（岩土工程专业论文）扩底抗拔桩的承载力和变形研究.pdf

摘要 随着城市建设的发展，高耸结构及地下建( 构) 筑物大量修建，抵抗上拔荷 载作用己成为工程建设中经常需要面l 临的问题。本文即以上海5 0 0 k v 全地下世 博变电站为工程背景，对在工程中应用越来越广泛的扩底抗拔桩的承载力和变 形进行了研究。 扩底抗拔桩的承载力在实际应用中已经由变形来控制，本文在总结了现有 的抗拔桩研究现状和承载力计算方法的基础上，使用有限差分程序f l a c 3 d 对扩 底抗拔桩荷载传递、影响其承载力的因素进行定性分析；然后分别利用剪切位 移法得到扩底抗拔桩的弹性变形解，利用变形协调法分析其非线性变形解；在 与世博变电站工程试桩比较发现，后者得到了与实际工程实测资料相符合的结 果；最后对本文的不足和进一步研究方向提出建议。 关键词：抗拔桩，承载力，变形，数值方法，剪切位移法，变形协调法 a b s t r a c ：l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u n i c i p a le n g i n e e r i n ga n dl o t so fu n d e r g r o u n d s t r u c t u r e sa n dc o n s t r u c t i o n sb e i n gb u i l tu nr e s i s t i n gt h eu p l i f tl o a d i n gh a sb e e na u s u a lp r o b l e mi ne n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n b a s e do n5 0 0 k ve x p o t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni ns h a n g h a i ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e du p l i f t c a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o no fu n d e r r e a m e dp i l ew h i c hw a sa b r o a d l yu s e di n e n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h eu p l i f tc a p a c i t yo fu n d e 玎e a m e dp i l ew a sc o n t r o l l e db yd e f o r m a t i o n , b a s e do nt h er e s e a r c hf r u i t sa n dc a l c u l a t i n gm e t h o d so fu p l i f tc a p a c i t yo f fu p l i f t p i l ee x i s t e di nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，t h i sd i s s e r t a t i o nq u a l i t a t i v ea n a l y z e ds o m e f a c t o r si n f l u e n c e du p l i f tp i l e sb e a r i n gc a p a c i t ya n dl o a dt r a n s f e r , s u c ha ss o i l p a r a m e t e r sa n dg e o m e t r yf a c t o r so fp i l e ，w i t ht h eh e l po ff i n i t ed i f f e r e n c e p r o g r a mf l a c 3 d ；e l a s t i cd e f o r m a t i o n s o l u t i o na n dn o n - l i n e a rd e f o r m a t i o n s o l u t i o nw e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y b y s h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o da n d d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t em e t h o d ；t h el a t t e rw a si na c c o r d a n c ew i t ht h ef i e l dd a t a s o fl o a dt e s t i n go f5 0 0 k ve x p ot r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：u n d e r r e a m e dp i l e ；u p l i f tc a p a c i t y ；d e f o r m a t i o n ；n u m e r i c a lm e t h o d ；s h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o d ；d i s p l a c e m e n tc o o r d i n a t em e t h o d 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：魏藓 加7 年弓月矽日 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： 年月日年月日 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、已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。 砰砌n 勉月 曼一 轹。埠 割刁 伊 第1 章引言 1 。1 课题的提出 第1 章引言 随着我国国民经济的日益发展，高耸建、构筑物的建设呈现迅猛发展的势 头；地下水位较高的沿海地区土地资源有限，地下空间的利用也受到越来越广 泛的重视。 建于上海市静安区成都路、北京西路、山海关路和大田路合围之处的上海 5 0 0 k v 世博变电站是2 0 1 0 年上海世博会重要配套工程，变电站为全地下四层筒 形结构，地下建筑直径约1 3 0 m ，地下结构埋置深度约为3 4 m ，基坑深度为3 8 m ， 如图1 1 ，地面部分将建设上海市“雕塑公园”。 图1 15 0 0 k v 世博变电站地下结构效果图 根据勘察报告，该工程底部承受水头达3 3 米，整个工程承受的上拔力达 4 4 2 0 0 0 t ( 标准值) 。即使在设备安装后的正常运营阶段，也要承受达2 0 8 0 0 0 t ( 设 1 第1 章引言 计值) 的上拔力。如此巨大的上浮力在国内外同类型工程是十分少见的。因此本 工程拟采用抗拔桩基础来满足工程要求的抗拔力 抗拔桩基础是抗拔基础的一种主要形式，相对于其它抗拔基础，有着很多 突出的优点，它与一般抗拔的重力式基础和锚板基础的不同之处在于：它通常 不需要先开挖，埋设后又回填土等施工程序，从而可以大大减少工程量，降低 工程造价，有效缩短工期。新型的扩底抗拔桩更是以其较高的抗拔承载能力， 受到建筑市场的青睐。如以下建、构筑物常需要用抗拔桩基础来满足工程要求 的抗拔力： 高压输电线塔； 电视塔等高耸建筑物； 承受浮力为主的地下结构，如深水泵房、地下室或其它建筑中的深坑； 在水平荷载作用下出现上拔力的建( 构) 筑物； 膨胀土或冻胀土地基上的建筑物； 海洋石油的钻采平台及洋面或潜水系统的桩基； 高层建筑物与裙楼连接处的桩基。 但是相对于抗压桩而言，抗拔桩在上拔荷载作用下的荷载传递机理和计算 方法都不够成熟，抗拔桩的研究目前仍处在经验阶段，可用于抗拔桩设计、试 验资料甚少，理论也尚待完善。影响桩的抗拔承载力的因素是多方面的，如土 质、桩型、桩的施工方法、荷载特性、土中应力历史及桩土界面的几何与材料 物理特性相关。此外，桩的抗拔承载力同时还受桩身材料强度的制约。因此， 与桩的抗压承载力相比，桩的抗拔承载力更具有不确定性。当前抗拔桩的设计 方法主要借鉴抗压桩的设计方法，即以桩的抗压侧摩阻力值乘以一个经验折减 系数后作为抗拔桩桩侧摩阻力，进而估算抗拔桩的承载力。还有很多新的桩型 如扩底抗拔桩虽然可以提供较大的承载力，但是往往变形已经超过了建、构筑 物的使用要求，如何通过变形控制来设计扩底抗拔桩都是急待解决的问题。 本工程拟采用扩底抗拔桩或桩侧后注浆技术，。这是因为等截面桩仅靠桩土间 的侧摩阻力提供抗拔阻力，变截面桩能充分发挥桩身扩大部分的扩孔阻力，以 较小的材料增加获取显著的承载力的提高；后注浆桩可以加固桩侧泥皮，改善 桩身与桩周土体的边界条件，大幅提高桩侧摩阻力。为了对这两种新技术有充 分的认识和比选，分别进行了试桩，世博变电站工程是目前为止关于抗拔桩抗 拔性能试验最为详尽的工程，为研究抗拔桩的承载力和变形提供了十分宝贵的 2 第1 章引言 实际工程资料。本文即以此次试桩为基础，对扩底抗拔桩基础进行分析研究。 国内外抗拔桩的研究成果大部分来自模型试验，而较少来自实际工程。模型 试验由于尺寸效应，使得试验结果和实际工程的结果有一定的差距。为了能够 将抗拔桩基础的研究成果能应用于实际工程中，我们有必要依据实际工程对抗 拔桩的承载和变形性能进行深入的研究。 1 2 本文主要工作 目前，国内外现有的设计计算方法及关于抗拔桩的研究尤其扩底抗拔桩尚处 于起步阶段，且抗拔桩的研究主要集中在抗拔桩的承载力，而关于抗拔桩变形 性状的研究十分罕见。扩底抗拔桩承载能力比较大，实际应用中，桩的承载能 力已经由变形来控制。本课题依托上海世博变电站工程对扩底的抗拔单桩承载 力和变形性状进行广泛而深入地研究，以期弥补国内外关于扩底抗拔桩承载力 和变形性状研究方面的不足。 扩底抗拔桩有限差分分析 扩底抗拔桩的承载力在实际应用中已经由变形来控制，对于其极限承载力的 研究在实际应用中已没有太大的价值。但是有必要对影响承载力的各因素进行 定性的研究。本文即通过有限差分程序f l a c 3 d 数值模拟对扩底抗拔单桩在荷载 传递及承载力的发挥等方面进行了比较研究；对扩底抗拔单桩的承载力影响因 素也进行定性分析，给出了不同土体参数( 粘聚力c ，内摩擦角巾) 、不同桩的 几何尺寸( 扩径d 、桩长h 、扩底高h ) 在均匀土层的情况下，扩底抗拔桩的荷 载传递和承载力发挥机制及周围土体的变形情况。 扩底抗拔单桩变形分析 目前关于扩底抗拔桩的研究较多集中在承载力方面，对于扩底抗拔桩的变形 研究十分有限。本文将根据弹性力学原理推导扩底抗拔桩荷载和位移的无量纲 关系式。在荷载较大时，弹性变形解通常与实测值相差较大，研究扩底抗拔桩 的非线性变形有着重大的理论和实际意义。本文在扩底抗拔桩弹性解的基础上， 提出预测扩底抗拔桩的非线性变形的简化分析方法。最后，通过与模型试验和 试桩试验的实测结果进行比较，本文提出的简化方法预测扩底抗拔桩的非线性 变形与实测结果十分接近。 5 0 0 k v 世博变电站抗拔单桩的试桩及其成果分析 3 第1 章引言 在建的世博变电站是亚洲最大的地下结构工程。为了对抗拔桩承载力和变形 有更深入的理解，该工程对扩底桩抗拔性能进行广泛而细致的研究，得到了抗 拔桩大量的实测数据。这些实测结果是研究抗拔桩承载力和变形不可多得的实 测资料。 最后，对本文的不足和进一步的研究方向提出建议。 4 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 2 1 抗拔桩国内外研究现状 2 1 1 等截面抗拔桩的研究现状 k u l h a w y ( 1 9 7 9 ) 对砂土中的钻孔灌注桩抗拔性能进行了系统的研究“1 。通过 4 个大型模型试验发现等截面抗拔桩基础主要破坏形态为沿着桩一土界面上发生 圆柱形剪切破坏。上拔力达到抗拔承载力时，桩侧水平应力系数在松砂中为主 动土压力系数k t 比较准确，在密砂中为被动土压力系数的平方根v ，与实测值较 为接近。 a n d e r s o n 等人( 1 9 8 8 ) 指出桩表面粗糙度会影响界面破坏位置，且对于钻孔 灌注桩而言，抗拔桩桩身表面通常都比较粗糙，因此破坏面大都发生于土壤内 部。而对于桩侧摩阻力主要是由桩一土界面所发生的相对位移提供。 c h a n d l e r ( 1 9 8 2 ) 利用偏光照相技术发现基桩破坏时，距桩一土界面0 5 m 处 会产生连续的位移剪切面”1 。 p a r r y ( 1 9 7 7 ) 在模型试验研究中发现桩身受荷时，桩一土界面首先产生倾斜桩 位移方向之雁行状破坏，当荷载增加到相当大时，在接近平行位移方向将产生 破裂面，在达到极限荷载时，各破裂面相互连接形成联系破裂面，桩侧土体发 生大量位移”1 。 a l a w n e h ( 1 9 9 9 ) 做了6 4 个砂土中抗拔桩试验。1 。试验结果表明桩的施工方法、 砂土初始密度、桩表面粗糙度和桩的类型都会较大地影响抗拔桩的极限承载力。 在密砂中打入桩的抗拔承载力是压入桩承载力的1 3 3 倍，在中密砂中打入桩的 承载力是压入桩承载力的1 5 2 倍。表面粗糙模型桩的承载力相对于表面光滑模 型桩要增加1 2 5 4 。 c h a t t o p a d h y a y ( 1 9 8 5 ) 提出预测砂土中桩的抗拔极限承载力理论分析方法 1 。该文假定了抗拔桩的理论剪切破坏面，该破坏面考虑了桩的长度、直径和 表面粗糙度以及土体的物理力学特性对承载力的影响。i r e l a n d ( 1 9 5 7 ) 通过试验 发现桩侧土压力系数常常大于土的被动土压力系数7 ov e s i c ( 1 9 7 0 ) 认为抗拔 5 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 桩和抗压桩的桩侧极限摩阻力相同，它取决于土体的相对密度和桩的施工方式 。然而p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 8 0 ) 认为可以用受压桩的桩侧摩阻力乘以2 3 预测 抗拔桩的承载力。 实际工程中常常出现桩不仅受到上拔力的作用，而且同时还承受上部结构传 下来的压力。d a s h ( 2 0 0 3 ) 通过模型试验研究竖向压力荷载对抗拔桩承载力的 影响”。试验结果表明桩承受竖向压力荷载会减少桩的抗拔承载力，减少的幅 度取决于压力的大小。r a o ( 1 9 8 5 ) 通过砂土中抗拔桩模型试验发现抗拔桩承载力 随长径比( l d ) 、桩表面粗糙度、砂土密实度和颗粒尺寸的增大而增大”。松 砂中桩达到极限承载力时，抗拔桩对应位移大约为桩径的5 ：而在密砂中桩达 到极限承载力的对应位移大约为桩径的1 0 。这些位移值与同等条件下抗压桩的 位移值相比大3 6 。砂土淹没在水中会减少桩的抗拔承载力，然而土压力系 数只对于密砂的情况下会减少，而对于松砂，土水平压力系数基本不会受影响。 l u t e n e g g e r ( 1 9 9 4 ) 通过小直径钻孔灌注桩现场试验研究利用钻孔剪切试验和旁 压试验结果预测硬粘土中钻孔灌注桩的抗拔承载力”。 l e v a c h e r ( 1 9 8 3 ) 通过模型桩试验分析不同安装方式对抗拔桩承载力的影响。 该研究包括3 1 根钻孔桩，1 2 根打入桩和5 根震动打入桩的抗拔试验。试验结果 表明桩的安装方式对承载力的影响是显著的，该文通过引入一个系数来考虑其 对承载力的影响“”。 t u r n e r ( 1 9 9 0 ) 研究了反复荷载作用对抗拔桩承载力的影响。文中指出 反复荷载下抗拔承载力下降主要有以下三个原因造成：桩侧摩阻力在循环荷载 作用下逐渐降低；桩底在上拔力作用下上移，循环荷载作用下，桩底附近砂粒 流向桩底，桩底的砂粒越来越多，阻止了桩底回到原来的位置；循环荷载作用 降低了水平侧压力系数。 n i c o l a 和r a n d o l p h ( 1 9 9 3 ) 对砂土中的抗拔桩和抗压桩承载力差异进行了 详细的分析8 。研究结果表明抗拔桩承载力比抗压桩承载力低的主要原因是由 于泊松比的影响，基桩抗拔和抗压承载力之比可以用桩的单位压缩量和细长比 的函数表示。杜广印等人( 2 0 0 0 ) 对抗压桩和抗拔桩的桩侧阻力进行了理论探 讨，从定量上考虑了桩周土的剪胀性和主应力方向旋转对侧阻力的影响，得到 了相应影响系数和侧阻力的预测公式“”。 m e y e r h o f 和a d a m s ( 1 9 6 8 ) 研究了抗拔桩的破裂面，并指出，在极限抗拔荷 载作用下，抗拔桩破裂面在桩端处与桩表面相切，而在地表面，破裂面与水平 6 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 面成4 5 。- o 2 的夹角”。茜平一等人的研究结果( 1 9 9 2 ) 也表明，在铅直荷载作 用下，抗拔锚板两侧土中的破裂面呈对称的喇叭形，其切线方向在板边缘近似 垂直，在地表处，无论是砂土还是粘质砂土均接近4 5 。- 0 2 “”。 r o l l i n s ( 2 0 0 5 ) 通过2 8 根抗拔试验研究中密砂到砾石土中灌注钻孔桩的桩 侧摩阻力，并将实测承载力和r e e s e 提出的经验公式结果进行比较。结果表明 对于砂性土，经验公式预测结果和实测值比较接近；而对于砾石含量超过5 0 的砂砾土，实铡值是经验公式预测结果的2 4 倍“”。l e h a n e ( 2 0 0 5 ) 研究了抗拔 桩直径对桩侧单位摩阻力的影响硼。i s m a e l ( 1 9 8 6 ) 通过实测试验研究钙质土中 钻孔灌注桩的抗拔承载力”“。 n a r a s i m h a ( 1 9 9 3 ) 研究了水平循环荷载对粘性土中桩抗拔承载力的影响嘲。 h l a w n e h ( 1 9 9 9 ) 在分析3 4 根打入桩抗拔试验数据的基础上提出一个预测砂土中 打入桩的抗拔承载力分析方法，该方法能考虑打桩过程对桩侧摩阻力的消弱作 用旧) 。d a s ( 1 9 8 2 ) 根据模型试验结果发现桩一土界面单位摩阻力随埋深比的增 加而成现在增加，当达到临界埋深比时，单位摩阻力保持为常数。d a s 给出了临 界埋深比的经验公式，临界埋深比的大小取决于砂土的相对密度”。 刘祖德( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 比较系统的介绍了抗拔桩基础，对抗拔桩基础受力状和 应用范围等做了较详细的介绍矧蚓。史鸿林( 1 9 9 6 ) 在现场大直径钻孔灌注桩的 原型抗拔试验基础上，对桩的抗浮安全度、荷载传递机理和抗拔桩对其周围土 体的影响等进行了研究”1 。 何思明( 2 0 0 1 ) 在国内外众多抗拔桩原位及室内测试资料的基础上，建立了抗 拔桩桩周土体的破裂面方程，在此基础上研究了抗拔桩的极限承载力，并提出 一个极值原理嘲。吴传波( 2 0 0 4 ) 基于抗拔单桩静载荷试验数据，采用灰色系 统理论法，对单桩抗拔极限承载力进行预测汹1 。冯君( 2 0 0 3 ) 采用a n s y s 大型 通用有限元分析程序，对大直径预应力锚索抗拔桩的抗拔性能迸行了三维有限 元分析，并认为抗拔桩直接受力点设置在桩身的下部是适宜的侧。 张洁( 2 0 0 5 ) 研究上拔力作用点位置对抗拔桩变形的影响。该文建立了能反 映上拔力作用点位置影响的抗拔桩分析模型，该模型采用荷载传递法求解，得 出了不同上拔力作用点下摩阻力分布、桩顶荷载位移、作用点所在截面荷载位 移解析解 3 1 o 刘文白( 2 0 0 4 ) 采用颗粒流理论数值模拟了砂土地基桩的上拔试验，对各级 荷载下桩的上拔位移及土颗粒的分布、速度和位移进行了分析，并根据颗粒流 7 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 数值模拟的荷载一位移曲线确定了极限上拔荷载和极限上拔位移，其曲线特征 与物理实物试验的荷载位移曲线基本一致姗。何剑( 2 0 0 4 ) 根据某核电厂2 根 嵌岩灌注桩单桩竖向抗拔静载试验数据，分析了嵌岩抗拔桩在受荷时的轴力传 递、侧阻力发挥和桩端阻力特征，表明抗拔桩在承受拉升荷载时的承载机理与 抗压桩存在不同，通过对试验结果的分析讨论，揭示了该地区土层和嵌岩段抗 拔侧阻力的取值特点嘲。 桩的承载力预测大多采用函数模型进行预测，常用的函数模型为双曲线函数 和指数函数。许宏发( 2 0 0 0 ) 通过研究发现这两种函数模型不能全面反映抗拔 桩的荷载一位移( q - s ) 曲线，而用幂函数模型描述荷载一位移( q - s ) 曲线， 适应性更强，模拟结果比较合理洲。该文认为对陡降型q - s 曲线，幂指数一般 为2 0 左右，对缓变型q - s 曲线，幂指数一般为2 9 左右。许宏发( 2 0 0 3 ) 通 过有限元计算分析，对等截面桩的抗拔机理进行了研究。有限元计算结果表 明在上拔和下压过程中，桩受到的侧压力不是恒定的，而是动态变化的。对于 抗拔桩，侧压力有减少的趋势，即具有“越拉越松”的特性；对于受压桩，侧 压力有增大的趋势，即具有“越压越紧”的特性。 黄锋( 1 9 9 9 ) 对砂土中的抗拔桩位移交形进行了分析，采用桩周土变形模式反 映桩基荷载传递规律，推导出抗拔桩荷载“位移关系的理论解，同时，黄锋还对 土的剪胀性对桩侧摩阻力的影响做了简化模型分析，得出了剪胀性对抗拔桩和 承压桩侧摩阻力的不同影响1 。 张尚根( 2 0 0 2 ) 从桩基荷载传递规律的剪切位移模式出发，推导出的抗拔桩 荷载与位移的理论解，并和室内模型试验结果进行比较，结果表明该方法反映 的荷载位移范围在线性阶段是相符的”1 。李嘉( 2 0 0 6 ) 根据弹性理论法探讨了 抗拔桩的荷载传递机理，通过与实例结果比较，该方法在充分小于极限值时是 合适的。 朱碧堂( 2 0 0 6 ) 推导了基于轴向w i n k l e r 地基模型的抗拔桩弹性解答和基于 统一极限摩阻分布的弹塑性有限差分求解方法，重点讨论了w i n k l e r 模型弹簧刚 度、统一极限摩阻参数和上覆土层对抗拔桩的变形和极限承载力的影响。 2 1 2 扩底抗拔桩的研究现状 传统意义上的等截面抗拔桩竖向抗拔能力十分有限，主要依靠桩侧土的摩阻 8 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 力来抵抗上拔荷载。近年来随着桩的扩孔技术的发展、施工工艺的进步和新的 桩型的出现，变截面抗拔桩已逐渐应用到需要抵抗上拔荷载的建( 构) 筑物基础 中。它的最大优点就是可以用增加不多的材料和造价来显著增加桩基抗拔承载 性状。 k h a d i l k a r ( 1 9 7 1 ) 研究了扩底桩的破裂面和极限抗拔承载力。在室内模型 试验中，为方便观测破裂面的几何形状采用一面为玻璃的钢柜：在钢柜中放置染 色的成层砂土，观察砂土在试验过程中的变化。跟据观察结果，闭合的破裂面 的形状可用对数螺旋线来表示，并用k o t t e r 的微分方程表达沿破裂面的应力求 得上拔荷载的数学表达式。 d i c k i n ( 1 9 9 0 ) 通过离心机试验研究砂土中扩底桩在松砂、密砂不同条件下 的抗拔性能。试验结果发现在密砂中扩底抗拔桩的抗拔承载力可以用锚板的承 载力公式进行预测，而松砂扩底桩的抗拔承载力要比锚板承载力公式的预测值 要低很多“”。 d i c k i n ( 1 9 9 0 ) 采用离心机试验来研究扩底桩的等截面直径和扩大头直径的 比率、扩大头角度对扩底抗拔桩承载力的影响。研究表明扩底抗拔桩抗拔承载 力和失效时的位移随扩大头角度和抗拔桩直径比率的增加而减少。该文给出了 分析扩底桩承载力的经验设计方法，该方法考虑了扩大头几何形状对扩底抗拔 桩承载力的影响1 。 n a g g e r ( 2 0 0 0 ) 通过模型试验分析锥型桩的抗拔性能。试验结果表明锥型桩的 承载力随围压的增长而增长，并且在高围压下锥型桩的抗拔承载力与等截面桩 抗拔承载力相差不大。 1 1 a m p a r u t h i ( 2 0 0 1 ) 研究了模型扩底桩在土工格栅加固砂土中的抗拔性状， 提出了预测抗拔桩承载力的经验方法，同时建立了扩底桩桩顶上拔力和位移之 间的双曲线非线性关系。 刘文白( 2 0 0 4 ) 应用颗粒流理论研究了黄土中扩底桩承受上拔荷载的宏观力 学性能，以及扩底桩在上拔荷载下的位移、极限上拔承载力和破坏机理。结果 表明：增加扩底桩扩大端的高度对提高承载力是有效的；破坏机理为土的减压 软化和损伤软化的渐进性破坏1 。 袁文忠等人( 2 0 0 3 ) 论述了通过室内模型试验并采用砂浆模拟了3 种不同强 度的基岩对扩底抗拔桩的荷载传递规律及破坏模式的影响。 张尚根( 2 0 0 3 ) 采用剪切位移荷载传递法和弹性力学理论，导出扩底抗拔桩 9 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 的荷载与位移关系的理论解，并对理论解与模型桩试验结果进行了比较，计算结 果与实测值基本一致，该方法为扩底抗拔桩的设计提供了理论依据“”。 张洁( 2 0 0 4 ) 采用荷载传递方法，建立了扩底抗拔桩的分析模型。抗拔桩工作 阶段采用线性荷载传递函数，在线弹性荷载传递函数的情况下推导了扩底抗拔 桩的荷载位移解析算式，并在分析抗拔桩刚度与桩长关系基础上提出了扩底抗 拔桩的临界桩长计算方法。 2 。2 抗拔桩承载力计算方法 2 2 1 等截面抗拔单桩承载力分析 如何准确预测抗拔桩的承载力是目前国内外研究热点问题之一。抗拔桩承 载力不仅有利于我们合理和经济的设计抗拔桩基础，而且也是准确预测抗拔桩 非线性变形的基础。试桩的抗拔静载试验是确定抗拔单桩的最有效的方法。我 国桩基规范对由试桩荷载一位移曲线确定抗拔桩极限承载力有明确的规定。然 而，试桩静载试验通常花费较多且耗费大量时间。对于小型工程，预测抗拔桩 承载力方法主要有以下两种方法：( 1 ) 使用经验法预测抗拔桩抗拔承载力；( 2 ) 根据理论推导预测抗拔桩抗拔承载力。 2 2 1 经验公式法 使用经验法预测抗拔桩承载力是一种简单而有效的方法，特别适用于设计 的初始阶段。根据国内外抗拔桩研究表明，桩的主要破坏形式是沿桩一土界面 上发生的圆柱形剪切破坏。圆柱形剪切破坏时等截面抗拔桩的承载力公式可以 用下式表示： e i w + 哪o 皿( 2 1 ) 式中：为桩的有效重量；d 为桩的直径；f 为桩的长度；f 一【2 j 为深度为z 处的桩侧最大摩阻力。 由公式( 2 1 ) 可以看出确定抗拔桩承载力关键在于确定最大的桩侧最大摩 阻力f 一( 引。目前分析最大摩阻力f 一【。) 的方法分别分总应力法( a 法) 和有 效应力法( p 法) 。 l o 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 ( 1 ) a 法( 总应力法) 对于粘性土( 特别是饱和粘性土) 中桩侧的摩阻力通常采用总应力法计算。 对于不排水荷载条件下( 即作用时间较短的荷载) ，可用不排水分析法，设饱和 粘土的妒。o ，则单位桩侧摩阻力可表示为： f 一- a c ( 2 2 ) 式中：，一为土的不排水抗剪强度口为粘附系数或考虑旌工、土体扰动等因 素影响的折减系数。 口值随基础类别、土质以及施工技术而变化。d a s ( 1 9 8 5 ) 在模型桩试验的 基础上给出了钻孔灌注桩和钢管桩口值的经验公式，具体表示如下： 对于钻孔灌注桩： a 0 9 - 0 0 0 6 2 5 c 口- 0 4 对于钢管桩： ( g c 8 0 k n m 2 ) ( 巳 8 0 k n m 2 ) 口- 0 7 1 5 - 0 0 1 9 1 c 。 ( e 。c8 0 k n m 2 ) 口0 2 ( 巴 8 0 k n m 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 口法通常被认为是不够精确的，因为不排水抗剪强度不是土的本质属性，而 是通过人为的试验得到的。然而口法在实际工程中应用较广。这是因为实际工 程中通常提供土的不排水抗剪强度，而且口法相对于户法考虑的参数较少，应 用起来比较方便。 ( 2 ) 法( 有效应力法) 有效应力法应用范围较广，它适用于粘性土和砂性土。桩侧剪应力表示形式 如下： f 一- k 盯，t a n ( 6 ) + t ci 卢口，+ c ( 2 7 ) 吼。y z ( 2 8 ) 式中q 为原位垂直有效应力，r 为桩侧土的有效容重，z 为计算点离地表 的深度，6 为桩土界面处的内摩擦角，k 为侧压力系数，c 为土的粘聚力。 从公式( 2 7 ) 可以看出，要想准确预测桩侧土的最大抗剪强度，关键在于 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 合理确定公式中的两个参数，即侧压力系数和桩一土界面的内摩擦角d 。 侧土压力的大小主要受土的类型和桩的施工方式的影响。m i c h a e lw 认为对 于正常固结粘土，侧压力系数可采用静土压力系数，即五l s i n ( 妒j 。对于超固 结粘土，侧压力系数受土的超固结比的影响。土的超固结比越大，侧压力系数 就越大。在大量实测数据的基础上，m i c h a e lw 建议对于超固结土， k 。1 5 ( 1 一s i n ( 妒归a t ”( 妒为桩侧土的等效内摩擦角，o c r 为超固结比) 。砂土 中的侧压力系数与粘土有很大的差别，侧压力的大小除了和土的抗剪强度指标 有关外，还和砂土的密实度有关。k u l l m w y 等人通过模型试验的结果发现，当松 砂中侧压力系数取主动土压力系数“一，密砂中侧压力系数取被动土压力系数的 平方根、“，时，抗拔桩的极限承载力的计算值和实测值非常接近。侧压力系数 除了与土的类型有关，还与施工方式也有很大关系。c h e n 和k u l h a w y 在对几百 个砂土中桩的抗拔试验资料进行分析的基础上，给出不同施工方式下侧压力系 数与静止土压力系数的比值( k 瞄的参考值，详见表2 1 。 表2 1 桩的侧压力系数与静土压力系数的比值 施工方式 k l ( o 干法套筒泥浆护壁 抗压桩 0 8 30 6 7o 9 2 抗拔桩1 oo 8 3o 6 7 桩一土界面的摩擦角与桩侧土的类别、土颗粒的大小、桩的施工工艺和桩表 面的粗糙度等有关。研究表明，砂土中桩土界面的摩擦角随平均粒径d s o 的增 大而减少，并随桩表面的粗糙度增大而增大，同时内摩擦角6 的大小与土的初始 密度无关。实际工程的抗拔桩试验，很少会提供桩土界面处的内摩擦角。而且 大量试验证明灌注桩实际破坏面常出现在界面以外附近的土体内，而并非直接 在界面上。因此对于钻孔灌注桩而言，桩土界面处的内摩擦角可以用土的内摩 擦角来代替。 许多研究人员发现对于砂土中的打入桩任意深度的桩侧摩阻力会随着桩的 不断打入而软化。研究结果表明桩端以上土体( 桩端以上l o m 或者更多) 受到 循环剪应力的影响导致单位摩阻力不断软化。为了考虑桩的打入对砂土造成的 影响，r a n d o l p h 提出单位摩阻力从桩端附近的最大值成指数函数关系降低到最 小值。a l a w n e h 根据3 4 个抗拔桩载荷试验资料提出了预测砂土中打入桩的极限 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 单位摩阻力。该方法类似于r a n d o l p h 方法考虑桩侧摩阻力的减少。a l a w n e h 法 的极限单位摩阻力分布可以用下式表示： q ) 。西( z ) t a n 6 ( 2 9 ) 力g ) - k 0 ) o ( z ) ( 2 1 0 ) x g ) - x 一+ 一k ) e x p 【m 0 3 ( 节】 ( 2 1 1 ) - o 。s c x p ( 0 0 3 ) , 心竽严譬广 ( 2 1 2 ) 式中：0 0 为失效时桩侧水平有效应力；q ( z ) 为竖向有效应力，z 为到土表 面的距离；d 矗为桩端处竖向有效应力；以为大气压( 相对于1 0 1 3 k p a ) ；d ，为 砂的相对密度；d 为桩的直径；l 为桩长；x 一为最大土压力系数；x m 为最小 土压力系数。 上式中五。可以取土的朗肯主动土压力系数疋，然而a l a w n e h 根据实测试 验结果检验k 一取为0 2 3 ，该值比实测场地对应主动土压力系数k 小2 4 。 2 2 1 2 理论公式法 抗拔桩的主要破坏形式是沿桩一土界面上发生的圆柱形剪切破坏。然而对 于砂土中粗糙短桩可能会发生完整通长的倒锥体破坏；对于硬粘土中的钻孔灌 注桩可能出现复合剪切面破坏，即桩的下部沿桩一土界面剪切破坏，而上部局 部深度土层内出现斜向裂面，其上倒锥型土体与桩粘结在一起，与桩体同时向 上位移。由此可见，抗拔桩的具体破坏形式要根据桩和土的特性来决定。 c h a t t o p a d h y a y ( 1 9 8 5 ) 提出预测砂土中桩的抗拔极限承载力理论分析方法。 该文假定了抗拔桩的理论剪切破坏面，该剪切破坏面开始与桩端相切，呈曲线 通过砂土，最后为与地表面相交且夹角为4 5 0 - - o 2 。抗拔桩失效破坏的形状取 决于桩的长细比、桩一土界面摩擦角和土的内摩擦角。 c h a t t o p a d h y a y 通过求解微分方程和力的平衡方程，最后得到砂土中抗拔桩 承载力的理论公式： 咒。删 ( 2 1 3 ) 式中：a ，为抗拔桩承载力系数；y 为土的容重；d 为桩的直径；为桩长。 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 2 2 2 扩底抗拔桩的承载力分析 等截面桩上拔时，抗拔力主要由桩侧摩阻力承担，因此抗拔能力有限。扩 底抗拔桩上拔时，除了桩侧土体承担荷载外，桩端扩大头会上移挤压土体，土 体对扩大头产生向下的反作用力，且该反作用力随着上拔位移的增加逐渐增长， 直至土体整体破坏。扩底抗拔桩的承载力分析大部分都是假定不同的桩基破坏 模式，然后利用土的抗剪强度和侧压力系数等指标确定扩底抗拔桩的承载力。 目前常见的扩底抗拔桩承载力分析方法为： 2 2 2 基本计算公式 扩底桩的极限抗拔承载力p u 由以下三部分组成，相应的公式为： 丘- q ，+ 幺+ 形 ( 2 1 4 ) 式中：q ，为桩侧摩阻力，可参考等截面桩的侧摩阻力计算，计算长度为从地 面算到扩大头顶面的深度：噬为桩体自重，计算桩长从地面算到扩大头的最大 断面处：幺为扩底部分抗拔承载力，按土性分别计算： 对于粘性土： 幺。专( d d ) c 吒 ( 2 1 5 ) 对于砂性土： 玩- 三( d - d ) o ，n q ( 2 1 6 ) 式中：d 为扩大头直径：d 为桩身直径：为扩底扰动引起的抗剪强度折减系 数：c ，以为承载力系数：c 为不排水抗剪强度：q 为有效上覆压力。 2 2 2 2 我国建筑桩基技术规范中的计算公式 我国现行建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 中抗拔桩单桩的抗拔极限承载 力计算公式如下： - 枫以厶( 2 1 7 ) 式中：为抗拔极限承载力的标准值： h - 为破坏表面周长，对于等直径桩取“一面：对于扩底桩按表2 2 取值： 为桩侧表面第i 层土的抗压极限侧阻力值，按规范取值： 1 4 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 为抗拔系数，按表2 3 取值。 表2 2 扩底破坏表面周长 f 自桩底起计算的长度 薹5 d茎5 d 所 d d 表2 3 抗拔系数a i土类a 值 砂土 0 5 0 7i 粘性土，粉土o 7 o 8 i 2 2 2 3 摩擦圆柱法 摩擦圆柱法( f r i c t i o nc y l i n d e rm e t h o d ) ，其理论假定：当桩上拔达到破坏 时，在桩底扩大头以上将出现一个直径等于扩大头最大直径的竖直圆柱形破坏 土体。桩的抗拔承载力由桩重、桩底以上土重及圆柱形剪切面的摩阻力组成， 如图2 1 所示，极限抗拔承载力计算公式可写为： 对于粘性土： 冠- 扣乞+ 形+ 噬 ( 2 1 8 ) 对于砂性土： e 棚k 瓦( 留础) + 彬+ 睨( 2 1 9 ) 式中：形为包含在圆柱形滑动体内土体重量：形为桩身自重：为士的侧压 力系数：p 为土的有效内摩擦角：其余符号意义同前，但桩长应从地面算至扩大头 水平投影面积最大的部位高程。 2 2 2 4 圆柱面剪切法 该法假设桩端扩大头以上一定范围内的土体剪切面直径等于扩大头最大直 径，同时假定超过此范围的桩等截面部分的侧摩阻力不受影响，并分段套用现 有规范的抗拔桩计算公式，破坏面具体情况见图2 2 。单桩抗拔承载力标准值计 算公式如下： 纵。u ，t + 以z + 睨+ 彬 ( 2 2 0 ) 1 5 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 式中：q t 为扩底桩抗拔极限承载力标准值；玑- 为扩大头h 及影响范围h 以 外部分的桩侧摩阻力标准值( 按桩身直径d 计算) ；u ，2 为为扩大头h 及影响范 围日以内部分的桩侧摩阻力标准值( 按扩底直径d 计算) ；w s 为扩大头影响范 围内土体有效重量；w c 为桩身有效自重。h 为扩大头长度，根据现有施工机械条 件，扩大头长度一般在i o 2 5 m , 超过2 5 m ，按2 5 m 计算。阿为扩大头影响 范围，一般取扩大头长度及扩大头以上8 d 范围，但不包括软弱土层的长度。 u ，1n - j 按下式计算： 一札础- ( 2 2 1 ) 式中：b 为桩底起算的长度，取 日+ 日。范围。 u 1 2 可按下式计算： 以：- 加：( 2 2 2 ) 式中：h ：为桩底起算的长度，取s h + h 范围。 图2 1 摩擦圆柱法 图2 2 圆柱面剪切法 2 2 2 5 工程兵学院计算公式 工程兵工程学院与上海人防办科研所根据对软土中抗浮爆扩桩的研究结 1 6 第2 章扩底抗拨桩承载力计算方法暨文献综述 果，提出了符合饱和软粘土地质条件的爆扩桩抗拔力计算公式，其表达式为： n 7 s 只一k 肛k d m + 石【d 2 - d 2 ) 4 r , j + o 9 g ( 2 2 3 ) 式中：n 为轴向拉力：p a 为桩的容许抗拔力；k s 为施工因素的影响系数：k 为安全系数，一般取2 o ： 为桩侧摩阻力系数：为第i 层土的厚度： 为桩 侧第i 层土的极限摩阻力：r 为扩大头上方土体极限承载力：g 为桩体自重，地 下水位以下取浮重度：其余符号意义同前。 可按下述的原则取值：桩的上部1 1 3 段取0 6 - 0 8 ，中间1 3 段取2 0 ，下 部1 3 段取i 0 ，k s 的取值取决于施工水平和施工人员的素质，k s 的取值可大 于1 ，建议k s 的取值范围为0 8 - i 3 。 按公式( 2 2 3 ) 计算所得的结果往往偏大，其主要原因是夸大了扩大头的抗 拔力。该公式考虑的是扩大头上方土体处于垂直受压状态，显然与实际情况不 符。因此，刘念与陈志龙提出了改进表达式： 只咿d “，j + 石掣r t p + 啊+ ( 2 2 4 ) 式中：p 为扩大头形状系数，取w 1 峨为桩体自重，地下水位以下取浮重度；w 2 为扩大头拖带土体的重量，取桩身( 不带扩大头) 下1 3 段的重量，地下水位以 下取浮重度。 2 2 2 6 m e y e r h o f - a d a m s 法 m e y e r h o f - a d a m s 提出用一个半经验的方法计算基础的抗拔承载力根据在砂 和粘土中进行的模拟试验观察结果和所得的数据指出：对于浅基础和扩底短桩， 抗拔力随深度的增加而增大，且在密实的砂土中出现明显的滑动破坏面，这个 破坏面从桩的扩大头边缘以一定的弧形向地表延伸。在粘土地墓中，除了软弱 淤泥外，一般也会出现破坏面，但不如砂土中明显：基础上移时，地面附近的土 中出现明显的负孔隙水压力。 对于深基础和较长的扩底桩，无论是在砂土还是粘土中破坏面都不很清晰， 抗拔极限承载力随着深度的变化有一临晃深度的问题，在该临界深度以下桩扩 大头的抗拔能力不再能随深度而有效的提高。 由于破坏面的形状相当复杂，不同几何尺寸条件下有不同形式的破坏面，而 且还有渐进性破坏现象，因此在推导扩底桩基础抗拔能力的计算公式时，必须 1 7 第2 章扩底抗拔桩承载力计算方法暨文献综述 作某些简化段定。从计算模式来看，m e y e r h o f - a d a m s 无非也是采用了竖圆柱式 滑动面法，以代替在模型试验中观察到的喇叭形倒圆锥台形滑动面，但是本质 上两者并不相同。m e y e r h o f 和a d a m s 等人将实际观察到的滑动面称为破坏面，而 将简化后的竖圆柱形滑动面称为剪切面，两者之间用一个k u 的系数联系起来， k u 称为“竖直剪切面上土压力的标定上拔系数”。这样算得对象似乎是竖圆柱 形剪切面上的摩阻力和该面所包含的土和基础有效重量，但实际上己考虑了实 测滑动面与计算滑动面的等效因素。两人对浅基础和深基础分别提出了算式， 计算简图见图2 3 和图2 4 。 ( 1 ) 深基础与浅基础的分界线 设临界深度为h ，当基础深度为z ( 亦即扩底桩的上拔计算长度1 ) 小于破坏面 竖直方向临界深度h 时，这种短的扩底桩称之为浅基础。当z 大于这一临界深度h 时，上拔时基础的破坏滑动面将不达到地表面，而转化为土体内部的冲切和压 缩，这种