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考虑上拔力作用点位置影响的抗拔桩变形分析_张洁

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考虑上拔力作用点位置影响的抗拔桩变形分析

张　洁　尚岳全　林旭武

(浙江大学,浙江杭州310027)

摘要:上拔力作用点位置对抗拔桩摩阻力分布有决定性影响,是分析抗拔桩荷载变形机理的关键性因素。根据

试验资料,将抗拔桩离散成作用点以上的上部承压桩和作用点以下的下部抗拔桩,两者在上拔力作用点所在截面满足荷载平衡条件和位移协调条件,由此可建立反映上拔力作用点位置影响的抗拔桩分析模型,该模型采用荷载传递法求解,得出了不同上拔力作用点下摩阻力分布、桩顶荷载位移、作用点所在截面荷载位移解析解。理论解表明,上拔力作用点以上和以下的桩体都存在临界桩长现象。文章还提出了最优上拔力作用点概念及其

计算方法,对实际工程具有重要的指导意义。关键词:上拔力;作用点位置;抗拔桩;临界桩长;荷载位移;最优位置中图分类号:TU473.1 文献标识码:A

文章编号:1000-131X(2005)07-0102-05

DEFORMATIONANALYSISFORUPLIFTPILESCONSIDERING

THEACTIONPOSITIONOFUPLIFTFORCE

ZhangJie　ShangYuequan　LinXuwu

(ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Theactionpointofupliftforceplaysadominantroleinthedistributionoffrictionresistancealongupliftpiles,and

thusitisakeyfactorintheanalysisoftheload-displacementrelationshipofupliftpiles.Theanalysismodelofupliftpileis

establishedbydividingthepileshaftintotwopartsaccordingtoexperimentaldata.Thepileportionabovethedividingaction

pointisconsideredasacompressivepile,theportionundertheactionpointisconsideredasatensionpile,andthesetwopile

portionssatisfyequilibriumandcompatibilityequations.Themodelissolvedbyusingaloadtransfermethod,andanalytical

solutionsoffrictionresistanceforcedistributionandload-displacementrelationshipareobtained.Analyticalsolutionsindicate

thatcritical-lengthphenomenonexistsforbothpileportions.Theactionpositionofupliftforcecanbeoptimized,andthecor-

respondingcalculationmethodisproposed.

Keywords:upliftforce;positionofactionpoint;upliftpile;criticalpilelength;loaddisplacementfunction;optimalac-

tionpointposition

收稿日期:2003-11-28引 言

随着工程建设的蓬勃发展,抵抗上拔荷载目前已

成为工程建设中一个经常面临的问题,抗拔桩是一种

重要的抗拔措施,正广泛运用于各类工程实践中[1,2]。

但是,目前对抗拔桩的研究还较薄弱,对其承载

机理还缺乏深入的了解,设计计算理论也不成熟,有

些设计甚至无规范可查[2～6]。抗拔桩的研究滞后,严

重阻碍了抗拔桩在实际工程中的应用。

抗拔桩中上拔力作用点一般设在桩顶,有时也设

在桩身中。现场试验[5]和模型试验[6]指出,上拔力作

用点位置对抗拔桩的桩周摩阻力分布有决定性影响。研究上拔力作用点位置的影响对揭示抗拔桩的承载机

理具有关键作用。以往关于抗拔桩变形分析都假设上

拔力作用点处于桩顶[7～9],这没有考虑上拔力作用点

位置在桩身时对抗拔桩性质的影响。西南交通大学配

合泸州长江二桥的建设,通过模型试验和现场试验对

作用点不在桩顶的抗拔桩的摩阻力分布进行了广泛的

实测,石家庄铁道学院也有类似的实测资料。本文根

据这些实测资料提出了考虑上拔力作用点位置影响的

抗拔桩机理分析模型,该模型能有效的反映上拔力作

用点不同时桩身摩阻力分布特征,能计算抗拔桩荷载

位移关系。在此模型的基础上,本文对抗拔桩刚度进

行了综合分析,预测了抗拔桩临界桩长,并对上拔力

作用点位置进行了优化。1　试验分析及模型建立

已有试验资料表明[3～6]:

(1)上拔力作用点在桩身中时典型的摩阻力分布

如图1[5]所示,摩阻力在上拔力作用点所在截面达到

最大,从作用点所在截面向桩顶和桩底摩阻力逐渐减

小。极限摩阻力在上拔力作用点所在截面首先达到,

破坏从上拔力作用点所在截面开始并向桩的两端发

展。

图1　实测摩阻力分布图Fig.1　Measureddistributionoffrictionresistanceforce

(2)抗拔桩桩体不是全长受拉的。上拔力作用点

以上桩体受压,作用点以下桩体受拉。

(3)典型的荷载位移曲线表现出明显的三段特

征,也即“直线段+曲线段+直线段”。其中第一个

直线段P-S呈比例关系。抗拔桩正常工作下P-S

曲线处于第一个直线段内。

因此,上拔力实际上是由作用点以上上部桩体的

受压和作用点以下下部桩体的受拉共同承担的。根据

上述机理,可以把抗拔桩离散成两部分,即作用点以

上的上部承压桩以及作用点以下的下部抗拔桩。承压

桩和抗拔桩共同作用,抵抗上拔荷载。两者在上拔力

作用点处满足位移协调条件和力的平衡条件,如图2

所示。图2中A为上拔力作用点,l1为作用点以上

承压部分桩体的长度,l2为作用点以下受拉桩体的长

度,l为整个上拔桩桩体长度,P1为承压桩体分担

的抗拔荷载,P2为下部受拉桩体分担的抗拔荷载,

P为总的上拔力。

荷载传递法是研究轴向荷载下桩体荷载-位移关系

的有力工具[10,11],在承压桩分析中获得了广泛的应

用[12～14],本文将采用这一方法对抗拔桩进行分析。荷

载传递法的思想是将桩体在轴线方向离散成单元,岩

(土)体对桩体的作用用荷载传递弹簧来表示;桩岩

(土)作用特性由荷载传递弹簧的荷载传递函数反映

。图2　考虑锚固点位置时抗拔桩分析示意图Fig.2　Modelforanalysisoflongrock-sockedpile

在实际工程中,抗拔桩都在P-S曲线的第一个

直线段内工作,对这一阶段进行研究具有重要工程意

义。此阶段内荷载-位移关系成比例增长,其荷载传

递弹簧的传递函数可取为线性传递函数:

q1(x)=λ1u1(x)(1)

q2(x)=λ2u2(x)(2)

u1、u2分别为上部承压桩和下部抗拔桩的截面

位移,λ1、λ2分别为上部承压桩和下部抗拔桩的侧

摩阻力刚度,q1,q2依次为与位移u1、u2对应的抗

拔阻力。

依据以上的分析,本文提出的抗拔桩的分析模型

为:

(1)桩体离散成作用点以上的上部承压桩以及作

用点以下的下部抗拔桩,两者在上拔力作用点所在截

面处满足力的平衡条件和位移协调条件;

(2)上部承压桩和下部上拔桩采用荷载传递模型

分析,工作阶段内荷载传递函数采用线弹性荷载传递

函数。

上部承压桩受力模型如图2(b)所示。其满足

的微分方程和边界条件为:

EAd2u1dx2-λ1u1=0

EAdu1dxx=l1=P1

EAdu1dxx=0=0(3)

该方程的解为:

u1(x)=P1EAk

1ch(k1x)sh(k1l1) k1=λ1 (EA)(4) 则上拔力作用点处位移SA1为:

SA1=u1(x)x=l1=P1EAk1th(k1l1)(5)

下部抗拔桩满足的微分方程和边界条件为:

EAd2u2dx2-λ2u2=0

EAdu2dxx=l2=P2

EAdu2dxx=0=0(6)

该方程的解为:

u2(x)=P2EAk2ch(k2x)sh(k2l2) k2=λ2 (EA)(7)

则上拔力作用点处位移SA2为:

SA2=u2(x)x=l2=P2EAk2th(k2l2)(8)

记m1=EAk1th(k1l1),m2=EAk2th(k2l2)。

m1、m2分别为上部承压桩和下部抗拔桩的刚度。上

部承压桩和下部抗拔桩在作用点所在截面处满足力的

平衡和位移协调条件,故上拔荷载由上下两部分桩体

的抗拔刚度按比例分配,其中上部承压桩分配的荷载

为:

P1=m1m1+m2P0(9)

下部抗拔桩分配的荷载为:

P2=m2m1+m2P0(10)

所以抗拔桩桩顶位移S0为:

S0=m1m1+m21sh(k1l1)P0EAk1(11)

式(11)即为抗拔桩桩顶荷载位移关系。

2　桩身摩阻力分布验证

根据式(1)、(4)可计算上拔力作用点以上摩阻

力分布q1(x)为(坐标系如图2(b)所示):

q1(x)=λ1P1EAk1ch(k1x)sh(k1l1)(12)

根据式(2)、(7)可计算上拔力作用点以下摩阻

力分布q2(x)为(坐标系如图2(c)所示):

q2(x)=λ2P2EAk2ch(k2x)sh(k2l2)(13)

其中P1、P2分别由式(9)、(10)确定。

作为算例,考虑计算参数为E=3×104MPa,A

=2.25m2,λ1=2.5×104MPa,λ2=2.1×

104MPa,l1=7m,l2=3m,P0=1.4×103kN,则桩体所受摩阻力分布如图3所示。

由图3可知:摩阻力在上拔力作用点所在截面达

到最大,从作用点所在截面向桩顶和桩底摩阻力逐渐

减小,极限摩阻力将在上拔力作用点处首先达到。这

些规律和实测资料符合的很好。

图3　计算摩阻力分布曲线Fig.3　Computationaldistributioncurveof

frictionresistanceforce

3　参数确定以及与有限元验证

M.F.Randolph[15]根据剪切位移法分析了侧摩阻刚

度和土体剪切模量的关系,给出:

λ=δG(14)

其中,G为土体剪切模量,δ由下面两个式子确

定:

δ=2πln(rm r0)(15)

rm=2.5L(1-v)(16)

应当指出的是,当上拔力作用点很接近桩顶时,

对于上面一段桩体由式(14)确定的δ将为负数,这

是不合理的。此时取δ=1.5将得到合理的结果。当

上拔力作用点很接近桩底的时候,对于下部桩体也可

采用类似的方法。下面的有限元数值试验结果将证明

此方法的有效性。

至此,本文介绍了考虑上拔力作用点位置不同时

抗拔桩的分析模型,以及参数的取值依据。为了验证

本模型的合理性,采用线弹性轴对称有限元模型对抗

拔桩重新进行了分析,并将两者的结果进行了比较。

大量的对比表明,

按式(11)计算的结果与有限元分

析结果符合良好。表1列出了一些桩顶刚度的比较结

果,其中x为上拔力作用点距离桩顶的距离。

有限元分析还表明,式(14)给出的侧摩阻刚度

对桩土模量刚度比较小的情况不适用。这说明,对于

嵌岩桩,不能采用式(14)来估算侧摩阻刚度。因

此,此时的侧摩阻刚度必须由实测才能得到。

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建筑物抗拔桩力学计算的实例分析

建筑物抗拔桩力学计算的实例分析

・９６・　第４０卷第６期　２　０　１　４年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．６　Ｆｅｂ．　２０１４　文章编号：１００９—６８２５（２０１４）０６－００９６・０２　建筑物抗拔桩力学计算的实例分析　田徼　（西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西西安７１￣５５）　摘要：根据现行规范，阐明了抗拔桩的设计要点及注意事项，明确了抗拔桩设计的关键是配筋和裂缝控制，并且结合工程实例详　细介绍了抗拔桩的设计思路，为地下建筑设计过程中结构抗浮设计工作积累了经验。　关键词：上拔力，抗拔桩，裂缝，工程算例　中图分类号：ＴＵ４７２　文献标识码：Ａ　０　引言　近年来，在高速发展的城市建设大环境下，建筑物的地下空　间开发利用也得到了迅猛的发展，地下建筑设计过程中结构的抗　浮设计工作显得比较重要。一般情况下，地下结构在完成抗浮设　计的时候需要考虑较多的因素…，本论文将就地下结构抗浮方案　中抗拔桩的力学计算进行实例分析工作。　１　抗拔桩设计要点　结构工程中抗浮措施比较常见的有：临时性的抵抗地下水的　上浮力，主要是施工期间的抗浮，采用的措施有隔水、降水和排水　等方法；永久性的抵抗地下水的上浮力，抗拔桩和锚杆（索）的下　拉方法使用得比较普遍，抗浮设计中抗拔桩是最常用的方法之　一，下文着重介绍一下抗拔桩的设计过程。　１．１承载力设计值的确定　根据ＤＧＪ　０８—１１－２０１０地基基础设计规范　中的７．２．９条给　出了单桩竖向抗拔承载力设计值的计算式：　，，一　Ｒ　＝　∑Ａ　ｌ　＋Ｇｐ　（１）　，，　式（１）实质上反映的是地基土体对抗拔桩的摩阻力，从力学　机理上讲，公式反映的是土体工程特性；其值的确定是抗拔承载　力计算的第一步，抗拔桩的承载力的确定并不代表其桩身设计的　混凝土、纵向受力钢筋就可以不受控制。　ＪＧＪ　９４－２００８建筑桩基技术规范　５．４．５与５．４．６条给出了　类似的单桩竖向抗拔承载力计算公式。　１．２桩体纵向受力钢筋的确定　．　根据ＧＢ　５００１０－２０１０混凝土结构设计规范　中的６．２．２２条，　桩身设计轴向拉力设计值表达式如下：　Ｎ＜￣ｆｙＡ　＋厶Ａ　（２ａ）　ＪＧＪ　９４．２００８建筑桩基技术规范中的５．８．７条给出了类似的　［４］　陈肇元，崔京浩．土钉支护在基坑工程中的应用［Ｍ］．北京：　中国建筑工业出版社，２０００．　公式。　如若不考虑预应力筋时，则：　Ⅳ≤　Ａ　（２ｂ）　当桩的轴向拉力设计值按地基土体对抗拔桩的摩阻力考虑时：　Ｒ　＝Ｎ＜．ｆｙＡ　（２ｃ）　即抗拔桩的配筋设计可以由尺　确定。　１．３桩体裂缝宽度的确定　ＧＢ　５０００７－２０１　１建筑地基基础设计规范　中的８．５．９条指出　“当桩基承受拔力时，应对桩基进行抗拔验算”。其中的第８．５．１２条　明确“非腐蚀环境中的抗拔桩应根据环境类别控制裂缝宽度满足　设计要求，预应力混凝土管桩应按桩身裂缝控制等级为二级的要　求，进行桩身混凝土的抗裂验算”。　与此同时，应当根据《混凝土结构设计规范》中的第３．４．４和　３．４．５条规定的构件裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值，对抗拔　桩体混凝土做裂缝验算。验算按《混凝土结构设计规范》中的　７．１．２条进行。　，ｌｆ，苦（１．ｃ９　＋０．０８　Ｐｔｅ）（３ａ）　其中，　为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受　拉钢筋应力，其值按式（３ｂ）计算：　７、，　Ｏｒ　＝　（３ｂ）　Ａ　其中，　为按荷载准永久组合计算的轴向力值。　《建筑桩基技术规范》中的５．８．８条明确，∞…为按荷载效应　标准组合计算的最大裂缝宽度，因此在用式（３ａ）中将Ｏｒ　（荷载效　应准永久组合的等效应力）更改为　（荷载效应标准组合的等效　应力）。　依据现行的规范规程的要求，对抗拔桩的设计计算要点作了　细致介绍，并列出了主要计算公式。　［５］　中国建筑科学研究院．建筑结构荷载规范［Ｍ］．北京：中国　建筑工业出版社，２００１：７－９．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＸＵＥ　Ｗｅｉ　（Ｓｈａｎｘｉ　４ｔｈ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒｍｓ，　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｏｉｎｔｓ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｓｏｉｌ—ｎａｉｌｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒｍ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒｍ，ｓｏｉｌ－ｎａｉｌｉｎｇ　ｗａｌｌ　收稿日期：２０１３－１２．１７　作者简介：田微（１９８０一），女，

地下结构抗浮设计中抗拔桩的简化模型及其应用

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地下结构抗浮设计中抗拔桩的简化模型及其应用

地铁车站抗拔桩设计计算分析方法

地铁车站抗拔桩设计计算分析方法

移加大，桩侧摩阻力的分布逐渐向桩底方向延伸最　

终桩身全长范围内得以发挥。如继续加大荷载，桩一　

土变形超过土体的屈服变形数值，桩周土则会出现　

圆柱体剪切破坏导致抗拔桩失效。由此可得出，随　

着地下水位的变化，抗拔桩的受力状态是不断变化　

的，在桩周土体达到塑性状态之前，抗拔桩提供的　

抗拔力是随着桩一土变形的增加而增大的。这就决　

定了在地铁车站的整体结构内力计算时，应采用弹　

簧模拟抗拔桩作为边界条件。而从整体计算模型　

的弹簧节点反力则可验算抗拔桩的设计是否满足　

受力及变形的要求。　

（２）抗拔桩弹簧模拟分析。由上述抗拔桩的变　

形受力分析可知，在上拔荷载作用下，抗拔桩变形分　

为两部分：桩体自身弹性变形和桩一土变形，所以抗拔　

桩模拟弹簧包含桩体弹簧和桩一土弹簧两部分。其　

中，桩体弹簧只与桩身混凝土弹性模量和抗拔桩截面　

有关，在具体模型计算时可代人抗拔桩的截面而得出　

结果，在此不再赘述。　

桩一土弹簧模型：本模型将桩侧土体简化为众多　

独立的弹簧¨５　］，如图２所示，土的参数只需要桩侧土　

的弹簧刚度即可。从桩身脱离取一桩单元，考虑该单　

元垂直力的平衡可以得出　

ｄＦ（２）一Ｕ　（　）ｄｚ　（１）　其中，Ｕ为桩的周长，ｒ（　）为桩侧剪应力，即　

ｒ（　）一是　叫（ｚ）　（２）　

其中，是　为土的剪切弹簧刚度；训（ｚ）为单桩位移量。　

目前国内规范对土的剪切弹簧刚度未有理论依　

据，文献［７］中对单桩中的现场灌注桩（机械成孑Ｌ）的　

剪切地基反力系数的计算分别规定为　是　一０．０９　。Ｄ一。／　（３）　

其中，Ｄ为桩端直径（ｒｎ）；Ｅｏ为地基变形系数　

（ｋＮ／ｍ　），当通过标准贯入试验求得时，Ｅｏ一　

２　５００Ｎ，但Ｎ值很小时，应用其他试验方法推算；ａ为　

对Ｅ。确定方法的修正系数，见表２所列。　

表２对Ｅ　确定方法的修正系数ａ值　Ｅ　的确定方法　修正系数ａ　短期荷载　长期荷载　

由（１）、（２）式可得出　

２４０（Ｃｒ程与建设》２０１４年第２８卷第２期　Ｆ＝叫Ｕ∑是　ｚ　（４）　

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

文章编号:100926825(2020 092020 8202

抗拔桩和抗压桩的机理分析及承载力计算

收稿日期:2020 211223

简介:张正雨(19822,男,硕士,国家一级注册结构工程师,浙江大学建筑设计研究院,浙江杭州 310027

尹 晔(19822,男,工程师,杭州市高速公路管理局,浙江杭州 310016

张正雨 尹 晔

摘 要:通过分析抗拔桩与抗压桩桩周土在桩身部位及桩端部位应力路径的不同,阐述了抗拔桩和抗压桩不同的荷载传

递机理,在计算黏土地基中钻孔灌注桩的抗拔承载力时,针对抗压桩和抗拔桩侧阻在桩身部位和桩端部位土体应力的不同,引入了两个侧阻折减系数,并通过实例验证了公式的可行性。关键词:抗拔桩,抗压桩,侧阻,增强效应,应力路径中图分类号:TU473.1文献标识码:A

现今,随着高层建筑和基础工程的大量涌现,桩基的使用越

来越多。对于抗压桩的荷载传递机理及承载力的计算,前人已做了大量的研究[1]。大量的文献证明[2,3],抗拔桩和抗压桩的荷载作用机理是有所不同的,它们的桩侧摩阻力也是有所差异的。深入研究抗拔桩的受力性状,剖析它与抗压桩之间存在的差异,能更好的指导抗拔桩的施工和设计,这是本文研究的意义所在。

1 土的应力路径与桩的荷载传递机理1.1 桩身部分土层的应力路径

无论是抗拔桩还是抗压桩,土体单元在受到剪切后,水平有效应力都不再是主应力,主应力的方向发生了旋转。剪应力越大,旋转角就越大。Roscoe (年[4]提出,在排水剪中: τ

σ′v =K ・tg φ(1其中,τ为施加的剪应力;σ′v 为竖向有效应力;K 为材料的

常数;φ为σv ′

和大主应力之间的夹角。水平有效应力σ′r 的变化取决于土的应力应变性能,室内三轴试验证明[5]:一定密度的砂土,围压越小,剪胀越明显。当围压渐增到一定值时,砂土则表现为常体积,当围压增大时,则表现为剪缩。对于一定密度的正常固结黏土,三轴剪切试验中都表现为剪缩,且围压越大,剪缩越明显。不过,无论是抗压桩还是抗拔桩,如果土体剪缩,水平有效应力将减小,反之,则水平有效应力将增大。