（岩土工程专业论文）嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国城市化进程的迅速发展，为缓解城市发展空间限制，地下结构的建设呈现 迅猛发展的势头。研究与探讨地下结构的抗浮稳定性问题，日益受到国内外学者的重视。 而在工程上常采用抗拔桩解决地下结构的抗浮稳定性问题。同时高耸结构物、输变电线 工程、索道桥和斜拉桥、海上石油钻井平台等也大量采用抗拔桩。尽管抗拔桩大量地应 用于工程实践中，然而其抗拔承载力特性的试验与理论研究远远落后于工程实践。本文 主要针对竖向与斜向上拔荷载作用下，采用数值计算方法，对嵌岩与扩底桩的抗拔承载 特性进行了计算与分析，探讨了各种因素的影响。主要包括以下工作： 1 以a b a q u s 为平台，建立了竖向上拔荷载下嵌岩桩基础的有限元计算模型。经 过具体计算，对嵌岩抗拔桩的荷载传递机理进行分析。在此基础上，通过变动参数计算 与分析，探讨了嵌岩深度、桩长、桩径、桩身弹性模量、岩层弹性模量、上部土层弹性 模量及水平荷载等因素对嵌岩桩基础抗拔承载力的影响。 2 以a b a q u s 为平台，建立了竖向上拔荷载下扩底桩基础的有限元计算模型。并 采用所建立的模型进行计算，分析了扩底抗拔桩的荷载传递机理、上拔荷载下桩周土体 位移、塑性应变的分布规律和扩大头周围土体的竖向应力分布特征。同时，通过变动参 数计算与分析，探讨了扩底桩的长度、桩径、扩底高度、扩径比、桩身弹性模量、等截 面桩侧土的弹性模量、扩大头周围土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角和桩土接触面上 的摩擦系数等因素对扩底桩基础抗拔承载力及土体等效塑性应变的影响。 3 利用a b a q u s 中的子程序u s d f i e 与应用程序g e t v r m ，实现了土体黏聚力 随深度的非均匀变化。针对此类非均质地基，建立了斜向上拔荷载下扩底桩的有限元计 算模型。采用所建立的计算模型，进行具体计算，研究与分析了不同荷载方向下，斜向 上拔荷载位移关系曲线、土的位移分布及等效塑性应变分布。通过变动土体的弹性模 量、内摩擦角和黏聚力等参数，探讨了各种因素对扩底桩斜向抗拔承载力的影响。 关键词：嵌岩桩和扩底桩基础；抗拔承载力；上拔荷载一位移曲线；非均质地基；数值 分析 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 n u m e r i c a la n a l y s i so fu p l i f tb e a r i n gc a p a c i t yb e h a v i o ro fr o c k - s o c k e t e d p i l e sa n db e l l e dp i l e s a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd 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 g ，i no r d e rt oa l l e v i a t et h es p a c e c o n s t r a i n t so fu r b a nd e v e l o p m e n t , i o t so fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sa r eb u i l t 1 1 1 es t u d yo n s t a b i l i t yo fu n d e r g r o t m ds t r u c t u r e sr e s i s t i n gt h eu p l i f tl o a di sb e i n ga d v e r t e d a n dt e n s i o np i l e s a r eu s u a l l yu s e dt or e s i s tt h eu p l i f tl o a di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e m e a n w h i l e ，t e n s i o np i l e s a r ea l s ow i d e l ye m p l o y e dt or e s t r a i nav a r i e t yo f l a n ds t r u c t u r e ss u c ha sf r e es t a n d i n ga n dg u y e d l a t t i c et o w e r s ，t e l e v i s i o na n dt r a n s m i s s i o nt o w e r s ，t e n s i o nc a b l e sf o rs u s p e n s i o nb r i d g e sa n d t e n t - t y p er o o f a n dm a r i n es t r u c t u r e ss u c ha sf l o a t i n gp l a t f o r m s ，t e n s i o nl e gp l a t f o r m sa n dg u y e d t o w e r s a l t h o u g ht e n s i o np i l e sa r ew i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n g ，t h e o r i e sa b o u tt e n s i o np i l e s a r ef a rb e h i n do fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es t u d i e sa r ee m p h a s i z e do n n u m e r i c a la n a l y s i so fu p l i f tb e a r i n gc a p a c i t yb e h a v i o ro fr o c k s o c k e t e dp i l e sa n db e l l e dp i l e s u n d e rt h ev e r t i c a ll o a da n di n c l i n e dl o a d mm a i ni n v e s f i g a t i o n sc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 b a s eo nf m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lf o r r o c k - s o c k e t e dp i l e su n d e rv e r t i c a lu p l i f tl o a di se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fe l e m e n tf i n i t e r e s u l t s ，t h el o a dt r a n s f e rb e h a v i o ri sa n a l y z e d m o r e o v e r ，b yp a r a m e t r i cc o m p u t a t i o na n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h eu l t i m a t eu p l i f tb e a r i n gc a p a c i t yo f r o c k - s o c k e t e dp i l e su n d e r v e r t i c a l u p l i f tl o a di se v a l u a t e df o rd i f f e r e n ts o c k e tl e n g t h , a s p e c tr a d i oo f p i l e s ，e l a s t i cm o d u l u so f p i l e ， e l a s t i cm o d u l u so fr o c k , e l a s t i cm o d u l u so fs o i la n dh o r i z o n t a ll o a d 2 b a s eo nf m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s 。t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lf o r b e l l e dp i l e su n d e rv e r t i c a lu p l i f tl o a di se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fe l e m e n tf i n i t er e s u l t s ，t h e l o a dt r a n s f e rb e h a v i o r , d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no fs o i l ，e q u a lp l a s t i cs t r a i nd i s t r i b u t i o no fs o i l ， a n dv e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fs o i la r ea n a l y z e d m o r e o v e r , b yp a r a m e t r i cc o m p u t a t i o na n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h eu p l i f tb e a r i n gc a p a c i t yo fb e l l e dp i l e sa n de q u a lp l a s t i cs t r a i n d i s t r i b u t i o no fs o i la r ee v a i u a t e df o rd i f f e r e n tl e n g t h s ，d i a m e t e r s ，e n l a r g e db a s ed e p t h , p i l eb a s e d i a m e t e r s ，e l a s t i cm o d u l u so f p i l e ，e l a s t i cm o d u l u so f s o i la r o u n dp i l es e g m e n t ，e l a s t i cm o d u l u s o fs o i la r o u n de n l a r g e db a s e ，c o h e s i o n , a n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o na n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t 3 u t i l i z i n gu s e rs u b r o u t i n e su s d f l ea n du t i l i t yr o u t i n e sg e t v r m t oi m p r o v ec o h e s i v e i n h o m o g e n e i t y b a s e do nt h i sk i n do ff o u n d a t i o ns o i l ，t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e l f o rb e l l e dp i l e s u n d e rt h ei n c l i n e dl o a di se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fe l e m e n tf i n i t er e s u l t s ，r e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n c l i n e dl o a da n dd i s p l a c e m e n t , d i s p l a c e m e n ta n de q u a lp l a s t i cs t r a i nd i s t r i b u t i o no f s o i lu n d e rd i f f e r e n td i r e c t i o no fl o a da r ea n a l y z e d a tl a s t , b yp a r a m e t r i cc o m p u t a t i o na n d i i 大连理工大学硕士学位论文 c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h ei n c l i n e du p l i f tb e a r i n gc a p a c i t yo fb e l l e dp i l e sa r ee v a l u a t e df o r d i f f e r e n te l a s t i cm o d u l u so fs o i l ，a n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o na n dc o h e s i v ei n h o m o g e n e i t y k e yw o r d s ：r o c k - s o c k e t e dp i l e sa n db e l l e dp i l e sf o u n d a t i o n ；u p l i f tb e a t i n g c a p a c i t y ；u p l i f tl o a d d i s p l a c e m e n t ；i n h o m o g e n e o u sf o u n d a t i o n ； n u m e r i c a la n a l y s i s i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：雅趣复堑叁丝幽逸拙数丝础 作者签名： 陋差遨 日期：丕咀年丘月- 2 盈日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阕。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：型2 年笸月皇疋日 日期：4 年上月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1研究背景 随着我国国民经济的日益发展，高层和超高层建筑物的建设呈现迅猛发展的势头。 由于沿海地区土地资源有限，地下空间的利用受到越来越广范的重视。我国沿海地区地 下水位较高，地下建筑物通常需要承受较大的浮力【l 】。抗拔桩作为抗拔基础的主要形式 之一在工程中应用十分广泛。同时，抗拔桩还广泛应用于高耸结构物、输变线路工程、 索道桥和斜拉桥、海上石油钻井平台等。并且通常在其承受竖向拉拔荷载的同时，还承 受一定比例的水平荷载。 在承受浮托力为主的地下结构中，上海世博5 0 0 k v 大型地下变电站就是一个相当典 型的承受很大上浮力的工程实例。该工程主体结构直径超过1 3 0 m ，地板埋深为地面自 然标高下一3 3 4 m ，结构顶面为地面绿化场地，整个建筑物为一纯地下结构。根据勘察报 告，该工程地板承受的水头高度达3 3 米，整个工程承受较大的上拔力，即使在设备安 装后的正常运行阶段，仍然承受很大的上拔力，必须对其进行抗浮设计，设计单位在抗 浮设计中采用了扩底抗拔桩和桩侧注浆的等截面桩进行了现场试验，结果表明这两种桩 型均能提供较大的上拔力闭。 另外，嵌岩抗拔桩在实际工程中的应用也较多。何剑p j 和董金荣【4 j 等分别针对工程 实例对其进行了研究，结果嵌岩段“握裹作用较为明显，能够提供较大的上拔抗拔荷 载，为嵌岩抗拔桩在工程中的应用奠定了基础。 同时，部分桩基础在承受竖向上拔荷载的同时，还要承受水平荷载的影响，例如输 电线路杆塔基础疆l 。水平荷载一方面使桩土接触的一侧水平荷载增大，而使另一侧的水 平荷载减小，所以这使得桩基础的抗拔特性变得更加复杂。 以上表明抗拔桩在工程中已经得到了广泛的应用，但是，目前对抗拔桩基础尤其是 扩底抗拔桩和嵌岩抗拔桩的承载特性的研究较少，尚处于初期的探索阶段。并且这些研 究主要集中在桩基础的抗拔承载力方面，对其承载特性和变形特征的研究较少。更没有 进行系统和深入的机理分析。所以抗拔桩并不像抗压桩那样有比较完善的理论而有待于 进一步的研究。 因此本文在已有资料及文献的基础上，在大型有限元软件a b a q u s 平台上，建立 桩基础的抗拔承载力计算模型，分析嵌岩桩基础和扩底桩基础的抗拔特性。 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 1 2 国内外研究现状 1 2 1 等截面抗拔桩研究现状 ( 1 ) 试验研究 k u l h a w y 等【6 】对砂土中的钻孔灌注抗拔桩性能进行了系统的研究。通过4 个大型模 型试验发现等截面抗拔基础主要破坏形态为沿着桩土界面上发生圆柱形剪切破坏，在 某些条件下也可能发生倒锥台剪切破坏，或者混合剪切破坏。 a n d e r s o n 等r 7 】人通过研究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土界面所发生的相对位移提供。对于这一结论，c h a n d l e r 8 】利用偏 光照相技术发现基桩破坏时，距桩土界面0 5 m m 处会产生连续的位移剪切面。 a l a w n e h 等【9 】做了6 4 个砂土中抗拔桩试验。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。桩端闭口抗拔桩 承载力比桩端开口的抗拔桩承载力提高了2 4 。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。表明粗糙模 型桩的承载力相对于表明光滑模型桩要增加1 2 5 4 。 r a o 等【l o 】通过砂土中抗拔桩模型实验发现抗拔桩承载力随长径比，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。 d a s h 等【l l 】通过模型试验研究了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小桩的抗拔承载力，减少的幅度取决于压力的大小。同时通 过实验结果与理论计算结果的比较，建议用c h a t t o p a d h y a y 等【1 6 】所提供的方法预测桩的 抗拔承载力较为合理。 万世明等f 1 2 】根据泸卅i 长江二桥锚碇桥台两根抗拔试验锚桩的竖向抗拔试验结果，分 析了桩的抗拔承载性状和桩身阻力发挥特性，得出了一些对该类工程设计和施工具有指 导意义的结论。 谢涛等【1 3 】根据三组嵌岩桩抗拔桩的抗拔承载力模型试验结果，详细分析了其荷载 位移曲线关系，认为嵌岩抗拔桩的荷载位移曲线三段特征较其它情况明显。并建议对 大连理工大学硕士学位论文 于岩层中的抗拔桩，不一定桩越长侧阻力就一定会增大在设计施工中，应周密考虑嵌岩 段设置的适当深度，以便取得最佳效果。 何剑【3 】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，表明嵌岩桩在承受上拔荷载时的 承载机理与抗压桩存在不同，通过对实验结果的分析讨论，揭示了该地区土层和嵌岩抗 拔桩侧阻力的取值特点。 董金荣1 4 】根据5 根大直径灌注嵌岩抗拔桩的静载试验和应力测试结果，分析了嵌岩 桩荷载传递性状和嵌岩段摩阻力发挥过程一些特性，得到了抗拔桩的桩周土层抗拔系数 以及荷载位移曲线呈缓变型的抗拔桩极限承载力取值方法。结果表明抗拔桩的曲线性状 与持力层岩石风化程度和桩的嵌岩深度有关。同时根据嵌岩段摩阻力发挥过程特点，进 一步探讨了嵌岩段摩阻力发挥值主要因素。 孙学先等【1 4 】通过对现场试验结果的分析，研究了多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力 与变形的特性。吴春秋等【1 5 j 通过现场试验研究了深埋纯地下建筑不同抗拔桩型承载性 状，结果表明，对于含砂丰富地层且单桩承载力要求较高的长桩，宜优先选择压浆桩， 而且在技术经济条件相当的情况下，选择桩侧压浆方案可以节省工期；对于以软土或黏 土为主的地层或桩长较短的情况，扩底桩则比压浆桩更具优势。 ( 2 ) 理论研究 c h a t t o p a d h y a y 等【1 6 】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。 m e y e r h o f 等t 1 7 】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，破裂面与水平面呈的夹角为4 5 0 - 驴2 。何思 吲1 8 】根据此理论假定了滑裂面的形状，给出了抗拔桩周围土体的破裂面方程，从极限平 衡的角度推导了抗拔桩的极限承载力公式。 s r i v a s t a v a 等f 1 9 】利用荷载传递法分析了砂土中光滑和非光滑的桩基础的荷载位移曲 线及极限抗拔承载力。在分析中将桩离散为若干小段，同时考虑了桩的长度、直径、桩 土接触面特征的影响。通过具体实例进行计算与比较，发现计算所得荷载位移曲线及 极限抗拔承载力均与现场试验所得结果相近，认为利用荷载传递法可以预测砂土中桩基 础的上拔荷载位移曲线的非线性特征及极限抗拔承载力。 s h a n k e r 等【2 0 】针对现有的研究，假设抗拔桩在极限状态下的破坏面为楔形，利用极 限平衡法推导出了抗拔桩的极限承载力公式。同时通过室内模型试验得到模型试验数 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 据，通过两者的比较，结果发现利用楔形破坏面建立的极限承载力公式能很好的预测桩 的抗拔极限承载力。 杨克己等【2 l 】在调查研究和模型试验的基础上，对抗拔桩基础的破坏机理和承载力进 行了研究。认为抗拔与抗压桩破坏机理完全不同，荷载位移曲线的拐点明确，当桩的上 拔变形量不大，约为抗压桩极限荷载时下沉变形量的l 5 1 1 0 ，桩顶上拔力即达到峰 值；在基础桩的抗拔设计中，最优的如土深度宜采用大于2 0 倍桩径；循环荷载要比短期 荷载上拔变形量大，承载力降低约为3 0 。 黄蜂等暇】对砂土中的抗拔桩位移变形进行了分析，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，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。张 尚根等田j 从桩基荷载传递规律的剪切位移模式出发，推导出了抗拔桩荷载位移关系的理 论解，并和室内模型实验结果进行比较，结果表明该方法反映的荷载位移范围在线弹性 阶段是相符的。 朱碧堂等幽j 推导了基于轴向w i n l d 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。杜广印等【2 5 】人对抗压桩和抗拔桩 的桩侧摩阻力的进行了理论探讨，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。 孙晓立等【2 6 j 根据最小势能原理，使用修正变分法分析了抗拔单桩和抗拔群桩的变 形。在传统变分方法基础上，将抗拔群桩的变形分析简化为计算一个2 x 2 维矩阵，使得 群桩变形分析时间大大缩短。通过与模型试验结果进行比较，两者所得结果比较相近。 何思明等【2 7 j 以剪滞模型为基础，通过理论分析和验算，讨论了抗拔桩侧阻力分布规 律，荷载位移特征。结果表明：当抗拔荷载低于弹性极限抗拔时，桩侧阻力呈指数规律 分布，荷载位移曲线呈线性变化；当抗拔荷载大于弹性极限抗拔荷载时，桩侧阻力分为 两段，其中脱黏段上侧阻力均匀分布，黏结段上侧阻力呈指数规律分布，荷载位移曲线 呈非线性规律变化。 ( 3 ) 有限元分析 n i e o l a 和r a n d o l p h 【2 8 】利用基于有限差分法的f l a c 程序模拟了g i b s o n 砂土中桩在 上拔与下压荷载作用下的侧摩阻力发挥性状，对抗拔承载力和抗压承载力进行了比较。 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长径比的函数表示。 大连理工大学硕士学位论文 r e d d y 等1 2 9 】利用w 曲线和位移协调法建立了抗拔桩的位移计算模型，桩身的弹性 变形以及桩侧土的侧压力随深度变化的特点。同时计算了砂土中钢管桩在上拔荷载作用 下的位移。b a a r s 等【3 0 】为确定抗拔桩的极限承载力，利用p l a x i s 有限元程序建立了数值 模型，结果发现桩土界面的行为对桩的工作性状影响显著。 刘文白和周健【3 l 】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，并根据颗粒流数值模拟的荷载 位移曲线确定了极限上拔荷载和极限上拔位移，其曲线特征与试验的荷载位移曲线基本 一致。 许宏发【3 2 】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，侧压力有减小的趋势，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。 孙学先等【3 3 】基于a n s y s 软件分析了冻土区的抗拔桩的承载力特性，结果表明当考 虑冻土的蠕变特性时所得荷载位移曲线与实际较为接近。 黄茂松等【刈利用有限元法分析了深层卉挖条件下抗拔桩的极限承载力。结果表明基 坑内不同部位的抗拔桩应采用不同的承载力设计值，通常越靠近基坑边缘，承载力设计 值越高，越靠近基坑中心，承载力设计值越低。并且开挖条件下等截面抗拔桩的极限承 载力损失低于5 0 ，扩底抗拔桩的极限承载力损失在4 0 以内。 1 2 2 扩底抗拔桩研究现状 ( 1 ) 试验研究 d i c k i n 等p s i 通过离心机试验研究了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 等【3 6 】采用离心机试 验研究了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。同时给出了分析扩底抗拔桩承载力的经验设计方法，该方法考虑了扩大 头几何性状对扩底抗拔桩承载力的影响。 i l a m p a r u t h i 等1 3 7 】研究了扩底桩的破裂面和极限抗拔承载力。在室内模型实验中，为 方便观测破裂面的几何性状而采用一面为玻璃的钢柜：在钢柜中放置了染色的成层砂 土，观察砂土在试验过程中的变化。根据观察结果，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。 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 n a g g e r 掣3 8 】通过模型试验分析了锥形桩的抗拔性能。实验结果表明锥形桩承载力随围 压的增大而增大，并且在高围压下锥形桩抗拔承载力与等截面桩抗拔承载力相差不大。 王卫东等【3 9 】对软土区扩底抗拔桩进行了现场试验研究。结果表明了扩底抗拔桩的荷 载位移曲线相对平缓，表现得更有后劲，极限承载力比等截面桩提高5 0 以上，扩底效 果明显。吴春秋等【1 5 】对扩底抗拔桩和桩侧注浆等截面抗拔桩两种不同抗拔桩型的承载力 性状进行了分析，研究了两种不同桩型的荷载传递规律和承载力提高机理。经研究认为， 对于含砂丰富地层且单桩承载力要求较高的长桩，宜优先选用压浆桩，而且在技术经济 条件相当的情况下，选择桩侧压浆方案可以节省工期；对于软土或黏土为主的地层或桩 长较短的情况，扩底桩比压浆桩更具优势。 ( 2 ) 理论分析 张尚根等 4 0 1 采用剪切位移荷载传递法和弹性力学理论，导出了扩底抗拔桩的荷载与 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，计算结果与实测值在弹 性阶段基本一致。 孙晓立等1 4 l 】根据荷载传递理论提出了预测扩底抗拔桩非线性变形的分析方法，使用 双曲线函数模拟桩侧和桩端反力和位移之间的非线性关系，并给出了详细的分析程序。 通过与模型试验和现场试桩试验的结果进行对比，该方法可以合理地预测扩底抗拔桩的 位移，理论预测结果和实测结果是相当吻合的。 郦建俊等【4 2 】采用了极限平衡法对分层地基中扩底桩抗拔承载力的计算方法进行了 研究。其利用幂函数形式的滑移面假设，推导了扩底抗拔桩在分层地基中极限承载力的 简化计算公式，并将计算结果与其它方法计算结果分别与室内模型试验和原位试桩结果 作对比，经分析发现文中计算公式是几种破裂面假设及其计算公式集成的一种简化计算 方法。 黄茂松等【4 3 】分析了开挖条件下抗拔桩的承载力损失比。首先采用极限平衡法，应用 经典m i n d l i n 应力解考虑土体开挖卸载在开挖面下引起的附加应力，推导出开挖条件下 抗拔桩承载力的简化计算公式；其次利用弹塑性有限元法分析了开挖条件下抗拔桩的承 载力并和极限平衡法计算结果进行对比，验证了该方法的合理性及实用性。在此基础上 分析了开挖条件下抗拔桩的承载力损失比与开挖半径和桩长的变化规律，分析表明，抗 拔桩承载力损失比随开挖半径的增大而增大，随有效桩长增长而减小；相同开挖条件下， 扩底桩的承载力损失比等截面桩少。 ( 3 ) 有限元分析 刘文白等 4 4 1 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，增大扩底桩扩 大连理工大学硕士学位论文 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。郑刚等1 4 5 墚用二维颗粒流分析程序p f c 2 d 对载荷试验中同一扩径桩先受压后抗拔 进行了数值模拟分析。通过研究扩径桩在单纯承担上拔荷载和先受压、后受拔的过程中 不同受荷阶段桩时步位移曲线、桩土颗粒排列变化、颗粒位移的变化及荷载沉降( 上拔 量) 的对比分析，得出桩在下压和上拔到达极限荷载时的破坏性状，并与现场试验结果 进行了对比。对先承担竖向受压然后抗拔的桩，与直接承担上拔的桩相比较，得知桩下 压过程中桩周土体结构的破坏对桩随后的抗拔承载力有较大的影响。 b i r c h 等嗍利用有限元分析软件d y n a 3 d 研究了砂土中扩底桩的抗拔承载力。吴 江斌等1 4 7 对等截面桩和扩底桩的抗拔承载特性进行了数值分析，通过建立有限元模型研 究了上拔过程中轴力，桩侧摩阻力的大小与分布，桩身与扩到头附近土体变形与塑性区 的发展规律。吴江斌等1 4 8 对扩底桩扩到头作用机制进行了数值分析，通过建立有限元模 型分析了扩大头对抗拔承载力提高所起到的作用，同时对扩大头扩径倍数，扩大头长度， 扩展角度及扩大头持力层性质等主要影响因素进行了敏感性计算，分析了这些因素的变 化对承载力的影响。 陈锦剑等【2 】对大面积深开挖过程中抗拔桩的受力特性进行了分析，结果表明，基坑 开挖引起的桩身轴力对抗拔桩的负面影响较轴心受压桩更为明显，在抗拔桩设计中应充 分考虑开挖引起的预拉力，且扩底抗拔桩受到的预拉力大于等截面桩。正常使用状态下 桩身轴力是土体回弹隆起引起的轴力和桩顶上拔引起的轴力的叠加，应以此对桩身的钢 筋配置进行校核。 1 3 本文的主要研究工作 在阅读国内外有关参考文献的基础上，以大型通用有限元计算软件a b a q u s 为平 台，对嵌岩和扩底桩基础的抗拔特性进行了数值分析。主要研究了竖向和斜向上拔荷载 作用下桩基础的抗拔特性，并在此基础上讨论了黏聚力的非均质性对抗拔特性的影响。 第一章主要介绍了本文的研究背景及国内外抗拔桩基础承载特性的研究现状和发 展动态。 第二章主要阐述了利用有限元软件对嵌岩和扩底桩基础抗拔承载特性进行研究的 计算方法与数值实施，并对数值计算方法的可行性进行了验证。 第三章主要阐述了竖向上拔荷载下嵌岩桩基础的承载特性。通过有限元计算，探讨 了竖向上拔荷载下嵌岩桩基础的荷载传递机理，主要包括上拔荷载位移曲线特征、桩 侧摩阻力及桩身轴力沿深度分布特征。进而通过大量的变动参数的对比计算，考察了桩 体参数、岩土材料参数及水平荷载的影响。 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 第四章主要阐述了黏性土地基中竖向上拔荷载下扩底桩基础的承载特性。通过三维 非线性有限元数值分析，探讨了竖向上拔荷载下扩底桩基础的荷载传递机理，主要包括 上拔荷载位移曲线特征、桩侧摩阻力和桩身轴力沿深度的变化，土的位移和等效塑性 应变的分布特征。进而通过大量的变动参数的对比计算，考察了桩体参数和土体参数对 抗拔承载力和土体等效塑性应变的影响，着重考察了黏聚力非均匀变化的影响。 第五章主要阐述了黏性土地基中斜向上拔荷载下扩底桩基础的承载特性。通过有限 元计算与对比分析，探讨了不同荷载倾角下扩底桩基础的斜向上拔荷载位移关系曲线、 土的位移及等效塑性应变分布。进而通过大量的变动参数的对比计算，考察了土体弹性 模量、内摩擦角及黏聚力等因素对扩底桩斜向上拔承载力的影响。 最后总结了本文的研究成果，指出了研究中存在的不足，提出在后续研究中需要进 一步深入开展的研究方向。 大连理工大学硕士学位论文 2 抗拔桩承载特性的有限元分析方法 2 1 概述 本文有限元数值计算所采用的是著名的大型通用有限元计算软件a b a q u s 。该软 件是由美国h k s 公司开发的一套通用有限元程序系统。目前a b a q u s 已成为国际上最 先进的大型通用有限元力学分析软件之一。 a b a q u s 可以用来分析复杂的力学问题，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和 模拟高度非线性问题。其包括十分丰富的可以模拟任意实际形状的单元库以及各种类型 的材料模型库，可以模拟典型的工程材料性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复 合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料及岩土材料。作为通用的模拟分析软件， a b a q u s 除了能解决大量结构静力学、动力学问题，还可以模拟其他工程领域的许多 问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析( 流体渗透一 应力耦合分析) 及压电介质分析等m 9 。 一个完整的a b a q u s 分析过程，通常由三个步骤组成：前处理、模拟计算和后处 理。前处理( a b a q u s p r e ) 需要确定一个物理模型并生成一个a b a q u s 输入文件。这个 过程可以直接通过字符命令输入，但更直观的做法是通过a b a q u s c a e 模块将问题的 模型图形化输入。模拟计算( a b a q u s s t a n d a r d ) 步骤应用a b a q u s s t a n d a r d 模块求解输 入文件所确定的数值问题，模拟计算通常在内存中运行。应力分析计算包括输出应力和 位移，并存储在二进制文件中便于进行后处理。完成该过程所需要的时间取决于问题的 复杂程度和计算机的运行能力。后处理( a b q u s p o s t 或a b a q u s v i s u a l i z a t i o n ) 是对模拟 分析和计算出的位移和应力进行处理的模块。它读入二进制输出文件后，通过彩色等值 线图、动画、变形形状绘图及平面绘图等形式表达出来。a b a q u s 将上述三个模块的 内容集成在一起，用户可以很直观方便地通过调用上述功能，来实现对实际问题的分析。 a b a q u s 软件具有强大的非线性求解能力和便捷的子程序接口及相应的二次开发 功能，广泛地应用于工程科学计算与分析中。在国外，a b a q u s 在土工分析中应用研 究非常普遍，近年来在国内也开始得到关注与重视。但是，总体上看，a b a q u s 在岩 土工程中应用研究及二次开发尚不够成熟和完善。a b a q u s 中的用户子程序结构为用 户提供了自定义材料本构模型、场变量、边界条件及非均布荷载的程序接口，用户可通 过f o r t r a n 或者c + + 语言编程解决所面临的复杂工程科学问题，包括在岩土工程领域中遇 到的大量的材料非线性、几何非线性及接触非线性等复杂问趔4 9 ，5 0 】。在非线性分析中， 嵌岩桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析 a b a q u s 能自动选择相应荷载增量和收敛限度，不仅能够选择合适参数，而且能连续 调节参数以保证在分析过程中能有效地得到比较精确的近似解。 2 2 a b a o u s 中材料非线性问题求解方法 a b a q u s s t a n d a r d 采用n e w t o n - r a p h s o n 迭代算法解答非线性问题。首先将模拟问 题划分成若干步( s t 印) ，每一个步又包括若干个荷载增量步( h l c r e m e m ) ，每一个荷载增量 步又需要若干次迭代( i n t e r a t i o n ) 才能获得一个在规定误差范围内的近似数值解。如图2 1 所示，当结构受到一个微小的荷载增量p 作用时，a b a q u s 用与结构的初始位移“o 对应的初始刚度矩阵砀和荷载增量廿计算出结构在这一步增量后位移的修正值c a 和修 正后的位移值地及其所对应的当前刚度矩阵岛。然后利用新的位移值扰a 计算结构的内 力厶，荷载尸与厶之差称为迭代后的残余力r a 。若天a 小于规定的允许误差，则计算收 敛。如果r a 大于规定的残余力允许误差，则a b a q u s 将自动继续进行迭代，这时 a b a q u s 将用当前的刚度矩阵蜀和上一次迭代后的残余力灭a 计算位移修正值和修正后 的位移值，进而得到第二次的力的残差，与允许值进行比较。如此反复直至收敛。 默认情况下，a b a q u s s t a n d a r d 自动调整时间步长。在一个增量值的作用下，迭代 1 6 次以后结构仍不收敛或者发散，a b a q u s 将放弃当前的步长，将增量步改为前一个 增量步的2 5 重新计算，直到找到一个收敛解。为了避免过多的迭代步，a b a q u s 只 允许一个增量步中只有5 次迭代减小，否则会中断分析。在整个迭代过程中，如果增量 步小于最小时间步长，则计算终止。如果a b a q u s 连续两个增量步只需小于5 次迭代， a b a q u s 则自动将时间步长增到5 0 继续进行后续计算1 4 9 】。 上： l 图2 1一个荷载增量步的迭代过程 f i g 2 1 i t e r a t i v ep r o c e s si na i li n c r e m e n t 大连理工大学硕士学位论文 2 。3 a b a q u s 中接触非线性问题求解方法 目前，在有限元方法中处理接触问题主要有两种方法。一种是通过在两种接触的介 质之间建立接触面单元，通过接触单元的特殊本构关系模拟接触关系。目前，广泛的接 触单元有g o o d m a n 无厚度接触单元和d e s a i 薄层单元；另一种方法是直接定义两种介质 界面之间的接触面( m a s t e r - s l a v es u r f a c e ) 上力学传递特性，建立基础面力传递的力学模 型和接触约束条件，通过l a g r a n g e 乘子法或罚刚度法等接触算法求解接触约束方程【4 引。 在大型通用有限元计算软件a b a q u s 中，采用接触对( c o n t a c tp a i r ) 算法模拟桩土接 触面之间的相互作用效应。如果不考虑环向的接触作用，接触表面间的相互作用包括垂 直接触面和沿接触面切向两个方向的特性，其中切向作用包括接触面间的相对运动( 滑 动) 和可能存在的摩擦力。 关于接触面法向相互作用效应，当两个接触表面之间的分开距离为零时，就应用了 接触约束。当接触压力变为零或负值时，两表面分开，且约束移去。这种表面相互接触 压力称为“硬接触( h a r dc o n t a c t ) 。a b a q u s 中通过控制接触面间隙的“开 和“闭 来控制该表面上接触压力。通过这种设置就可以模拟桩与土体之间可能发生的脱离。在 数值分析中，通常选取刚度大的结构表面作为主面，将土体表面作为从面。此外，通常 从面的网格划分较主面细。 滑移 舻 i ， i ll ， 黏结 t| f i ， ， 滑 ， ， ， ， ， ， 图2 2 接触面切向接触特性 f i g 2 2 f r i c t i o nb e h a v i o ro fi n t e r f a c e 移 关于接触面切向相互接触效应，a b a q u s 允许材料接触面发生相对错动，而且要 区分滑动量