（岩土工程专业论文）斜拉荷载下扩底短桩模型试验理论分析.pdf

f j t m o d e lt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f c a b l e - s t a y e d u n d e r - r e a m e dp i l e s b y f uy u f e n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o u d e q u a n m a y , 2 0 11 剑 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 储虢叶“套 帆2 0 ll # ! 厂月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： m 易 日期：2 0 1 1 年厂月 如日 乳日期：2 0 1 1 年月母日 剑 摘要 扩底桩在地下构筑物的抗浮和作用较大弯矩的建( 构) 筑物的基础设计中广 泛应用，很多学者从抗拔角度对扩底桩进行了大量的研究并取得成果，少量学者 进行了扩底桩在水平力作用下的研究，而斜拉荷载作用下扩底桩工程性状的研究 还很粗浅，针对这一现状，本文综述了扩底桩的研究现状( 分别从抗拔作用和水 平力两个角度来阐述) ，总结了扩底抗拔桩的位移以及抗拔承载力的计算方法， 还推导了扩底桩在水平荷载作用下的水平位移计算公式，并对矮寨大桥模璎试验 扩底桩进行了设计，验证了推导公式的正确性。基于室内模型试验，分析了扩底 桩在斜拉载荷下的荷载一位移曲线。运用f l a c 3 d 有限差分软件对模型试验中扩 底桩进行了数值模拟，基于数值模拟结果，分析了在斜拉荷载f 扩底桩的工作性 状，并与等截面桩进行了比较。 研究结果表明：随着斜拉载荷的增大，扩底桩的水平位移、竖向位移也随之 增大。在斜拉力作用下扩底桩身水平位移第一零点下降，桩身竖向位移出现不均 匀分布情况，桩身怪向应力分布情况复杂。 关键词：扩底桩；斜拉荷载；模型试验；数值模拟 a b s t r a c t u n d e r 。r e a m e dp i l e sw e r ew i d e l ya p p l i e di nf o u n d a t i o nd e s i g no fa n t i f l o a ta n d a n t i _ b e n d i n gm o m e n tf o rs t r u c t u r e s t h ee n g i n e e r i n gb e h a v i o ro fu p 1 i f tr e s i s t a n c e u n d e r 。r e a m e dp i l e sw a sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d a n dt h ew o r km e c h a n i s ms t u d v f o ra n t i _ h o r i z o n t a lu n d e r - r e a m e dp i l e sw a sn o tc o m p r e h e n s i v e p r e s e n t s t u d vf o r c a b l e 。s t a y e du n d e r _ r e a m e dp i l e si sc r u d e i nt w or e s p e c t so fu n p l u ga n dh o r i z o n t a l f o r c e ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs t u d yf o ru n d e r - r e a m e d p i l e si ss u m m a r i z e d t h o s e c a l c u l a t i o nm e t h o d so fd i s p l a c e m e n ta n d b e a r i n gc a p a c i t yo fu p 1 i f tr e s i s t a n c e u n d e r r e a m e d p i l e s a r eo v e r v i e w e d af o r m u l ao fh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to f u n d e r - r e a m e dp i l e sb e a r i n gh o r i z o n t a ll o a di sd e r i v e d as p e c i f i cu n d e r - r e a m e d p i l e o fa i z h a ib r i d g em o d e lt e s ti s d e s i g n e d t h ea c c u r a c yo ft h i sf o r m u l ai sv e r i f i e d b a s e do nm o d e lt e s t ，t h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v eo fc a b l e s t a y e d u n d e r - r e a m e d p i l e si sa n a l y z e d n u m e r i c a ls i m u l a t eo ft h eu n d e r - r e a m e dp i l ea p p l y i n gf l a c 3 d f i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r ei sd o n e a n db a s e d o nt h eo u t c o m e s ，t h ee n g i n e e r i n g b e h a v i o r o ft h i s c a b l e s t a y e du n d e r - r e a m e dp i l ei sa n a l y z e d t h ec o m p a r i s o nt o s t r a i g h tp i l ei sm a d e t h er e s e a r c hi n d i c a t e s ：w i t ht h ei n c r e a s eo fc a b l e s t a y e dl o a d ，t h eh o d z o n t a l d i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fu n d e r r e a m e dp i l e sg e ti n c r e a s i n g t h e l o c a t i o na tw h i c ht h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f u n d e r r e a m e dp i l ei sz e r og e t sd o w n i n c o m p a r i s o nt os t r a i g h tp i l e t h ed i s t r i b u t i o no fv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to f u n d e r 。r e a m e dp i l ei su n e v e n t h ed i s t r i b u t i o no fv e r t i c a ls t r e s so fu n d e r - r e a m e dp i l e i sc o m p l i c a t e d k e yw o r d s ：u n d e r - r e a m e dp i l e ；c a b l e - s t a y e dl o a d ；m o d e lt e s t ；n u m e r i c a l s i m u l a t e 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义1 1 2 扩底桩的研究现状2 1 2 1 扩底桩抗拔作用的研究现状。2 1 2 2 扩底桩在水平荷载下的研究现状7 1 3 本文的研究思路和工作内容8 第二章上拔力作用下扩底桩的位移及承载力计算 2 1 概述9 2 2 位移计算方法。9 2 2 1 几种计算方法一9 2 2 2 分析与比较1l 2 3 抗拔承载力计算方法1 2 2 3 1 几种计算方法1 2 2 3 2 分析与比较2 0 2 4 本章小结2 l 第三章水平荷载作用下扩底桩的位移计算 3 1 概述2 2 3 2 等截面桩水平位移计算2 2 3 3 扩底桩水平位移计算2 3 3 4 工程应用- 。2 5 3 4 1 等截面桩水平位移计算2 8 3 4 2 扩底桩设计和验算内容2 8 3 4 3 扩底桩和等截面桩水平位移对比3 2 3 5 本章小结3 2 第四章斜拉荷载作用下扩底桩模型试验研究 4 1 概述3 4 4 2 模型试验概况3 4 4 3 扩底桩施工一3 5 一 4 4 监测方案3 7 4 4 1 监测目的及基本要求3 7 4 4 2 监测仪器与方法3 8 4 5 监测结果分析4 0 4 5 1 桩顶竖向位移分析4 0 4 5 2 桩顶水平位移分析4 l 4 6 本章小结4 2 第五章扩底桩斜拉载荷试验的数值分析 5 1 概述4 3 5 2 有限差分法的基本原理4 3 5 3 有限差分法的解题步骤4 4 5 4f l a c 3 d 程序简介4 6 5 4 1 本构模型的选用4 6 5 4 2 有限差分网格4 6 5 4 3 接触面4 7 5 4 4 边界4 9 5 4 5 初始地应力场的生成4 9 5 5f l a c 3 d 计算模型的建立4 9 5 5 1 问题描述4 9 5 5 2 建模过程5 0 5 6 数值计算结果分析5 3 5 6 1 扩底桩荷载位移曲线分析5 3 5 6 2 扩底桩工作性状分析5 4 5 6 3 等截面桩工作性状分析5 9 5 7 本章小结6 2 结论与展望6 3 参考文献6 5 致谢。6 8 附录a 攻读学位期间发表论文目录6 9 附录b 攻读学位期间参加的科研课题项目7 0 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 对于扩底桩， 建筑桩基技术规范j g j 9 4 2 0 0 8 第4 1 3 条对扩底灌注桩扩 底端尺寸有下列规定( 图1 1 ) ： ( 1 ) 对桩端以上有一定厚度较好士层的抗拔桩，可采用扩底；扩大端直径与 桩身直径之比d d , 应根据承载力要求及扩底端侧面和桩端持力层土性特征以及 扩底施工方法确定；挖孔桩的d 坏应大于3 ，钻孔桩的三谢不应大于2 5 ： ( 2 ) 扩底端侧面的斜率应根据实际成孔以及士体自身条件确定，a h c 可取 1 3 1 2 ，粉士、黏性士可取1 3 1 2 ，砂土可取1 4 ； f d1 r 图1 1 扩底桩构造 目前，扩底桩因其单桩抗拔承载力大、质量易于保证、施工速度快、无噪音、 无振动，在保证一定抗拔力的情况下，可缩短桩长，减少桩数，避免穿过某些复 杂的地层，改善施工条件，省工省时，节约投资等特点，在工程中经常用来解决 抗拔、抗浮问题，通常用于输电杆塔、通讯塔等高耸结构基础，也用于承受浮力 的桥梁、码头、隧道、建筑物基础以及用于膨胀士、冻土地基七的建筑物基础。 比如上海市瑞金医院单建式单层地f 车库n ，、四川华能瓦斯河二期电站的附属： 程一2 2 0 k v 输电线路工程采用长4 5m 、直径巾1 0 0 0i n t o 和长6 0m 、直径由1 8 0 0 m m 的挖孔扩底桩作为杆塔基础抵抗拉压交变应力悖，吉茶高速公路矮寨悬索大桥 模璎试验在长沙理_ 大学结构中心进行，采用扩底直径m2 5 m 、扩底高度1 o i n 、 长6 m 、边长1 1 m 的挖孔方桩作为吉首岸锚碇，等。而且随着扩孔技术的不断演 化进步，扩底桩的应用愈来愈广泛，为了明确扩底桩的抗拔机理以及在水平荷载 作用下的受力机理，并进一步地确定一定的单桩抗拔承载力计算方法以及水平承 载力计算方法，研究人员分别通过了现场试验、模型试验、理论分析、数值模拟 等研究方法对以上问题进行了大量的研究并取得了成果，但是对于斜拉荷载作用 下扩底桩的研究是少之又少，所以研究斜拉荷载作用下扩底桩的工作机理显得尤 为重要，为其实际工程中的设计工作提供有力的依据。 1 2 扩底桩的研究现状 1 2 1 扩底桩抗拔作用的研究现状 工程实践中，人们很关注扩底桩在受到上拔力时上拔力与竖向位移的关系、 桩身荷载传递规律、破坏模式、抗拔承载力和变形计算方法。 ( 1 ) 上拔力与竖向位移关系 扩底桩受到上拔力后位移的变化规律直接影响其工程效果，设计者渴望知道 一定上拔力作用下的怪向位移。人们主要通过现场试验、模型试验、理论分析和 数值模拟等方法进行研究。 a ) 现场试验 刘文白等( 2 0 0 3 ) 陋，在呼和浩特南清水河县庄户崖村东国道1 0 9 支线路南， 现场人工掏挖浇筑了4 根扩底桩，桩径巾1 o l n ，扩大头直径巾2 1 m ，桩长2 8 m 或2 5 5 m ，施加上拔荷载和水平荷载，测试了桩的位移、地表位移、承载能力、 土表裂缝等内容，认为上拔荷载达到极限时，扩底桩的上拔位移较小，约1 - 2 r a m 。 殷亚军等( 2 0 0 5 ) 在吉林省速滑馆对3 根人工挖孔桩( 桩径巾2 m ，扩底径由2 8 m ， 桩长1 0 o m ) 进行试验，其u - 曲线均为陡降型。张栋棵等( 2 0 0 6 ) m 引在软士 地区进行了现场抗拔静载荷试验，试桩为机械扩底灌注桩，桩长4 4 m - - 5 0 m 、桩径 由6 0 0 m m 、扩底直径巾11 5 0 r a m 、扩底部分高l m ，发现试桩的u 一曲线均没有明显 的拐点，属于缓变形。王卫东等( 2 0 0 7 ) 州在上海软土地区通过等截面桩与扩底 桩的足尺试验表明：混凝上用量仅增加5 ，扩底抗拔桩的承载力可提高5 0 以上。 与等截面桩相比，扩底抗拔桩的u 一曲线相对平缓，表现得更有后劲。在极限 状态，扩底抗拔桩的承载力大于等截面桩，且相应的桩顶位移较大，回弹率小； 在工作状态，扩底桩刚度大于等截面桩；对于相同的桩顶位移，扩底桩桩端变形 较小。王卫东等( 2 0 0 7 ) n 们在杭州市钱江新城波浪文化城分别对2 根桩径由5 5 0 m m 、 扩底直径由1 5 0 0 m m 、扩底长1 5 0 0 m m 、桩长1 8 0 0 m m 的桩和2 根桩径巾6 5 0 r m 、扩 底直径巾1 3 0 0 m m 、扩底长1 5 0 0 m m 、桩长1 8 0 0 m m 的桩进行破坏性抗拔试验，发现 荷载一变形曲线呈缓变形，达到极限荷或时的变形分别为4 3 u a n 、3 5 i r a 、4 7 m m 和 3 8 m m ，而规范1 规定终止加载上拔量为l o o m m ，没有规定极限值。行业规范n 2 规 定短期荷载作用下极限上拔量为2 5 m m - 3 0 m m 。两规范2 1 均没有明确长期衙载作用 2 下的极限上拔量。蒋建平等( 2 0 0 9 ) 旧，基于8 个场地共2 3 根扩底桩现场实测资 料，对u 一曲线进行了优化的拟合分析，认为采用r i c h a r d s 数学模型的拟合效 果比双曲线模型的要好。 b ) 模型试验 陈仁朋等( 2 0 1 0 ) n ”、邢月龙等( 2 0 1 0 ) n 叫在浙江大学大型物理模型试验槽 中对设置在非饱和粉七及饱和粉土中不同埋深比( 桩埋深与扩底直径之比) 、外径 巾2 1 9 唧、壁厚2n n n 、扩底直径巾5 9 0 姗、高2 6 0 衄的钢管扩底桩进行试验研究， 揭示饱和度、埋深比对扩底桩极限上拔承载力及其破坏模式的影响。试验结果表 明：在非饱和粉土中，u - 曲线在小位移时表现出较明显的线性，桩头荷载增加 至某点后，桩头位移明显增加，u 一曲线出现较明显的转折；在饱和粉土中，较 小桩头位移下，u 一曲线就表现出明显的非线性特点；土体饱和度增加，扩底桩 的极限上拔承载力降低：埋深比增加，桩的极限上拔承载力增加。扩底桩的上拔 破坏模式随埋深增大由桩周上体倒圆锥台形破坏变为扩底圆周七体局部破坏。 c ) 理论分析 张尚根等( 2 0 0 3 ) n 剐采用桩的剪切位移荷载传递法和弹性力学理论，导出扩 底抗拔桩的荷载与位移关系的理论解，并在试验室内做了6 根扩底桩的抗拔试验 进行了验证，其中扩底桩桩长1 9 m ，桩径巾l o o m ，扩大头尺寸由3 0 0 n r n 和m2 5 0 m m 。 张洁等( 2 0 0 4 ) m - 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。孙晓立、杨敏等( 2 0 0 8 ) “町提出修正变形协调法来预测 扩底抗拔桩的非线性变形，该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。孙晓立、莫海鸿( 2 0 0 9 ) n 训综合考虑扩底抗拔桩的弹性变形以及 非线性变形，将扩大头简化为荷载传递弹簧，根据扩底桩平衡微分方程，推导得 到计算扩底抗拔桩弹性变形的无量纲表达式。为了研究扩底抗拔桩的非线性变形 性状，假定桩侧上体荷载传递曲线满足理想弹塑性关系，桩侧士体强度随深度成 幂函数变化，推导计算扩底抗拔桩轴力和变形的弹塑性解析表达式。 d ) 数值模拟 刘文白等( 2 0 0 4 ) 1 2 0 - 通过原璎试验和应用颗粒流理论及其p f c 2 d 程序数值模 拟，研究了黄上中扩底桩承受上拔荷载的宏观力学性能及其细观结构，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。提出了扩底桩极限上拔承载力计算式。吴江斌等( 2 0 0 8 ) 船“冽采用了通 用有限元软件m a r c 建立了等截面桩与扩底桩的抗拔分析模型，采用直接约束处理 的接触算法与库仑摩擦模型来模拟桩一土界面，土体选用抛物线型m o h r c o u l o m b 本构模型，通过程序的二次开发，实现初始应力场的合理计算，并采用位移边界 3 对扩底抗拔桩的上拔过程进行动态的非线性有限元模拟，且分析了在上海软土地 区进行的足尺试验中的具有中长度、小扩展角度的抗拔桩扩大头作用机制。郦建 俊等( 2 0 0 8 、2 0 0 9 ) 蕊蚓采用弹塑性有限元法对上海机修厂扩底抗拔桩的原位试 验以及世博输变电工程深埋扩底抗拔桩原位试验进行了数值模拟。蒯行成等 ( 2 0 1 0 ) 脯j 以实际扩底桩为对象采用a n s y s 软件建立扩底桩抗拔过程有限元模型， 该模型中土体采用弹耀性模型，桩土界面设置接触单元。 ( 2 ) 桩身荷载传递规律 刘祖德( 1 9 9 6 ) 啪1 认为，扩底抗拔桩的桩侧摩阻力与桩端扩大头顶上抗力并 不同步发挥。桩杆侧摩阻力先达到它的极限值，扩大头上的上抗力只达到它极限 值的一小部分。扩底桩极限上拔力所对应的上拔位移很大，且其数量视土质、土 层埋藏条件以及桩形( 尤其是桩扩大头顶部的形状和扩大头直径) 等而异。在扩大 头顶部以上一定长度，扩大头的顶托导致桩一土没有相对位移及侧摩阻力。后期 的研究工作较少，但取得的成果是类似的。张栋操等( 2 0 0 6 ) 盯川在软士地区进 行了现场抗拔静载荷试验，在每根抗拔桩桩身不同深度处对称埋设了测力传感器 和沉降杆。试桩为机械扩底灌注桩，桩长4 4m 5 0 m 、桩径巾6 0 0n u n 、扩底直径 由l1 5 0m 、扩底部分高lm ，认为随着桩顶荷载的增加，扩底桩的桩侧摩阻力和 扩大头的端阻力都随之增加，当桩的上拔量达到一定值后，桩侧摩阻力先达到极 限而增长缓慢，桩顶荷载的增量几乎全部由扩大头的端阻力承担。随着桩顶荷载 的增加，桩侧摩阻力分担桩项荷载的比例逐渐减小，而扩大头的端阻力开始发挥 之后分担桩顶荷载的比例一直增加，其对扩底桩抗拔能力的贡献在2 0 以上。张 金利等( 2 0 0 9 ) 陴1 基丁二大型通用有限元分析软件a b a q u s 平台，建立了扩底桩三维有 限元模型，分析认为：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e 拔荷载的增大，扩大头 提供的荷载占总卜拔荷载的比例在增大，极限状态时约占5 0 ；当七拔荷载较小 时，桩土不发生相对滑移，随着上拔荷载的增大，桩和土体发生相对滑移，此后 桩身周围上体位移变化不大，而扩大头周围上体位移随上拔荷载的增大而逐渐增 大，极限状态时七体的位移t 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 ) 破坏模式 扩底桩在上拔荷载作用下的破坏模式研究最早追索至l j m a j e r ( 1 9 5 5 ) 嗍的圆 柱破裂面假设，即认为滑动破坏面足与表面或桩顶面垂直的圆柱面，破坏直径为 扩大头直径，因此，又叫摩擦圆柱法；m o r s ( 1 9 5 9 ) 1 = 9 1 认为滑动面为倒锥体， 对于倒锥体与怪直面夹角，认为应根据设计需要而定，通常介于0 2 由( 巾为土 体内摩擦角) 之间；b a l l a ( 1 9 6 1 ) m 1 从被动土压力角度出发，认为滑动面为圆 弧线，在桩端垂直于水平面，在地表( 或破裂面顶端) 与水平面夹角为4 - 由 4 2 ：m e y e r h o f 和a d a m s ( 1 9 6 8 ) 胁在假设圆柱破裂面的基础上，通过加一个竖 直破裂面e 土压力的标定上拔系数k u 来模拟实际模型试验中观察到的金字塔形 破裂面，并率先提出了深基础中的临界深度，在该l 晦界深度以f ，桩扩大头部分 的抗拔承载力不可能有大的提高，所以在砂土和黏七中只有靠其他方法来有效地 提高桩的抗拔承载力；c l e m e n c e 和v e e s a e r t ( 1 9 7 7 ) 根据倒锥形假设，建议破 坏面与竖直面的夹角取为由2 ；m u r r a y 和g e d d e s ( 1 9 8 7 ) 刚则根据室内模璎试 验结果，也采用倒锥形假设，并认为破坏面与竖直面的夹角为由。这些都是通过 砂土中室内模型试验得到的，原位试验结果的验证很少，研究成果的价值并不具 有普遍的代表性，距离实际工程应用仍存在较大的差距。 实际上，扩底桩在上拔荷载作用下的破坏形态是相当复杂多变的，并随基础 深度、扩大头形状、土质特性等变化。刘祖德( 1 9 9 6 ) 嘲认为，当桩基础埋深不 很大时，可形成“圆柱形冲剪式剪切面 ：当浅层有一定厚度的软土层、扩大头 埋入下卧硬土层中一定深度，完整的滑动面就基本上限于下卧硬土层内，上面的 软土层内不出现清晰的滑面，而呈大变形位移：在均匀的软粘土地基中的扩底桩 在上拔力作用下，在软士土体内部不易出现明显的滑动面，扩大头的底部软土将 与扩大头底面粘在一起向上运动，所留下的空间会由真空吸力的作用将扩大头四 周的软上吸引进来，填补空隙。刘文白等( 2 0 0 4 ) 啪通过原氆试验和应用颗粒流 理论及其p f c 2 d 程序数值模拟，认为破坏机理为上的减压软化和损伤软化的渐进 性破坏。王卫东等( 2 0 0 7 ) 町在上海软上地区通过等截面桩与扩底桩的足尺试验， 认为扩底桩是由等截面桩身土体“摩擦剪切 和扩大头附近土体“压缩冲剪 共 同控制的破坏模式。陈仁朋等( 2 0 1 0 ) ，、邢月龙等( 2 0 1 0 ) n 町在浙江大学大型 物理模型试验槽中对设置在非饱和粉上及饱和粉土中不同埋深比( 桩埋深与扩底 直径之比) 、外径由2 1 9 唧、壁厚2 珊、扩底直径巾5 9 0 硼、高2 6 0 姗的钢管扩 底桩进行试验研究，发现扩底桩的上拔破坏模式随埋深增大由桩周上体倒圆锥台 形破坏变为扩底圆周土体局部破坏。 归纳起来，扩底桩在上拔荷载作用下的破裂面可能是圆柱破裂面、倒锥体破 裂面、曲线破裂面及其组合形式。 ( 4 ) 抗拔承载力与变形计算方法 扩底桩上拔时，扩大头的上移使地基i t 内产生各种形状的剪切破坏面，破坏 形态复杂多变，并随基础深度、扩大头形状、土质特性等变化，在此基础上，国 内外对扩底抗拔桩承载力和变形计算方法的研究已取得一定的理论成果。 w s t e w a r t ( 1 9 8 5 ) m l 对处于成层砂上中平板式扩底锚桩进行了试验。e a d i c k i n 和c f l c u n g ( 1 9 9 0 ) 啪l 通过离心机试验研究砂上中扩底桩在松砂、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 5 预测值要低很多。e a d i c k i n 和c f l e u n g ( 1 9 9 2 ) 嘲、b i r c h 和d i c k i n ( 1 9 9 8 ) 哪! 通过离心机试验来研究砂j t 中扩底桩的扩大头几何尺寸对扩底抗拔桩极限承 载力的影响。k i l a m p a r u t h i 和e a d i c k i l l ( 2 0 0 1 ) t 一1 研究了模型扩底桩在士工 格栅加固砂土中的抗拔性状，其扩大头呈圆锥台形，扩大头扩展角度为6 5 。，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。k i l a m p a r u t h i 等( 2 0 0 2 ) 嗍研究了砂土中圆形板锚的极限 承载力计算方法。 国内刘祖德( 1 9 9 6 ) 啪咧出了摩擦圆柱法以及m e y e r h o f a d a m s 法等极限抗 拔承载力计算方法。摩擦圆柱法假定桩在破坏时，在桩端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上体，根据这种理论得出的极限抗拔 承载力相当于与扩大头直径相当的等截面桩的承载力。m e y e r h o f - a d a m s 法采用竖 圆柱形滑动面代替在模璎试验中观察到的喇叭形倒圆锥台形滑动面，来计算破坏 面e 的摩阻力，并对浅基础和深基础根据士体参数c 、由值分别提出了不同的算式。 刘文白等( 2 0 0 3 ) 悔1 对j f 旱地区黄土中扩底桩进行了抗拔试验与机理分析，并提出 了承载力计算公式，试验采用的桩长约为3 m ；张栋楔等( 2 0 0 6 ) n 引提出基于“圆 柱形冲剪式剪切面”破坏形态的极限抗拔承载力计算方法，该法适用于软土地层 中超长钻孔扩底灌注桩，并针对扩底桩提出了考虑扩大头影响范围的扩径法，以 此来反映扩大头的作用；郦建俊等( 2 0 0 8 ) 驯采用极限平衡法，利用幂函数形式 的滑移面假设，推导出扩底抗拔桩在分层地基中极限承载力的计算公式，利用 m a t l a b 语言编制程序进行数值积分计算；许亮等( 2 0 0 7 ) 根据上海地区扩底抗 拔桩长度中等、扩展角度小的特点，结合现场足尺试验与工程实践，提出了适合 该桩型抗拔承载力计算的两种方法：圆柱面剪切法和扩大系数法；郦建俊等( 2 0 0 9 ) 1 基于扩大头局部剪切滑移面假设的极限平衡法，推导出扩底抗拔中长桩在软土 地区分层地基中极限承载力的简化计算公式。电力行业规范( 2 0 0 5 ) m ，对于扩底 桩上拔稳定计算差要采用七重法及剪切法，土重法适用于 口】填上体，剪切法适用 于原状上体：国家规范( 2 0 0 8 ) 1 给出了扩底桩的抗拔极限承载力计算公式，认 为抗拔极限承载力标准值为基桩( 土) 自重标准值与基桩抗拔极限承载力标准值 之和，其中单桩的抗拔极限侧摩阻力仍取抗压极限侧摩阻力乘以0 5 0 8 的抗拔 系数。 近年来，开挖条件下抗拔桩的承载力变化受到鼋视。基坑开挖不可避免地引 起地基应力场变化，导致桩一土接触面法向应力发生改变，从而降低抗拔桩承载 力，而由于实际工程情况限制，开挖后抗拔桩的承载力又无法通过现场试桩获得， 因此采用理论方法分析开挖条件下抗拔桩的承载力就显得尤为重要。黄茂松 ( 2 0 0 7 ) 等首先采用弹颦性有限单元法对上海某工程抗拔桩单桩足尺试验结果 进行模拟，土体本构模型采用便于数值计算的莫尔一库仑内切圆准则，代替传统 6 的莫尔一库仑准则，桩上接触模型则采用基于直接约束算法的库仑摩擦模型，通 过理论与实测结果的对比分析，验证了计算分析方法的合理性；然后利用这种计 算分析方法，探讨了深层开挖条件下抗拔桩的承载特性，包括埋置深度、开挖宽 度的影响以及等截面桩和扩底桩之间的区别。黄茂松( 2 0 0 8 ) - 等首先采用极限平 衡法，应用经典m i n d li n 应力解计算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极限承载力的简化公式：然后利用弹塑性有限元法分析了基 坑开挖对于世博地下变电工程深埋抗拔桩承载力的影响，并与极限平衡法计算结 果进行对比分析，并分析损失比与开挖半径和桩长的变化规律。 在变形计算方面，现行规范i l l - 。l 没有给出上拔位移计算方法。仅有张尚根等 ( 2 0 0 3 ) n 引和张沽等( 2 0 0 4 ) n 对扩底抗拔桩的弹性变形进行了研究。然而在荷 载较大时，桩侧土表现为非线性，扩底桩的弹性解和实测值相差较大。 以上这些工作大多限于扩底抗拔桩的极限承载力方面，而工程实践对桩基的 允许变形要求较严，不是单纯地以承载力作为控制标准。因此，从理论研究及工 程实践需要来看，对扩底抗拔桩的变形进行深入的研究更具有现实意义。 1 2 2 扩底桩在水平荷载下的研究现状 工程实践的需要迫使人们研究基桩承受水平荷载条件下的性状和受力变形 机理。等截面桩的横向工作性状方面开展了较多研究，而桩端扩大头的形状和尺 寸变化较多，扩底桩的抗水平荷载j 作性状就变得非常复杂，开展的研究还很少。 肖洪伟等( 2 0 0 4 ) 恤对长4 5m 、直径巾1 0 0 0 咖和长6 0m 、直径由1 8 0 0i n t o 的挖孔扩底桩进行了水平载荷试验( 在基础周围与基底埋设土压力盒) ，发现其 工作特性与刚性短桩相似。受拔时，前者荷载位移曲线出现明显拐点，后者荷载 位移曲线没有明显拐点。 滕延京等( 1 9 9 2 ) 臼，在陕西渭北黄上高原对2 根桩长4 0 m 、桩径巾1 - 2 m 、扩大 端直径巾2 5 m 和2 根桩长3 2 m 、桩径由1 0 m 、扩大端直径m2 2 m 的大直径扩底桩进 行水平承载力试验，从实测的桩身应变，分析了浸水前后桩的水平承载力性状， 认为桩径增大，水平承载力有所提高，临界荷载所对应的水平位移值将减少；浸 水饱和后，桩的水平承载力降低：桩顶施加垂直荷载时，水平临界荷载增大。 王俊林等( 2 01 0 ) 一在鹤壁市体育馆对桩长9m 、直径由1 2 0 0m m 的挖孔扩底 桩进行了水平载荷试验( 钢筋笼上粘贴电阻应变片) ，结合数值分析研究了水平 荷载作用下大直径人工挖孔扩底灌注桩的工作机理；根据水平荷载一位移曲线、 内力和桩身弯矩的测试结果分析了大直径扩底桩的水平承载性能，并进一步分析 了扩大头对水平承载特性的影响；采用数值模拟方法对试验结果进行了模拟，并 进一步探讨了大直径扩底桩的桩身位移分布及扩大头的影响。结果表明，大直径 扩底桩为刚性桩，桩身应力与桩身应变都随着荷载的增大也逐渐增加，而桩身弯 7 矩呈非线性增大，自桩顶以下2 倍桩径处弯矩达到极大值，桩底扩大头处也承受 了很大的弯矩；扩底部位增加了桩体刚度，使转动点下移。 这些有限工作主要是采用现场试验和数值模拟方法研究水平荷载位移曲 线特征、桩身侧阻和弯矩变化规律及水平承载力变化规律。在倡导位移控制设计 的趋势f ，水平位移的准确计算还很困难。 1 3 本文的研究思路和工作内容 本文的研究工作由吉茶高速公路矮寨悬索大桥模型试验引申出来，该模型吉 首岸采用扩底抗拔桩基作为锚碇，因此有了本文的研究主题，采用模型试验和数 值模拟相结合的方法，研究斜拉衙载作用下扩底短桩的工作性状。 研究工作主要集中在扩底短桩在斜拉荷载作用下的工作性状，计划完成以下 工作： ( 1 ) 制作模型试验，分析扩底桩在斜拉荷载作用下的水平位移以及怪向上拔 位移的变化，并分析扩底桩在斜拉荷载作用下的荷载位移曲线。 ( 2 ) 运用f l a c 3 d 软件对扩底桩模型试验进行数值模拟，基于数值模拟结果， 分析扩底桩的荷载一位移曲线，与模璀试验结果进行对比，以验证数值模拟的准确 性。在此基础上，分析扩底桩在斜拉荷载下的工作性状。 8 第二章上拔力作用下扩底桩的位移及承载力计算 2 1 概述 扩底桩在现代城市深埋地下建筑物的抗浮设计中应用越来越普遍。扩底桩是 一种变截面桩，相比于等截面桩，用少龟的材料增加町以显著提高抗拔承载能力， 经济效益显著，受到工程界的青睐。目前，随着扩底桩在工程应用的增广，对于 扩底桩的研究愈来愈多，但是很多学者都把上拔力作用下扩底桩的位移以及承载 力分开来分析研究，而且以研究扩底桩的抗拔承载力居多。基于这一状况，依据 文献研究结果，本章综述了上拔力作用下扩底桩的位移以及承载力计算方法，并 进行了分析比较，以便更全面地了解上拔力作用下的扩底桩。 2 2 位移计算方法 2 2 1 几种计算方法 扩底桩在抗拔过程中，桩身位移随着荷载的增大而增大，增长率随着荷载的 增大而不断提高；在抗拔的初期阶段，扩底桩的变形圭要表现为桩的弹性变形， 在荷载较大时，随着荷载的增大，桩的变形就表现为非线性变形。很多学者通过 各种研究分析方法对扩底桩在抗拔过程中的变形进行了分析，得出了相应结论。 以下是各学者采用不同理论提出的扩底桩在抗拔时荷载与位移关系基本公式。 张尚根等( 2 0 0 3 ) n 引采用桩的剪切位移荷载传递法和弹性力学理论，推导出扩 底抗拔桩的荷载与位移关系的理论解如f ： n， s o = 铷厶 ( 2 1 ) 式中，为桩的刚度系数，其表达式为： = 嘎高裂瓮鬻 弘= m 5 山= 砸卜吆r 0 + ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) a = e p l a ： f = i n 【号芦 ( 2 5 ) 其中：一桩顶位移，n l l l l ；q o 一桩顶荷载，l ( n ；r o 一桩身等截面段半径， 9 n n ；一桩的弹性模量；卜一桩长，m ；v b 扩大头处士体的泊松比； r 6 扩大头直径，m ；一桩侧士体的泊松比。 张洁等( 2 0 0 4 ) - 一 采用荷载传递方法，建立了扩底抗拔桩的分析模型( 见图2 1 ) 其中，尸为上拔力，g j 为桩侧摩阻力，卯为扩底部分的扩孔阻力。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 荷载位移解析算式如下所示： s = ，m( 2 6 ) 其中，m = k l e a 筹渊， 式中：枷顶端位移，1 1 1 1 1 1 ；p 一上拔力，k n ；驴一桩身弹性模量；a 一桩身 横截面面积；z 抗拔桩非扩底段桩长，m ；t l 扩孔阻力刚度系数；a 2 侧摩阻 力刚度系数。 1f 1 r 1 1 j f 1 f 幸。 图2 1 扩底抗拔桩分析模型 孙晓立等m ，将扩大头简化为荷载传递弹簧，并根据扩底桩平衡微分方程，推 导得到计算扩底抗拔桩弹性变形的无量纲表达式。 至一= i ：! 竺塑丝兰! 翌坐1 2 1 2 兰! 丝垒 g r o m t弓c o s ( p 1 ) + s i n ( p 1 ) l n r o 九i i ( 2 7 ) 其中，弓= t l ( 1 - v s ) 4 ，= r o c r o + r b ) ，a = 昂g ，弘= m 5 ， f = i n 【箜耸，r 一桩顶的上拔荷载，k n ；一桩顶的位移，m m ；g 一土体的 剪切模量；r o 一桩身半径；一桩的弹性模量；卜一桩长；吩一土的泊松比；吃 桩的扩大头直径。 孙晓立等n 。，又假定桩侧七体荷载传递曲线将满足理想弹塑性关系，桩侧土体 1 0 。厂x 强度随深度成幂函数变化，即桩侧上体极限摩阻力随深j 电成幂函数变化， 研= m z n ，册，刀均为幂函数的参数。推导了扩底抗拔桩轴力和变形的弹塑性 解析表达式： b = 等筹c o s ( p 塑l z ) + 篇s i n 滁) 坚n r o x 划# + 等竽 ( 2 8 ) ( i i l l 2 。 n+1、。7 t = 6 m z r o g 1 + 嚣i 螂2 7 f r o i j s l n 椭( i i l z ) p c o ) s 慨( j 2 l z 舡) j + 老箬 ( 2 9 ) 式中：广_ 为七体单元到抗拔桩的水平距离；1 一塑性滑移深度，z q = u l ， u 为滑动系数，其值在0 与1 之问；l 1 = l l 2 ，d 一为扩大头直径；a p 一为桩身 横截面面积。 孙晓立等n ”提出了修正变形协调法来预测扩底抗拔桩的非线性变形，该法使 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，其分析模型如图 2 2 所示，修正变形协调法与上述具有异曲同j 【之妙，在此不详细列出。 图2 2 扩底抗拔桩分析模型示意图 2 2 2 分析与比较 从以上几种计算方法可以看出，由于研究人员对上拔力作用下扩