扩底高度、扩径比及土的弹性模量等因素对扩 底桩抗拔承载力的影响。研究结果表明: (1)扩底桩的荷载传递是从桩顶往桩端逐步发 展的,当桩身侧摩阻力完全发挥后,扩大头作用才得 以充分发挥,并且随着上拔荷载的增大,扩大头提供 的荷载占总上拔荷载的比例在增大,极限状态时约 占50%。 (2)当上拔荷载较小时,扩底桩和桩侧土体位移 同步,即桩土不发生相对滑移,此时上拔荷载对桩身 周围土体位移影响较大。随着上拔荷载的增大,桩和 周围土体发生相对滑移,此后桩身周围土体位移变 化不大,而扩大头周围土体位移随上拔荷载的增大 而逐渐增大,极限状态时土体的位移主要集中在扩 大头的周围。随着桩顶上拔荷载的增大,塑性区由扩 大头顶端逐步向四周扩展,极限状态时,等效塑性区 域呈半个椭球形。 (3)上拔荷载较小时,扩大头对周围土体几乎没 有影响;随着上拔荷载的增大,扩大头对周围土体竖 向应力的影响越来越大,但是距离桩中心越远,影响 越小。 (4)扩底桩的抗拔承载力随桩长、桩身直径、扩 径比的增大而增大,在工程中可根据实际地质情况 确定合理的尺寸。 (5)扩底桩的抗拔承载力随扩底高度的增大而 减小,但减小的幅度并不大。 (6)扩大头周围土体弹性模量E。对桩的荷载一 位移曲线影响较大,Eb越大,桩的抗拔承载力就越 大;桩身周围土体弹性模量E。仅影响荷载一位移曲 线的直线段,E。越大,直线段的斜率就越大,而对拐 点之后的曲线几乎没有影响。
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慧,田

明,等.考虑多年冻土蠕变特性

Numerical Analysis of Behavior of Uplift Resistance
of Piles with Enlarged Base
ZHANG Jin—lil,RUAN Xiao—zhen91,CAI Gui—lin2
(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 1 1 6024,China; 2.Fushun Petrochemical Corporation Division,Fushun 1 13008,China)

Abstract:A three—dimensional elastic—plastic model of structed

an

uplift—resistant pile with enlarged base was

con—

with the general—purpose software ABAQUS.The behavior of uplift resistance of the pile was
to

studied with the finite element model.In order suit was compared with that of
an

validate the finite element model,the computational

re— U—

in—situ full—scale pile test.The comparison shows that the behavior of
can

plift resistance of piles with enlarged base

be simulated with the model.Then the distributional charac—

teristics of axial force and frictional force,the developing regularity of deformation and plastic strain in soils surrounding the pile body and base,and the effect of the enlarged base
to

vertical

stress

in soils were

studied.At the same time,by changing the parameters,the sensitivity was analyzed for different diame— ters,lengths,expansion angles of the enlarged base,and the characteristics of soils where the enlarged base was embedded;and the analysis shows that the diameter of the enlarged base and the characteristics of surrounding soils have relatively great effect of the enlarged base is rather little.
Key
on

the uplift—resistant capacity while the effect of the height

words:uplift—resistant piles with enlarged base;uplift—resistant capacity;enlarged base;behavior of uplift resistance;numerical analysis

万方数据  

扩底桩抗拔承载特性数值分析
作者: 作者单位: 张金利, 阮孝政, 蔡桂林, ZHANG Jin-li, RUAN Xiao-zheng, CAI Gui-lin 张金利,阮孝政,ZHANG Jin-li,RUAN Xiao-zheng(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实 验室、大连理工大学土木水利学院,辽宁,大连,116024), 蔡桂林,CAI Gui-lin(抚顺石化公 司工程部,辽宁,抚顺,113008) 防灾减灾工程学报 JOURNAL OF DISASTER PREVENTION AND MITIGATION ENGINEERING 2009,29(6) 1次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(13条) 1.王卫东;吴江斌;许亮 软土地区扩底抗拔桩承载特性试验研究[期刊论文]-岩土工程学报 2007(09) 2.黄茂松;郦建俊;王卫东 开挖条件下抗拔桩的承载力损失比分析[期刊论文]-岩土工程学报 2008(09) 3.郦建俊;黄茂松;木林隆 分层地基中扩底桩抗拔承载力的计算方法研究[期刊论文]-岩土力学 2008(07) 4.吴江斌;王卫东;黄绍铭 扩底抗拔桩扩大头作用机制的数值模拟研究[期刊论文]-岩土力学 2008(08) 5.Birch A J;Dickin E A The response to uplift loading of pyramid foundations in cohesionless backfill 1998(68) 6.吴春秋;肖大平;吴俊 深埋纯地下建筑不同抗拔桩型承载性状试验研究[期刊论文]-岩土工程学报 2007(09) 7.Dickin E A;Leung C F The influence of foundation geometry on the uplift behavior of piles with enlarged bases in sand 1992(03) 8.Dickin E A;Leung C F Performance of piles with enlarged base subject to uplift forces 1990(05) 9.Hibbit Karlson Sorrenson ABAQUS User's Manual 6.3 2002 10.孙学先;张慧;田明 考虑多年冻土蠕变特性的抗拔桩非线性有限元分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2007(z1) 11.黄茂松;任青;王卫东 深层开挖条件下抗拔桩极限承载力的分析[期刊论文]-岩土工程学报 2007(11) 12.吴江斌;王卫东;黄绍铭 等截面桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析研究[期刊论文]-岩土力学 2008(09) 13.王卫东;翁其平;吴江斌 上海世博500 kV地下变电站超深抗拔桩的设计与分析[期刊论文]-建筑结构 2007(05)

本文读者也读过(10条) 1. 张萍.白晓红.郭磊.崔广仁.ZHANG Ping.BAI Xiao-hong.GUO Lei.CUI Guang-ren 钢筋混凝土旋扩变径桩现场原 体试验及分析[期刊论文]-建筑科学2008,24(11) 2. 陈娟.CHEN Juan 软土地基抗拔桩极限抗拔力影响因素分析[期刊论文]-华东交通大学学报2009,26(6) 3. 王卫东.吴江斌.王敏 扩底抗拔桩在超大型地下工程中的设计与分析[会议论文]-2007 4. 罗绍明 钻孔扩底灌注桩适应性问题的分析研究[期刊论文]-探矿工程-岩土钻掘工程2004,31(5) 5. 沈保汉.梁毅.黄锦玉.张慧燕.黎志中.Shen Baohan.Liang Yi.Huang Jinyu.Zhang Huiyan.Li Zhizhong 静压沉 管复合扩底灌注桩[期刊论文]-施工技术2009,38(9) 6. 蒋复量.戴兴国.唐四联.唐一谋.Jiang Fuliang.Dai Xingguo.Tang Silian.Tang Yimou 钻孔扩底灌注桩沉降量 的灰色预测[期刊论文]-矿业研究与开发2005,25(1) 7. 陈吾兵 钻孔扩底灌注桩应用研究的现状及进展[会议论文]-2006 8. 胡德生.徐佳炜.赵洪波.HU De-sheng.XU Jia-wei.ZHAO Hong-bo 日本桩基施工现状和今后动向[期刊论文]-山 西建筑2007,33(30) 9. 王珊珊.卢成原.贾颖栋.王科元.WANG Shan-shan.LU Cheng-yuan.JIA Ying-dong.WANG Ke-yuan 桩在上拔荷载 作用下的工程性状研究进展[期刊论文]-浙江工业大学学报2008,36(3)

10. 熊孝波.桂国庆.刘献江.许建聪 基于ANFIS的全夯式扩底灌注桩极限承载力预测研究[会议论文]-2008

引证文献(1条) 1.周德泉.付玉芬 斜拉荷载作用下扩底桩的工程性状[期刊论文]-中外公路 2011(3)

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