（岩土工程专业论文）扩底墩竖向承载性状的数值模拟.pdf

摘要 摘要 为分析扩底墩基础的竖向承载性状，本文选取了三组不同工程地质条件下 的扩底墩基础工程实例，分别建立了扩底墩墩土接触三维非线性有限元数值模 型，可以发现计算与实测结果基本吻合。说明有限元模型的建立与计算参数选 取是合理的，利用上述方式计算其它不同工况的扩底墩基础，所得结果与工程 实际是相符的，同时对计算结果进行分析所得到关于扩底墩承载性状的规律是 正确的。 建立了不同扩底墩尺寸的三组扩底墩数值模型，分析不同墩身长度、扩底 直径以及扩大头锅底高度时扩底墩的承载性状；对不同墩身长度下侧阻与端阻 的发展过程。以及扩底墩墩身长度、扩底直径和锅底高度对承载力和墩底压力 的影响进行了分析。可以发现，随着墩身长度的增加，扩底墩承载力随之增大， 但提高的幅度不大；随着扩底直径的增加，扩底墩承载力有明显提高，基本成 线性关系；扩大头锅底高度的增加对扩底墩承载力影响较小，但在其他条件不 变的情况下通过变化锅底高度使扩底墩承载力提高是非常有必要的，一方面可 以达到较好的经济效益，另外可以减小墩底边缘的应力集中，所以建议扩大头 底部应设计为锅底形，锅底高度与墩底直径之比可根据工程中的地基土的性质， 及旅工条件等确定，一般控制在0 3 左右。 均匀土层中在其它条件不变的情况下，建立了不同土层模量、内摩擦角、 内聚力的三组有限元模型；建立了扩底墩进入不同持力层深度、不同墩底上覆 土层性质以及不同软弱下卧层深度下的三组有限元模型。分析不同土层模量、 内摩擦角、内聚力下扩底墩的承载性状。可以发现，内聚力、内摩擦角和土层 模量越大，扩底墩承载力越高，扩底墩承载力的提高主要源于墩底反力的提高： 扩底墩进入持力层深度以及上覆土层性质对扩底墩承载力影响均较小；软弱下 卧层对墩底反力的发挥的影响很大，这种影响随着持力层厚度的增加影响逐渐 减小。墩底沉渣可导致扩底墩沉降显著增加，可以通过在墩底中心下挖小圆柱 陈放沉渣的方式减小沉渣的影响。 关键词：扩底墩，竖向承载性状，三维有限元 a b g n 认( 了 a b s t r a c t i no r d e rt oa n a l y z ev e r t i c a lb e a r i n gb e h a v i o ro fb e l l e dp i e rf o u n d a t i o n , t h r e e g r o u p so fp r o j e c te x a m p l e so fb e h e dp i e r i nd i f f e r e n t e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa r cc h o s e n t i n d g ：- d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t e - e l e m e n tn u m e r i cm o d e l a r ee s t a b l i s h e d ，i tf i n d st h a tc a l c u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa p p r o a c hw e l l i tp r o v e s t h a tt h ee s t a b l i s h m e n to ff i n i t e e l e m e n tm o d e la n dt h ec h o o s i n go fc a l c u l a t i o n p a r a m e t e ra r cr a t i o n a l i fb e l l e dp i e rw i t hd i f f e r e n tb e h a v i o r sa r cc a l c u l a t e dt h r o u g h p r e v i o u sm a n n e r , t h er e s u l t sw i l lm a t c ha c t u a lp m j c c t ，a tt h es a n l et i m e ，i ft h e c a l c u l a t e dr e s u l t sa r ea n a l y z e d , a n a l y z i n gr e s u l t so fb e a r i n gb e h a v i o ro fb e l l e dp i e r a r cc o r r e c t t h r e eg r o u p so fn u m e r i c a lm o d e lo fb e l l e dp i e rw i t hd i f f e r e n td i m e n s i o na r e e s t a b l i s h e d i tw i l la n a l y z eb e a r i n gb e h a v i o ro fb e l l e dp i e ru n d e rd i f f e r e n tl e n g t ho f p i e rs h a f t d i f f e r e n td i a m e t e ro fe n l a r g e db o t t o ma n dh e i g h to fc i r c l ea r c ：o fe n l a r g e d h e a d t h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo fs i d ef r i c t i o na n de n dr e s i s t a n c ew i t hd i f f e r e n t l e n g t ho fp i e rs h a f ti sa n a l y z e d ，t h e nt h ei n f l u e n c et ob e a r i n gc a p a c i t ya n dp r e s s u r e b e l o wp i e rw h i c hi sc r e a t e db ye n l a r g e de n da n dh e i g h to fc i r c u l a ra r co ft h ee n l a r g e d h e a dw i l lb ea n a l y z e d i tf o u n dt h a tb e a r i n gc a p a c i t yo fb e l l e dp i e rw i l li n c r e a s e d a l o n gi n c r e m e n to fl e n g t ho fp i e rs h a f t ，b u tt h ea m p l i t u d ev a r i a t i o ni ss m a l l ，b u t b e a r i n gc a p a c i t yw i l li n c r e a s e do b v i o u s l ya l o n gi n c r e m e n to f b o t t o md i a m e t e ro fp i e r d i a m e t e r , i tp r e s e n t sl i n e a rr e l a t i o n s h i p a l t h o u g ht h ei n c r e m e n to fb e a f i n gc a p a e i t y e f f e c t e db yt h eh e i g h tg r o w t ho fc k c u l a ra r co ft h ee n l a r g e dh e a di sn o tn o t a b l e ，i ti s n e c e s s a r yt oi n c r e a s et h eh e i g h t ，o nt h eo n eh a n d ，b e t t e re c o n o m i cr e t u r n sc a l lb e a c h i e v e d ，o nt h eo t h e rh a n d ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o no nt h ee d g eo ft h eb o t t o mo fp i e rc a n b ed e c r e a s e d s ot h eb o t t o mo fe n l a r g e dh e a ds h o u l db ed e s i g n e dt oc i r c l ea r c , t h e r a t i ob e t w e e nh e i g h to fc i r c l ea r ca n db o t t o md i a m e t e rs h o u l db ed e f i n e db yd i f f e r e n t s o i l p r o p e a ya n dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n ds oo n g e n e r a l l y , t h er a t i o c a nb e c h o o s i n ga r o u n d0 3 s u p p o s eh o m o g e n e o u ss o i l h a ss a m ec o n d i t i o n se x c e p tf o rm o d u l u s ，i n t e r n a l f r i c t i o n a n g l ea n dc o h e s i o nf o r c e ，t h r e eg r o u p s o ff i n i t e e l e m e n tm o d e l sa r c a b s l r a c t e s t a b l i s h e d a 1 s oo t h e rm o d e l so f b e l l e dp i e rw h i c hi n c l u d ed i f f e r e n td e p t ho f s u p p o r t i n gc o l l r s e ，d i f f e r e n tp r o p e r t yo fo v e r l y i n gs t r a t u ma n dd i f f e r e n td e p t ho f u n d e r l y i n gl a y e ra l ee s t a b l i s h e d i tw i l la n a l y z eb e a r i n gb e h a v i o ro fb e l l e dp i e rw i t h d i f f e r e n ts o i lm o d u l u s , i n t e r n a lf r i c t i o na n dc o h e s i o nf o r c e i tk n o w st h a tb e a r i n g c a p a c i t yo fb e l i e dp i e rw i l ii n c r e a s ea sd i f f e r e n ts o i lm o d u l u s 。i n t e m a lf r i c t i o na n d c o h e s i o nf o r c ei m p r o v e ，t h ei n c r e m e n ti sp r o d u c e db ya u g m e n t a t i o no fo p p o s i t ef o r c e o i lt h eb o t t o mo ft h ep i e r t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fb e l l e dp i e ri sl e s sa f f e c t e db yd e p t h o fs u p p o r t i n gc o u r s ea n ds o i lp r o p e r t yo fo v e r l y i n gs t r a t u m o p p o s i t ef o r c eo nt h e b o t t o mo ft h ep i ni sm o r ea f f e c t e db yu n d e r l y i n gl a y c i ，a n dt h ee f f e c tg r a d u a l l y d e c r e a s ea st h ei n c r e a s e m e n to fd e p t ho fs u p p o r t i n gc o u r s e s e t t l e dm a t e r i a lu n d e r p i e rw i l lc a u s eb i gs e t t l e m e n tt ob e l i e dp i e r , t h ee f f e c tc a nb ed e c r e a s e dt h r o 1 9 ha c y l i n d r i c a ls p a c eu n d e rt h ep i e rw h i c hi su s e dt oc o n t a i ns e t t l e dm a t e r i a l k e yw o r d s ：b e l l e dp i e r , v e r t i c a lb e a r i n g b e h a v i o r , t h r e e - d i m e n s i o n a i f m i t e - e l e m e n t i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：前蓐音 2 0 0 7 年月2 , 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 臼年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位敝作者签名：武旱导 2 0 0 7 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 扩底墩基础是一种墩身直径大( d = 8 0 0 m m ) 、墩底部为尺寸加大的一种深基 础。相比其他基础形式，扩底墩基础具有承载力高、墩身刚度大、能承受较大 横向荷载和抗震能力、质量易控制、沉降小等优点，引起了工程界广泛的关注【1 1 ， 许多重要工程，尤其是高层建筑和单柱荷载较大的大跨度柱网工程以及对沉降 要求严格的工程多采用这种基础形式。一般只要工程地质条件合适。大直径扩 底墩基础常作为众多大型工程的首选。 目前，各地的勘察、设计和施工单位，在工程实践中取得了许多宝贵的经 验i z 4 2 j ，积累了大量的实验数据和观测资料；许多学者也对扩底墩基础进行了大 量的研究，得出了许多研究成果。但由于扩底墩承载机理及破坏模式的复杂性， 对于扩底墩承载性状的研究还不全面，对其在不同工况下的承载性状、承载力 的影响因素以及确定方法的研究尚需进一步探讨，以期明确扩底墩的承载机理， 并推动扩底墩设计理论和计算方法的日臻完善。 1 2 扩底墩承载性状的研究现状 自上世纪7 0 年代以来，国内外对扩底墩承载性状的研究已经取得了很大的 进展，分别从现场试验【n 1 研、模型试验以及理论分析上得出了许多结论，深化 了对扩底墩的认识。 1 2 1 荷载一沉降特性及破坏模式 1 2 1 1 荷载一沉降特性 扩底墩一般以坚硬粘土、粉土以及卵石土甚至嘬硬基岩为持力层，以获得 较大的端承力。据研究，墩底持力层不同的扩底墩具有相似的荷载一沉降特性， 都属于缓变型，不显示明显的破坏特征点i 。对于砂卵石持力层上的扩底墩， 第1 章绪论 其q s 曲线较为平缓。 墩侧摩阻力的发挥主要依赖于是否会发生一定量的墩身与墩侧土之间的变 位，相对交位不同，对墩侧摩阻力的发挥是有影响的。一般情况下墩侧阻在墩 项沉降l o 1 3 m m 下发挥出来，而端阻力随沉降增大而逐渐发挥并不显示破坏 特征点，对于成孔形式为机械钻孔、采用泥浆护壁时，孔底沉淤影响，发挥墩 端阻力所需竖向位移教大，q s 有近似直线关系。 1 2 上2 破坏模式 模型试验、原位观测和数值分析的结果表明，扩底墩基础下的地基变形和 破坏模式既不同于扩展式基础，也不同于桩基础，应力变形分布如图1 1 所示。 由图可知，墩顶荷载施加后，墩身相对周围地基土向下移动，引起周围地 基土对其向上的摩阻力，而地基土反过来受到墩身向下的拉力，所以墩身周围 地基土出现拉应力区。对大直径扩底墩的静载荷试验表明，摩阻变形与端阻下 沉变形有很大差值，这一差值引起扩大头附近产生拉应力区，继而发展图示的“八 字形”或“伞形”拉裂缝【”，下沉变形越大，裂缝越大，最后形成了自由面，持力 层脱离了上部土柱重量和传下来的摩阻压力的约束作用，承载力降低。墩底地 基土以竖向压缩为主，形成压应力区，扩底墩的沉降主要局限于墩底压力影响 的持力层厚度内的压缩变形，墩底周围地基土向上隆起很小。 地基土的应力变形特点决定了扩底墩基础的破坏模式与其他基础类型不 2 图惫示布分絮瑚赶形交力应土羹地 ii 图 第1 章绪论 同，但到目前为止，还没有专门对扩底墩基础提出破坏模式。就扩底墩的工作 机理分析，墩身起到桩杆作用，墩脚类似扩展基础的作用，所以可以参考浅基 础破坏模式的分类迸行。浅基础破坏模式分为整体剪切破坏、局部剪切破坏和 刺入破坏三种，桩基础则基本上属于整体剪切破坏和刺人破坏。面扩底墩基础 在竖向荷载作用下，地基土以竖向压缩变形为主，伴随有少量侧向挤压，即使 在大变形时也无连续滑动面，墩周围表层土更无明显隆起现象，可归属为局部 剪切破坏或刺人破坏。 地基破坏模式与基础上部的荷载条件、基础埋深、土的种类和密度等多种 因素有关。在一定条件下，主要取决于土的相对压缩性。魏锡克( a s v e s i c ) 【1 3 l 主要考虑土的压缩性，建议用土的刚度指标o ，与土的临界刚度指标r 扣) 两者比 较，将土划分为相对不可压缩和相对可压缩的两大类型，并据此来判断地基的 破坏型式。上述判断方式考虑土的压缩性，与扩底墩基础墩底地基土主要以竖 向压缩为主的变形情况相符，可以用来判断墩底地基的破坏模式。若 ，t ，。、，则认为土是相对可压缩的，此时地基将可能发生局部剪切或冲剪破 坏；若j ，7j ，p ) ，则认为土是相对不可压缩的，此时地基将发生整体剪切破坏。 地基土的刚度指标可按式( 1 1 ) 计算，即： ，一志- 面丽 ( 1 ，) 1 ( c + 曰o t a n 伊)2 ( 1 + ，) ( c + 鼋ot a n 矿) 、 式中：g 一土的剪切模量，k p a ； 一土的变形模量，k i a ； ，一士的泊松比； c 一土的粘聚力，k p a ； 妒一土的内摩擦角，( ) ； 鼋。一地基膨胀区平均超载压力，k p a ，一般可取基底以下b 2 ( b 为基础宽度) 深度处的上覆土重。 地基土的i | 函界刚度指标可按( 1 ，2 】式计算，即： ，( 。) ，互1 。( 3 3 0 - 0 4 5 ；，” ( 1 2 ) 3 第1 章绪论 式中： 工一基础的长度，m ；其余符号的意义同式( 1 - 1 ) 。 判断砂土地基的破坏模式时，亦可参考魏锡克通过砂土上基础模型试验得 到的结果，如图1 2 所示，可以根据砂的相对密度d r 和相对埋深w 舻( 扩底墩 基础b = d ；h 为埋深) 来粗略判断。 对于方形或圆形基础b = b ； 对于长方形基础b = b l 2 ( b + l ) 图1 2 砂土上基础模型的破坏型式 1 2 ，2 扩底墩的荷载传递规律 1 2 2 1 荷载传递过程及影响因素 ( 1 ) 荷载传递过程 如果假定扩底墩墩侧摩阻力浴墩身长度均匀分布，可以衙单的分析扩底墩 受荷过程中荷载传递过程，可由图1 3 表示。墩项施加荷载q 1 较小时，墩侧阻 力由上自下发挥，如( a ) ，且都未达到摩阻力的极值；墩顶荷载增加到q 2 时， 墩顶附近墩侧阻达到极限值t 。，如( b ) ；墩顶荷载继续增加，如增加到q 3 时， 墩侧阻t 。力沿墩身由墩顶向下发展，如( c ) ，直到墩侧摩阻力完全发挥，此后 墩顶荷载的增加由墩底地基土承担；假设0 4 为扩底墩正常工作时的墩顶荷载， 此时对应的墩侧阻力完全发挥，墩顶沉降达到沉降的容许值，如( d ) ：如果墩 顶荷载继续增加墩底压力将不断增大，最终达到墩底反力的极限值，如( e ) ，扩 4 第1 章绪论 底墩达到承载力极限状态。 i ) ( 由 图1 3 扩底墩荷载传递过程 睢 堕j k 。 1 坠。j ( 2 ) 荷载传递的影响因素 1 ) 墩底地基土与墩侧土刚度比e b e s 越小，墩侧阻力所占墩顶荷载的比例越 大，墩底荷载传递率越小；反之，墩底地基土刚度越大，可压缩性减小，使端 承力所占比重增大。 2 ) 扩底直径增大提高了与墩底地基土的接触面积，能有效提高扩底墩承载 力，墩底荷载传递率随着d d 的增大而增大。但d d 增大到一定比值时，端阻 力增大不显著，叶萌( 1 9 9 8 ) 1 1 9 1 通过有限元计算认为当d d 的值达到2 时端承 力增加的幅度明显交缓。 3 ) 墩身长度与墩身直径之比i d a 增大，墩侧摩阻力所占比例将随之增加，墩 底荷载传递率逐渐减小。但墩侧阻力不随扩底墩入土深度的增加而线形增加， 而是达到一定入土深度后不再增加，此即为“深度效应”，对应的墩身长度为临界 墩身长度。 1 2 2 2 墩侧阻及端阻力在墩顶受荷过程中的变化规律 以端承于某试验场区i i 级非自重湿陷性黄土场地的扩底墩试验为例，来说 明扩底墩墩侧阻及端阻力的变化规律。试验扩底墩长2 2 3 m ，直径1 2 m ，扩底直 径2 1 m ，扩底高度1 6 m ，墩侧土为i 级非自重湿陷性黄土，墩底为中密密实 的卵石层，具体的试验情况见文献1 1 6 1 。墩身、墩端分别埋设钢筋应力计和土压 5 第1 章绪论 力盒，以溺定墩身轴力和墩端阻力，试验后可以得到墩项荷载沉降规律、墩侧 随墩顶荷载变化规律以及墩端阻力随墩顶荷载变化规律。如图1 4 1 6 所示。 o 5 l o 舍1 5 导 2 0 2 5 3 0 q ( m n ) 0481 21 62 0 2 4 图1 4 荷载沉降q s 曲线 图1 5 侧阻与墩项荷载g - o 曲线 端承于卵石层的扩底墩q s 曲线呈缓变型，没有明显的拐点，没有明显的直 线段，同上述扩底墩荷载沉降特性的描述吻合。墩侧阻的发挥由图1 ，5 可以分为 图示四个阶段，i m 三个阶段墩侧阻随着墩顶荷载的增加不断增大，但三阶 段对应线段的斜率逐渐减小，说明墩侧阻的发挥在墩项加载初期变化最大，后 期增大幅度较小。阶段曲线下降，说明墩侧阻力随墩顶荷载增加减小，对应 6 第1 章绪论 图1 6 端阻与墩顶荷载0 v - o 曲线 q ( ) 图1 7 端阻所占比例与墩项荷载o p - o 曲线 侧阻力荷载传递曲线存在下降段，但下降幅度不大。墩端阻力的发挥始于墩顶 荷载q = 3 ，5 m n ，此荷载之前墩顶荷载几乎完全由墩侧阻承担。荷载大于3 5 m n 墩端阻力逐渐发挥出来，呈现出近似线形的增长规律。图1 7 为墩端阻力所占墩 顶荷载比例随墩顶荷载增加变化规律曲线，墩顶荷载较小时，墩端阻力q 。与墩 顶荷载q 比值o 棚为0 ，墩顶荷载增加，墩端产生向下的位移导致端阻力得到 发挥q d ，q 随墩顶荷载增加近似直线增长。 1 2 2 3 墩底压力的分布规律 扩底墩墩底反力的分卸规律是研究扩底墩承载性状的一个重要部分，现以 7 第1 章绪论 端承于黄土状粉质粘土上扩底墩为例，研究其在受荷过程中墩底压力的变化及 分布规律。扩底墩长为2 3 3 m ，墩身直径0 8 m ，扩大头高度1 4 m ，墩底直径为 1 6 m ：试验场区为i i 级非自重湿陷性黄土场区，扩底墩及地基土具体情况见文 献【圳。由图1 8 可知桩底土压力的分布规律，墩底受力初期，边缘处先受力，墩 底压力由边缘向中心渐小。这是因开挖造成应力释放等原因，使受力初期墩底中 心部位土体较边缘松散，而地基与基础变形必须协调一致，所以出现了边缘应 力大，中心应力小的情况。而后虚土被压实，中间的压应力渐大于边缘处应力， 荷载继续加大，边缘出现应力集中，边缘处压应力又渐大于中问部位，最终表现 为桩底边缘处压应力最大，愈往中部土压应力愈小的规律【1 6 l 。 0 2 0 0 2 枷 盂6 0 0 羹8 0 0 努l 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 龋墩底中心距离t m ) 0 00 20 40 60 8 图1 8 墩底土压力分布 上述墩底压力的变化及分布规律的原因主要是因为：扩底墩本身刚度大大超 过地基的刚度，而地基与基础的变形又必须协调一致，故在中心荷载作用下地 基表面各点的竖向变形值相同，由此决定了基底接触应力分布是不均匀的。理 论和实践证明，通常中心受压时刚性基础下的接触应力为“马鞍形”分布。 1 2 3 扩底墩承载力的确定方法 由于扩底墩承载机理的复杂性，到目前为止国内外对扩底墩承载力的确定 尚未取得统一的方法【排矧，并且利用不同方法得到的承载力有时相差较大。各 地工程地质条件千差万别，地基土性质相应有很大的差异，合理的参数选取非 常困难，一个地区的承载力确定方法用到其它地区误差就很大。这是扩底墩承 8 第1 章绪论 载力方法难以统一的主要原因，所以必须结合各地的实际工程地质条件及地区 性经验找到符合当地条件的承载力确定方法。扩底墩承载力主要依靠墩端提供， 黄强( 1 9 9 4 ) 1 2 5 1 对4 0 多根扩底墩的现场试验结果进行分析，发现墩侧阻力与总 承载力之比的平均值为0 1 7 7 ，超过0 2 的共有6 根，最大的也只有0 3 2 ，可见 一般的扩底墩基础为“摩擦端承型”，可见对于墩端阻力的确定是确定扩底墩承载 力的关键。 对于确定扩底墩的承载力方法主要可以分为三种，第一种是原型静载试验， 第二种是理论计算，第三种是经验估算。以下将对各种方法进行总结、分析。 ( 1 ) 原型静载试验 原型静载试验是传统的也是最可靠的确定扩底墩承载力的方法，它不仅可 以确定扩底墩的极限承载力，而且通过埋设各类溅试元件可以获绲荷载传递、 墩侧阻力、墩端阻力及分布、荷载，沉降关系等诸多资料。由于扩底墩承载力与 一般桩基础相比大得多，所以试验费用相当大，工期也很长，往往只能对少量 扩底墩进行试验。 如前所述扩底墩的荷载沉降关系一般里缓变形。在此种情况下根据静载荷 试验o s 曲线确定承载力时，通常取s = 4 0 6 0 m m 或s = 0 0 3 d 0 0 6 d ( d 为墩 端直径，直径小时取高值，大时取低值) 所对应的荷载作为极限承载力；s = 1 0 1 5 r a m 或0 0 0 8 0 0 1 d 对应的荷载作为承载力设计值。根据上部结构对沉降和 不均匀沉降的容许值、土层与荷载分布的不均匀程度等因素作适当调整。对于 沉降不敏感的结构物，一般可以去s = 0 0 1 d 对应的荷载为容许承载力或承载力设 计值。对于沉降敏感的结构物，宜按变形的准则确定不同直径扩底墩承载力设 计值闭。 对于变形标准，国外方面：1 ) 美国波士顿建筑规范取沉降量s = 3 8 英寸。1 0 m m 对应的压力为容许承载力；取s = 1 0 英寸。2 5 r a m 对应压力的二分之一为容许承载 力。2 ) 德国建筑标准d i n 4 0 4 1 ( i i ) 取s = 2 0 m m x f f 应的压力为容许承载力。3 ) 日本 建筑学会标准取s ；2 5 m m 对应压力的二分之一为容许承载力1 2 7 , 2 a l 。 ( 2 ) 理论计算 由于扩大头相对于墩身直径较大，扩大头可看作深埋扩展基础，可以引用 扩展式基础承载力的计算公式加以修正确定扩底墩墩底承载力。建筑地基基础 设计规范g b 5 0 0 0 2 0 0 2 1 2 9 1 规定当基础宽度大于3 m 或埋置深度大于0 5 m 时， 地基承载力可按( 1 - 3 ) 式计算，即： 9 第1 章绪论 正一厶+ y ( 6 3 ) + 舰y , , x d o 5 ) ( 1 3 ) 式中：厶为地基承载力特征值，可以通过地基承载力相关公式确定，其它符号 意义见规范。 此法认为扩底墩的工作状况类似扩展基础，而利用扩展基础承载力公式进 行求解。包括普朗特( p r a n d t l ) 、太沙基在内提出的极限承载力公式m 3 1 】是按整 体剪切破坏的模式推导的，并假定滑移体为刚塑性体，即不考虑土的压缩性的 影响。扩底墩基础底部地基土主要以竖向压缩为主，可归属为局部剪切破坏和 刺人破坏。对于这种情况下地基极限承载力的计算，目前尚无理论解答，一般 均采用近似修正方法来解决。 太沙基【1 8 】建议采用降低土的强度指标的办法，对整体剪切破坏时的极限承 载力加以修正即可用来计算局部剪切破坏时的地基承载力。设降低后土的强度 指标为c 和妒，则有 c 一专c ，妒一t a n 1 t a n 妒) ，j 式中c 和妒为地基土原有的凝聚力和内摩擦角。于是可以得到适用于局部剪切破 坏时地基极限承载力的计算公式为： q 。- c ：+ i g ：+ 妄，j a i ； ( 1 4 ) 二 式中，虻，：，；为局部剪切破坏时地基承载力系数，确定方法见文献【“。 魏锡克1 1 8 j 贝0 认为，首先根据式( 1 - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 分别求出地基的刚度指标， 判断得到地基是否可能发生局部剪切破坏或冲剪破坏。如果可能发生，他建议 引入土的压缩影响系数对承载力基本公式进行修正。土的压缩影响系数由式 ( 1 - 5 ) 表示，即： 日 ；_ 一言，- e x p ( o 6 手一4 4 ) t a nj + 【( 3 0 7 s i n q ，x 1 9 2 1 ，) ( 1 + s i n 妒) 】 ；。一l 一n c t 互a n q 口 o ) ( 1 5 ) 幺0 3 2 + o 1 2 詈+ o 6 1 l g ， 佃一o ) 于是，局部剪切或冲剪破坏时地基承载力的基本公式为： 1 0 第1 章绪论 q 。c 。 。+ i 拿q 耆口+ 扣日，；r ( 1 6 式中，f ，。、，为魏锡克公式中的承载力系数，见文献i 堋。 扩底墩底部扩大头一般做成锅底形，山口1 3 2 1 认为扩大头周围土体破坏机理 与球空洞扩张理论的破坏机理接近，无限体球空洞极限扩张压力与墩底极限承 载力相等。在地基土是完全弹塑性体、塑性区不发生体积变化的条件下，极限 压力只在非粘性土时变成下式： e , - p o 鬻s i nr 镓酱，志 乃 j 一 妒o z 名i 上+ ， 式中，只为墩端附近天然地基的平均自重应力；妒为墩底地基土内摩擦角；e 、 ， 分别为弹性模量和泊松比。 为了方便使用，将上式简化为( 假定s i n 一0 6 ， ，一0 1 5 ) 下式： 只1 5 2 4 e e o ( 1 8 ) 能够使上式中的弹性模量e 与标贯试验n 值建立关系，因此上式相对来说 比较实用。e 值还可以根据荷载初期沉降时刚度或沉降曲线来确定，但是用于实 际灌注桩试验时，由( 1 - 8 ) 式得到的极限值要比实际的极限值略大，原因之一 是没有考虑塑性流动时的剪胀效应。扩底墩基础要达到承载力极限状态时沉降 量往往需要达到数倍墩身直径，而为了精确得到实用的荷载沉降关系，需要采 用弹性理论或破坏前的弹塑性理论。 ( 3 ) 经验法 经验法确定扩底墩承载力是根据静力试验结果与墩侧土、墩底土层的物理 性指标进行统计分析，建立侧阻、端阻与物理性指标问的经验关系，利用这种 关系预估扩底墩承载力。这种方法简便而经济，但由于各地区间土的变异性很 大，加上施工质量差异，所以一般只适用于初步设计阶段和一般工程，与其他 方法比较确定承载力，经验法用于地区性规范的可靠性是较高的。以下将介绍 国内外用来确定扩底墩承载力的一些经验方法。 1 ) 建筑桩基技术规范j g j 9 4 - 9 4 法1 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定扩底墩承载力标准 值，可以按照建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 确定大直径桩( d = 8 0 0 m m ) 单桩 竖向极限承载力标准值的规定，按下式计算： 第1 章绪论 q 0 u y q oq , , t l , + t p j , q r , a 。 ( 1 9 ) 式中：g 。一桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按规 范中规定取值，对于扩底桩变截面以下不计侧阻力； q 。一桩径为8 0 0 m m 的极限侧阻力标准值，可采取深层载荷板试验确 定，当不能进行深层载荷板试验时，可采用当地经验值或按规 范中提供的取值，对于干作业( 清底干净) 按规范取值； 、一大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数。 对于混凝土护壁的大直径挖孔桩。计算单桩竖向承载力时，其设计桩径取 护壁外直径。 关于端阻力折减系数，m e y e r h o f ( 1 9 8 8 ) 认为，端阻力的渐进破坏效应导致 砂层的端阻力随桩径增大而降低，提出了不同密实度砂土中极限端阻折减系数 妒。与桩端直径d 的关系。北京大直径桩勘察、设计、施工的若干建议给出 了端承于箱性土以及砂卵石的端阻折减系数的关系。 目前，根据上述大直径桩极限端阻随桩径增大的变化特性，建议与桩端 直径d 的关系如下： 钆一( 割 “柳 式中：经验指数n ，对于粘性土取1 4 ：对于砂土、碎石类土，取1 3 。 上式计算出的端阻折减系数接近于北京大直径桩勘察、设计、施工的若 干建议，对于砂土，接近于m e y e r h o f 所给出的中密砂值。 对于粘性土，侧阻力折减系数随桩径变化不大，故可采用常规直径桩侧阻 试验或经验值，无需折减。对于无粘性的砂类土、碎石类土中大直径桩的侧阻 力，侧阻力折减系数可按下式确定： 吼- ( 斟 m 2 ) 原苏联建筑法规( t h e m 2 0 2 0 3 8 5 ) 法 确定大直径扩底桩桩端容许承载力( 凰) 的方法： r 。；兰 ( 1 1 2 ) “ x 式中：r 一单桩的计算承载力； 1 2 第1 章绪论 k 一安全系数，原苏联法规规定，如桩的承载力由计算确定。包括桩的 动力试验结果确定而考虑土的弹性变形，取k = i 4 。 计算桩端承载力r 时分为粘性土与砂类土及碎石类两种方法，具体见文献。 3 ) 日本大直径墩基础设计方法 日本建筑结构设计规范确定单墩承载力r 的方法如下： r 一；【1 5 邵- a ，+ 母l i + 粤l 捌一w ( 1 j 1 3 ) 式中：口一系数，硬土口- 1 ，砂土口一0 8 5 ； 卢一系数，按声1 - ( 二d _ = , - 一0 5 0 3 计算； 一桩端土标贯的平均值，如n 5 0 且嵌入深度 1 0 m 或d 2 时 可取n = 5 0 ； a p 一桩端计算面积，根据比施工直径小2 0 e r a 的d j 值计算，m 2 ； ，一砂质土中标贯试验平均值； ，和l 。一分别为砂土和粘土内的桩长，h i ： q w 一粘土地基的单桩抗压强度，超过1 0 时按1 0 取值，k p a ； 9 一桩的横截面周长，m ； w 一桩混凝士重减去桩排土量，k n ； q 一扩底桩直径，m 。 1 3 扩底墩构造要求及旌工 扩底墩基础的构造是由扩底墩本身混凝土抗压承载力与持力层承载力的比 较结果、施工方法、施工机具等因素综合确定的。可根据工程地质情况以及施 工条件选择合适的扩底墩尺寸。 建筑桩基技术规范j g j 9 4 - - 9 4 规定，扩底墩首先需要满足普通灌注桩的 构造要求，当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，可采用扩底。扩底 端直径与桩身直径比d ，d ，应根据承载力要求及扩底端部侧面和桩端持力层土性 确定，最大不超过3 0 ；扩底端侧面的斜率应根据实际成孔及支护条件确定，a 他 一般取1 3 1 2 ，砂土取约l 3 ，粉土、粘性土取约1 2 ；扩底端底面一般呈锅底 形，矢高h b 取1 0 0 1 5 ) d 。上述符号意义如图1 9 所示。 第1 章绪论 人工挖孔扩底墩是采用人工挖掘方法成 孔，然后安放钢筋笼，灌注混凝土而成。这 种施工方法的主要优点是施工机具简单，对 周围环境影响小，旌工期短，便于清底，造 价低等。不过对于施工人员来说，工作空间 狭小，容易发生人身伤亡事故，所以人工挖 孔成孔要在适当的地质条件下进行。人工挖 孔成孔方法宜在地下水位以上旌工，适用于 人工填土层、粘土层、粉土层、砂土层、碎 石土层和风化岩层，也可在黄土，膨胀土和 冻土中使用，适应性强。但对于地下水涵水 d 图1 9 扩底墩构造 量大、难以抽水地层、松砂层、连续极软弱土层等条件下，不能进行人工挖孔。 人工挖孔扩底墩的墩身直径一般为8 0 0 2 0 0 0 m m ，最大直径可达3 5 0 0 r a m 。 扩底直径一般为墩身直径的1 3 2 5 倍，最大扩底直径4 5 0 0 m m 或更大。扩底 直径一般按( d d ) 2 h e - - i 4 控制( 其中d 为扩底直径，h c 为扩大头高度，d 为 墩身直径) 扩大头锅底高度b b = ( d - d ) 4 ，扩底墩长度一般不宜超过2 5 m 。 钻孔灌注扩底墩施工方法是把按等直径钻孔方法形成的钻孔进到预定的深 度，换钻头，撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层扩大孔底，成孔后安放钢 筋笼，灌注混凝土形成扩底墩以获得较大承载力的施工方法。钻孔方法弥补了 人工挖孔的不足，施工的文明程度得到提高，但很难保证孔底沉渣的清除，随 着施工机具和施工工艺的发展相信能够得到改进。 不同施工设各所能达到的施工效果不同，所以要根据地质条件以及扩底墩 承载力的要求选择能够达到施工目的的钻孔及扩孔设备，以调整扩底面积，达 到扩底墩的设计要求。 1 4 本文主要内容 扩底墩由于墩土系统相互作用的复杂性，使得人们对其竖向承载性状的认 识还远远不够。从目前发表的大部分关于扩底墩的文献来看，关于扩底墩的研 究集中在对现场试验资料的分析上，而现场试验费时费力，对不同工况下的扩 底墩迸行现场试验是不可能的，对于扩底墩的研究不具有普遍性。理论研究也 1 4 第1 章绪论 是基于很多的假设与实际情况有一定的差异。有限元数值模拟能弥补试验研究 的不足，具有直观、能灵活变化工况、经济、快速等优点，往往能得到事半功 倍的效果。 鉴于问题的复杂性，本文将利用有限元数值模拟的方法对扩底墩竖向承载 性状进行全面、系统的研究。所做的主要工作如下： ( 1 ) 详细讲述a n s y s 有限元软件数值模型建立要点，针对不同工程地质 条件下扩底墩基础实际工程，建立有限元数值模型。将计算结果同现场测试结 果进行对比，从而验证有限元数值模拟的可靠性和正确性。 ( 2 ) 地基土性质保持不变的情况下，建立不同尺寸的扩底墩模型，研究不 同墩身长度、扩底直径、锅底高度情况下扩底墩的承载性状。 ( 3 ) 扩底墩尺寸保持不变的情况下，改变地基土参数，研究不同工程地质 条件下扩底墩的承载性状。 1 5 第2 章有限元模型的建立及l 稃实例对比 第2 章有限元模型的建立及工程实例对比 2 1 有限单元法简介 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是在当今工程分析中获得最广泛应用 的数值计算方法。具有对复杂几何构形的适应性、对于各种物理问题的可应用 性、建立于严格理论基础上的可靠性、适合计算机实现的高效性等特征。由于 它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术 的快速发展，现已成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a e ) 的 重要组成部分1 3 4 - 3 i s l 。 在岩土工程领域，由于工程问题的复杂性，得到解析解几乎是不可能的。 而有限单元法可以解决包括非线性、多自由度、复杂边界条件等众多因素的问 题，被广泛应用于桩基础、地下工程与深开挖、挡土结构、固结与渗流以及土 工问题的反分析等。在桩基的设计计算中，有限元法是十分有利的工具，从原 则上说，它在计算中能够同时考虑影响桩性能的许多因素，如土的非线性、固 结时间效应以及动力效应等。虽然在桩基分析中，由于涉及到的因素多，计算 容量大等原因，特别是对群桩分析，不能做到完全符合工程实际。但用有限元 法分析桩土、群桩共同作用的主要机理，并以他作为指导实际工程以及探索和 校核工程的实用简化计算方法，有着重要的实际意义【明。 扩底墩基础单墩承载力高，一般以一柱一墩形式出现，排除了墩与墩之间 的相互影响，利用有限元方法进行墩土之间相互作用可以得到满意的结果，能 够反映工程的实际情况，其结果可以反映出扩底墩的承载性状。有限元可以借 助计算