维普资讯 http://www.cqvip.com 大直径扩底桩承载力影响因素研究：李美生 ４１ 大直径扩底桩承载力影响因素研究 李美生 （广州铁路（集团）公司，广东广州５１０６００） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ Ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｃｌｕｂ・Ｆｏｏｔｅｄ Ｐｉｌｅｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｌｉ Ｍｅｉｓｈｅｎｇ 摘要采用有限元方法模拟了不同尺寸大直径扩底桩的荷载一沉降曲线，探讨了不同扩底直径、 扩底拱高、桩长对竖向承载力的影响。 关键词 大直径扩底桩承载力 有限元分析 大直径扩底桩作为桥梁基础已得到广泛的应用， 但对它的承载力及变形尚未取得统一的取值方法。土 层和几何尺寸相同的大直径桩，按各国规范的建议方 法计算承载力值可能相差一倍…；对于同一工程试桩 结果，以不同的极限承载力判断标准也可能出现较大 的差别 Ｊ。由此可见，目前对扩底桩的理论研究工作 还未跟上应用水平，承载能力只有通过现场载荷试验 才能确定。扩底桩的试载大，试桩费用较高，加上要考 虑桩尺寸和土质变化等复杂因素，单纯靠试验来研究 其承载力，在目前阶段很不经济，也不能完全达到目 Ｍｏｈｒ．Ｃｏｕｌｏｍｂ等，另一个能更准确描述这类材料的强 度准则为Ｄｒｕｃｋｅｒ．ＰｒａｇｅｒＬ３ Ｊ，使用Ｄｒｕｃｋｅｒ．Ｐｒａｇｅｒ屈服 准则的材料称为ＤＰ材料。 Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈服准则是对Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ准则 的修订，以此来修正Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准则，即在Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ表达式中包含一个附加项。其流动准则既可以 使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈 服面不随材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则。 然而其屈服强度随侧限压力（静水压力）的增加而相 应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。另外，该准 则还考虑了由于屈服而引起的体积膨胀。Ｄｒｕｃｋｅｒ． Ｐｒａｇｅｒ屈服准则的等效应力表达式为 ｒ １ １｝ 的。因此，根据试验资料，建立合理的力学和计算模 型，综合考虑土及桩之间相互作用的各种复杂因素，应 用有限元方法来模拟桩的沉降过程，从而确定桩的承 载能力是一种有效的解决手段。同时，采用有限元方 法可以很方便地研究不同尺寸、不同土质情况下大直 径扩底桩的工作机理。 ： １ ＋Ｉ÷｛ｓ） ［ 】｛ｓ）ｌ （１） 式中， ：÷（ ＋ ＋ ）为平均应力或静水压力； Ｊ ｛ｓ｝为偏差应力；［ ］为Ｍｉｓｅ屈服准则中的［ ］； 为 １ 计算模型 １．１ 土的力学模型 土的力学模型有很多，为了便于工程中实际应用， 应选用简单且能描述土的主要性能的模型，其参数应 尽量少，以便通过实际勘测直接确定。土属于颗粒状 材料参数，由受压屈服应力 和受拉屈服应力 计 算而来，也可由内摩擦角 决定，其表达式为 ： ： Ｌ（２） √３（ 一Ｏ＂ｔ） （３一ｓｉｎ ） ‘式（１）是一种经过修正的Ｍｉｓｅｓ屈服准则，它考虑了静 材料，此类材料受屈服强度远大于受拉屈服强度，且材 料受剪时，颗粒会膨胀，常用的Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准则不 水应力分量的影响，静水应力（侧限压力）越高，则屈 服强度越大。 适合于这类材料。在土力学中，常用的屈服准则有 收稿日期：２００８—０４—０１ 作者简介：李美生（１９７３一），男，１９９２年毕业于西南交通大学铁道工程 专业，工程师。 ＤＰ材料的屈服应力 定义为 ２ （ ＋Ｏ＂） ｔ（３一ｓｉｎ￣ｏ） （３） 式中， 为受压屈服应力； 为受拉屈服应力；ｃ为黏 维普资讯 http://www.cqvip.com ４２ 铁道勘察 ２００８年第３期 结力； 为内摩擦角。 屈服准则的表达式如下 １ ｒ １ ’下 要特征，扩大端面积的大小，决定了其提高承载力的能 力，因而是影响承载力的一个重要因素。 取桩长Ｈ＝１５ ｍ，桩径ｄ＝１．２ ｍ，扩大端斜坡比为 Ｆ＝３ ＋Ｉ÷｛ｓ） 【 ］｛ｓ）Ｉ‘一 ＝０（４） 二 对ＤＰ材料，当材料参数 和ｃｒｅ给定后，其屈服 面为一圆锥面，此圆锥是六角形的Ｍｏｈｒ．Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服 面的外切锥面，如图１所示。 图１ Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ屈服面和Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面 在ＡＮＳＹＳ，ＤＰ材料的材料参数除了ｃ和 两个 参数外，还有一个膨胀角参数 ，，来体现体积膨胀的 大小。对于土壤、岩石等颗粒状材料，当材料受剪切 ｍ 加 时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角 ，＝０，则不会发生体 积膨胀。 １．２总体计算模型 本文以大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ为分析 工具，采用轴对称方法进行数值模拟。取桩周横向８ —１０倍桩径，纵向３—４倍桩长作为计算区域（见图 ２），在该区域的底部和外侧的结点位移为零。 图２ ＡＮＳＹＳ计算模型示意 桩的单元类型为四结点的实体单元（ＰＬＡＮＦＡ２）， 材料为弹性材料；土体同样也采用四结点的实体单元 （ＰＬＡＮＥ４２），材料为ＤＰ材料；在桩土单元之间设置接 触单元（ＣＯＮＴＡＣ４８）。 ２影响大直径扩底桩承载力因素的研究 ２．１ 扩底直径Ｄ对承载力的影响 大直径扩底桩的扩大端是其不同于一般桩的最主 １：４，扩大端的拱高 ＝０，桩周土与桩端土假定为相同， ｃ＝０， ＝３６。，弹性模量Ｅ＝５８．５ ＭＰａ，膨胀角 ： ２０。，桩身混凝土是Ｃ２０，Ｅ混凝士＝２．５５ Ｘ １０ ＭＰａ， ＝ ０．３。按Ｄ／ｄ＝１．０、１．２５、１．５、１．７５、２．０、２．５、３．０，即 Ｄ＝１．２ ｍ、１．５ ｍ、１．８ ｍ、２．１ ｍ、２．４ ｍ、３．０ ｍ、３．６ ｍ进 行计算，计算的Ｑ—Ｓ曲线见图３。 Ｑ／ＭＮ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ 口 ∞ ∞ ∞ 图３不同扩底直径桩的Ｑ—Ｓ曲线 取Ｑ—Ｓ曲线上桩顶沉降Ｓ＝２０ ｍｍ对应的荷载 Ｑ。作为大直径桩的竖向承载力绘于图４。 Ｄ｜ｄ 图４不同扩底直径桩的竖向承载力 从图４可以看到，随着Ｄ的增大，大直径扩底桩 的承载力有显著提高，但当Ｄ／ｄ大于２时，承载力的 增加幅度就明显变缓。从施工效率角度而言，Ｄ／ｄ值 存在一个合理范围，《建筑桩基技术规范》［４ Ｊ（ＪＧＪ９４— ９４）也要求Ｄ／ｄ最大不超过３．０。 ２．２扩大端拱高厂对承载力的影响 取桩长Ｈ＝１５ ｍ，桩径ｄ＝１．２ ｍ，扩大端斜坡比为 １：４，桩端曲面为球冠，桩周土与桩端土假定为相同，土 的参数同前，桩身混凝土是Ｃ２０，Ｅ混凝土＝２．５５ Ｘ １０ ＭＰａ， ＝０．３。按Ｄ＝１．８ ｍ和２．１ ｍ划分为两组数据 进行计算，结果列于图５和图６，其中Ｑ０是沉降Ｓ＝２０ ｍｍ时Ｑ—Ｓ曲线上对应的Ｑ值， 是Ｑ。随∥Ｄ的增 ｇ维普资讯 http://www.cqvip.com 大直径扩底桩承载力影响因素研究：李美生 ４３ 长的增长率百分比。 ｆ／Ｄ 图５承载力随ｆ／Ｄ的变化曲线 ｆ／Ｄ 图６承载力随ｆ／Ｄ的变化曲线 从图５和图６可见，随着厂／Ｄ的增加，因桩端与土 的接触面积也增加，桩的竖向承载力有所增加。大直 径扩底桩端部设计有一定的拱高厂从而提高其竖向承 载力是可行的，但必须同时考虑施工条件、增加混凝土 用量和承载力提高的幅度等因素。《建筑桩基技术规 范》 （ＪＧＪ９４—９４）建议ｆ／ｏ取０．１０～０．１５。 ２．３ 桩长日对承载力的影响 取桩径ｄ＝１．２ ｍ，Ｄ＝２．４ ｍ，扩大端斜坡比为 １：４，桩端曲面为球冠，桩周土与桩端土假定为相同，土 的参数同前，桩身混凝土是Ｃ２０，Ｅ混凝±＝２．５５×１０ ＭＰａ，／．ｔ＝０．３。变化桩长 从５～１００ ｍ进行计算，取 Ｑ—ｓ曲线上ｓ＝２０ ｍｍ时对应的Ｑ。值绘于图７。 从图７可以看到，在一定范围内，随着 的增加， 竖向承载力也增加。竖向承载力的提高主要是来自桩 侧摩阻力的提高。在荷载水平很低的情况下。由于桩 周土摩阻力仍未达到其极限值，大部分荷载经由桩身 侧面传递，而传到桩端比例相对较小，随着荷载水平的 提高，桩周摩阻力逐渐发挥到极限，后续增加的荷载完 全由桩端承担。但当桩的长径比Ｈ／ｄ（Ｈ／ｄ＞５０）很 Ｈ／ｍ 图７承载力随桩长Ｈ的变化曲线 大，亦即桩周面积大大超过桩端面积，则大部分荷载经 由桩身侧面传递，而桩端荷载比率很小。此时桩端土 再硬、桩端再粗，都不能从根本上提高桩底荷载传递 率，此时扩底桩已失去其扩底的意义，也就出现图７所 示的情况。 ３结论 本文采用大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对大 直径扩底桩承载力影响因素进行分析，得出以下结论： （１）扩大端是影响竖向承载力的一个重要因素。 随着扩底直径Ｄ的增大，大直径扩底桩的承载力有显 著提高，但当Ｄ／ｄ大于２时，承载力的增加幅度就明 显变缓，从施工效率角度而言，Ｄ／ｄ值存在一个合理 范围。 （２）随着桩端拱高与桩端直径之比∥Ｄ的增加， 因桩端与土的接触面积也增加，桩的竖向承载力有所 增加。大直径扩底桩端部设计有一定的拱高厂从而提 高其竖向承载力是可行的，但必须同时考虑施工条件、 增加混凝土用量和承载力提高的幅度等因素。 （３）在一定范围内，桩长 对竖向承载力影响较 大，但当桩的长径比Ｈ／ｄ（ ｄ＞５０）很大时，承载力 不再随桩长变化，这时扩底桩的扩底也失去意义。 参考文献 ［１］何颐华，王铁宏．大直径扩底桩承载力及沉降变形的计算［Ｊ］．建 筑结构学报，１９９３，１４（２）：６３—７１ ［２］张荣祥，等．大直径扩底桩承载力和沉降变形分析［Ｊ］．工程勘察， １９９８（４）：１８—２３ ［３］ｎ Ｒ Ｊ．欧文，Ｅ．辛顿著，曾国平、刘忠、徐家礼译．塑性力学有 限元——理论与应用［Ｍ］．北京：兵器工业出版社，１９８９ ［４］ 中国建筑科学研究院．建筑桩基技术规范（ＪＧＪ９４－－－９４）［ｓ］．北 京：中国建筑工业出版社．１９９５
