扩底桩构造对其抗拔承载力影响分析

于海涛 徐强胜

（1.吉林化工学院 吉林省吉林市 132022 2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 辽宁沈阳 110015）

引言

掏挖扩底桩作为抗拔桩基础的一种主要形式，已广泛地应用在各种工程结构的基础中。相比平坡上的基础，位于斜坡或陡坡地段的掏挖扩底桩基础表现出一些不同于平地基础的特点。因此研究斜坡地形中影响扩底桩承载的因素显得尤为重要，对于降低工程造价、节约工程成本、保护环境等诸多方面都具有重要的现实意义。

1 有限元模型的建立

以大型通用有限元软件ANSYS12.0为工具，采用轴对称方法进行模拟，由于ANSYS规定以Y轴为对称轴，在建立有限元模型时，竖向（桩身轴向）为Y轴，水平向为X轴。桩、土均采用二维八节点的实体单元（solid45）模拟；土体为DP材料；桩与土体界面处设置接触单元CONTAC173和TARGE170来模拟桩-土之间的滑动和开裂，选用库仑摩擦类型。

桩的径向取8～10倍桩径，桩底下取2～3倍桩长；本文的计算区域径向取9倍桩径，桩底取2.5倍桩长；在该区域底部与外侧边界全约束，轴对称处仅约束X向位移。

2 扩底桩构造对其抗拔承载力的影响

2.1 桩长H的影响

分别对桩长H=4m、8.5m、l5m、20m、25m。保持桩的其他尺寸不变，分别对对应于上述不同桩的各工况进行三维有限元计算，获得Q-S曲线如图1所示。另外，将各种桩长下桩的极限抗拔承载力值绘于图2。

分析图1和图2可以发现：从整体上看，桩的抗拔承载力随着桩长H的增加而增加。桩的抗拔承载力增加的原因是显而易见的。一方面，桩长的增加导致桩结构本身自重的增加，这需要更大上拔力才能将其破坏；另一方面，桩长的增加也增加了桩土的接触面，增加了桩侧摩阻力，因此这也需要更大上拔力才能将其破坏。另外，从上面两图还可以发现，当桩长增大时，桩的极限抗拔承载力增加在H小于10m是时较缓，接着变化较快，当H大于20m又变缓，但仍然有较大幅度的增加。这一点与平坡平坡地形扩底桩随桩长的变化规律不同。

图1 不同桩长下的Q-S曲线

图2 不同桩长的极限荷载

2.2 扩大头直径D的影响

掏挖扩底桩的扩大端是影响其抗拔承载力的一个重要因素。以斜坡地形上平头扩底桩为例，桩长H=5m，桩径d=1.2m。分别取D/d=1.25、1.67、2.08、2.5、2.91，即 D=1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m 等五种工况。保持桩的其他尺寸不变，桩与土的材料不变的情况下，分别对对应于上述不同桩的各工况进行三维有限元计算，得到Q-S曲线如图3所示。另外，将各种扩大头直径D下桩的极限抗拔承载力值绘于图4。

从图3和图4可以看出，随着桩径D的增大，扩底桩的抗拔承载力有较为显著的提高。当D/d小于3时，扩底桩的抗拔承载力随桩径比D/d的变化基本上呈线性变化。

图3 不同扩底直径下的Q-S曲线

图4 上拔承载力随桩径比的变化曲线

2.3 扩大头平底高h2的影响

掏挖扩底桩的扩大端是影响其抗拔承载力的一个重要因素。以斜坡地形上平头扩底桩为例，桩长H=5m，桩径d=1.2m，扩大头直径D=2.5m。分别取h2=0.2m，0.3m，0.4m，0.5m等四种工况。保持桩的其他尺寸不变，分别对对应于上述不同桩的各工况进行三维有限元计算，得到Q-S曲线如图5所示。另外，将各种扩大头直径D下桩的极限抗拔承载力值绘于图6。

图5 不同平底高度的Q-S曲线

图6 承载力随h2的变化曲线

从图5和图6可知，随着h2的增加，扩底桩的抗拔承载力有所增加，究其原因是h2的增大增加了桩侧与土的接触面积，增加了桩侧摩阻力。另一方面，h2的增大也可以增加桩的自重。如图6所示，虽然随着h2的增加，扩底桩的抗拔承载力一直增加，亦即扩底桩端部设计有一定的底高h2从而提高其竖向承载力是可行的，但从整体上来看，通过增加h2增加扩底桩的抗拔承载力是有限的。因此，通过扩底桩端部设计有一定的底高提高其竖向承载力必须同时考虑到施工条件，增加混凝土用量和承载力提高的幅度等因素。

3 结论

（1）桩的抗拔承载力随着桩长H的增加而增加，在10～20m之间，变化较快。

（2）随着桩径D的增大，扩底桩的抗拔承载力有较为显著的提高。

（3）随着扩大头平底高h2的增加，扩底桩的抗拔承载力有所增加，但从整体上来看，通过增加h2增加扩底桩的抗拔承载力是有限的。