黄土地区抗拔单桩的受力及变形特性研究

刘增荣 王梦迪 刘 明

（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055）

0 引言

在西北黄土地区，近年来，随着一带一路战略的实施，超高层建筑逐渐兴起，地下空间的设计深度不断加大，高压输电线塔、风能发电、太阳能发电等项目方兴未艾，越来越多的工程需要考虑抗浮问题。抗拔桩作为桩基础的一种，多用于地下室的抗浮、输电线路及高耸构筑物的基础，其承载性能好，在施工过程中对周围土体的扰动较少，因此被广泛用作建筑物的抗拔基础[1]。

目前，国内对于抗拔桩的研究大都来自于现场试验或室内模型试验，理论分析还不成熟[2]。尤其是在西部黄土地区，有关抗拔桩承载及变形特性方面的资料还比较贫乏[3-4]，因此有必要做进一步的研究。

本文主要采用ABAQUS数值模拟软件，分析了黄土地区抗拔单桩在上拔作用下的受力及变形特性[5]，通过与现场试桩试验结果的比对验证了模型的可靠性。随后研究了桩长和桩身混凝土强度对抗拔单桩轴力、侧摩阻力和桩顶上拔位移的影响，进一步探索其中规律。

1 工程概况

本文依托的某体育馆工程，位于西安市西南郊，场地地形平坦，地貌单元上部是皂河古河道堆积区，下部是渭河二级阶地。该建筑物的占地面积为10316 m2，地下一层，地上三层，采用大跨式屋面斜拉结构，对不均匀沉降要求高。场地自然地面标高为414.10～414.30 m，地下水位在自然地面下约10 m左右，试坑地面标高约为409.0 m。试坑地面以下地基土层的物理力学性质指标平均值见表1。

表1 地基土物理力学性质指标平均值

2 黄土地区抗拔单桩数值模拟与现场试验对比分析

2.1 抗拔单桩模型基本参数

本文采用ABAQUS有限元软件来分析黄土地层中抗拔单桩的承载特性。单桩采用线弹性模型，其主要参数有混凝土及钢筋的弹性模量和泊松比[6]。以试验试桩SZH5为基本模型，桩长L=26 m，桩径D=600 mm，土层深度为60 m，场地范围取20 m×20 m，其余参数如表2所示。土体认为是弹塑性材料，采用Mohr--Coulomb模型，涉及的主要参数按表2取值。

表2 单桩设计参数

2.2 数值模拟与现场试验数据的对比分析

为了验证模型参数的准确性，将数值模拟结果对比该工程试桩SZH--5--1和SZH--5--2的现场试验报告。在现场试验中，抗拔单桩是通过锚桩横梁装置提供反力，通过液压千斤顶慢速分级施加载荷[7]，每级的加载规律如表3所示，两组抗拔试验所加的最大上拔力分别为2900 k N和2500 k N。在本文的分析中则是在桩顶表面分级施加等效均布荷载。

表3 单桩数值模拟加载规律

2.2.1 桩顶上拔位移对比

将模型计算结果与抗拔桩静载试验的实测数据进行了对比，如表4和图1所示。

表4 数值模拟与抗拔静载试验的桩顶位移对比

图1 数值模拟与抗拔静载试验的Q--s曲线

可以看出，数值模拟和两组试桩所得的Q--s曲线基本一致，在桩顶荷载小于1100 k N时，变化趋势平缓，当突破1100 k N以后，Q--s曲线接近于线性变化，上拔位移增加较快；模拟所得的桩顶上拔位移相比试桩结果略微偏大。当荷载达到最大时，两者仅相差0.67 mm，误差率6.1%。因此，认为该模型所得结果基本符合实际。

2.2.2 桩周土体变形对比

模型和试验所得抗拔单桩桩周土体变形曲线如图2所示。

图2 桩周土体隆起变形对比

由图2可以看出，模拟与实验所得曲线总体拟合较好，都表现出了离桩越近的土体隆起变形越大的趋势。当与桩心的距离超过大约3倍桩径时，试桩测得土表隆起位移急剧下降，而后趋近于零。而模拟得出的位移偏大，这是由于实际场地土层性质分布的不均匀导致。

3 桩长对抗拔单桩受力及变形的影响分析

为了研究桩长对单桩抗拔承载性能的影响，在试桩模型的基础上，建立四组不同桩长的单桩模型，分别为20 m、30 m、40 m、50 m，对应了短桩、中长桩、长桩、超长桩。加载规律如表5所示。

表5 单桩数值模拟加载规律

3.1 单桩Q--s曲线

从图3可以看出，桩顶上拔位移与所受荷载近似呈线性关系。当荷载相同时，桩顶的上拔位移随着桩长的增大逐渐减小。随着桩长从20 m逐渐增加到50 m，单桩的Q--s曲线越来越接近于一条直线，这表明长桩比短桩更难以发生塑性破坏。

图3 单桩Q--s曲线

3.2 桩身轴力分布

桩长的改变使得桩身轴力发生变化，如图4所示。

图4 桩身轴力分布

从图4可以看出：①总体来说，抗拔单桩的轴力随着桩身深度的增加而减小，但当桩长较长（＞30 m），桩顶荷载较小（400 k N）时，轴力随着深度的增加呈现先略微增大然后线性减小的趋势；②当桩顶荷载较大（＞2300 k N）时，随着桩长的增加，桩身轴力减小的速率越来越趋于稳定。

3.3 桩侧摩阻力分布

随着桩长的增大，单桩的桩身侧摩阻力分布如图5所示。

图5 桩侧摩阻力分布

可以得出如下结论：①在同一级荷载下，侧摩阻力沿着桩身方向的波动很大，呈现“驼峰”型分布，而靠近桩两端处的侧摩阻力都很小；当桩顶荷载增大时，同一根桩的侧摩阻力相继提高；②桩侧摩阻力的分布在沿深度方向会出现多个峰值，且出现的个数随着桩长的增大而增多，最大峰值倾向于出现在桩的中下部；③在同一上拔荷载作用下，桩长越小，侧摩阻力就越大，因此增大桩长能够有效降低桩侧摩阻力。

4 桩身混凝土强度对抗拔单桩受力及变形的影响分析

由于目前工程用混凝土强度等级为C15—C80，其弹性模量约在22～38 GPa之间，因此在本文的模拟中，取桩身混凝土弹性模量为20 GPa、30 GPa和40 GPa来分析。桩长L=30 m，桩径D=600 mm，加载方式同前。

4.1 单桩Q--s曲线

三组不同强度混凝土构成的抗拔单桩Q--s曲线如图6所示。

图6 单桩Q--s曲线

可以看出，随着桩身混凝土强度的提高，相同荷载作用下的桩顶上拔量逐渐减小，桩的承载力在提高。但相比于20～30 GPa，30～40 GPa时桩顶位移减少的幅度明显变小。

4.2 桩身轴力分布

各级加载下，不同混凝土强度的抗拔单桩轴力沿深度方向的分布曲线如图7所示。

从上图中可以看出，桩身混凝土强度每增加10 GPa，同一级上拔荷载下桩身各处的轴力也在增大，最大增幅在7%～12%之间，三种情况下的轴力分布图走向基本一致。

4.3 桩侧摩阻力分布

不同混凝土强度的抗拔单桩桩侧摩阻力沿深度的变化如图8所示。

图7 桩身轴力分布

从图8可以看出，对于30 m长的抗拔桩，侧摩阻力随着深度的增加呈现“一波三折”式变化，出现多个峰值，当桩身混凝土强度从20 GPa逐步增大到40 GPa时，最大峰值出现的位置从中上部逐渐向尾部转移，其数值也在变大。这说明桩身强度的提高会使得侧摩阻力的分布发生改变，在一定程度上有利于桩侧摩阻力的发挥。

5 结论

图8 桩侧摩阻力分布

本文基于抗拔单桩的现场静载试验，通过ABAQUS有限元软件来分析黄土地层中抗拔桩的承载特性，得出的主要结论有：

1）通过与抗拔静载试验的对比分析，可以看出离桩越近的土体在上拔荷载作用下变形越大；当桩顶荷载超过1300 k N时，桩身附近土表的上拔位移急剧增大，说明已经出现局部剪切破坏。与试验数据相比，数值模拟所得土表隆起位移曲线仅在后半段有所偏大，验证了模型参数的可靠性。

2）在黄土地层中，桩顶的上拔量随桩长增加而降低，且桩长越大降低的趋势越缓；桩身轴力向下逐渐减小，同一深度截面上的轴力随着桩长的增大也减小；桩侧摩阻力沿深度方向呈现增减交替变化的趋势，随着桩长的增加，侧摩阻力的峰值个数增多，而最大峰值却在变小。

3）在黄土地层中，随着桩身混凝土强度的提高，桩顶的上拔量减小，同一深度处的桩身轴力则增大；桩侧摩阻力沿深度方向呈现出“一波三折”式变化，最大峰值出现的位置从中上部向末端转移，其值在增加，说明桩身强度的提高有利于桩侧摩阻力的发挥。