竖向荷载下 GRF桩基础锚杆的承载机制分析

苏航州 ，梁 倩，冯云鹤

（长安大学公路学院，陕西西安710064）

竖向荷载下 GRF桩基础锚杆的承载机制分析

苏航州 ，梁 倩，冯云鹤

（长安大学公路学院，陕西西安710064）

摘要:锚杆是GRF桩基础区别于普通直桩的显著区别，为了进一步揭示GRF桩基础锚杆的承载机理，结合已有实测数据，利用有限元软件MSC.Marc，建立GRF桩基础的三维非线性模型，分析竖向荷载作用下GRF桩基础锚杆的承载机制。结果表明:锚杆对于GRF桩基础的承载力贡献随着桩顶荷载的增加而增大；当桩顶荷载增大到一定值时 ，锚杆对桩基础承载力贡献会显著的增大 ；在一定的范围内，锚杆间距对GRF桩基础的极限承载力、沉降量和端阻力影响甚微，模型试验结果与现场实测数据较为吻合。研究结果对进一步揭示GRF桩基础锚杆的承载机理有一定的参考价值。

关键词:GRF桩基础；锚杆；承载力；应力突变；MSC.Marc

GRF桩基础（geo-reinforcement foundation）与普通直桩［1］相比，其最大特点就是桩身突出有锚杆，锚杆一端固定于桩身，其余部分则伸入桩身侧面土体中。锚杆的存在改善了桩土接触，不仅对桩周土体有增强作用，而且其突出的锚杆也等效的增大了桩身与土层的摩阻力，使得桩的承载力极大的提高，并且在控制沉降方面效果也十分显著，因此有着很大应用前景，相关专利也已在国内申请［2］。

然而，目前有关GRF桩基础的国内外研究相对较少，具体的实际工程应用也并不多。国内方面，徐文强、文松霖［3-6］对GRF桩基础的竖向承载机制进行了较为系统的研究，研究内容包括GRF桩基础的试验研究和数值模拟分析，具体研究内容包括:通过试验研究分析了锚杆的数量、伸出长度、间距对GRF桩基承载力的影响，同时分析比较了GRF桩基础和普通直桩的承载力特性；通过数值模拟分析了GRF桩基础的桩身轴力，桩端阻力及桩周侧摩阻力变化。国外方面，仅有日本［7-8］某桥梁桩基试验性的采用了GRF桩基础，国外学者对GRF桩基础的承载机制研究提及较少。目前国内外［9-14］较多提及的是与GRF桩基础有着相似承载特性的支盘桩。

锚杆是GRF桩基础区别于普通直桩的最显著特征，锚杆在GRF桩基础竖向承载力方面起着十分明显的作用，因此对锚杆的承载机制进行分析不仅能使得锚杆的作用更加明晰，也能指导GRF桩基础的设计及日后的应用。

1　桩-杆结构特点

GRF桩基础的锚杆是横向设置于混凝土桩身上的，锚杆一部分固定于混凝土桩身，其余部分则伸出桩身进入土层，如图1所示。桩体在上部荷载 Q的作用下 ，桩身内部将产生轴力 N，同时，桩体在荷载作用下产生的下沉会使锚杆对其下部土层产生压缩，锚杆从而受到了向上的阻力 F1。由于锚杆一端固定于桩体中，另一端在受到土层向上的阻力作用下，其受力状态等效于悬臂梁。锚杆在受到土层对其向上的阻力时会产生顺时针方向的力矩，这个力矩将使得锚固于桩体内一端的锚杆受到桩体对其产生的反力 F2，也即锚固于桩体内一端的锚杆对桩体产生了与 F2方向相反，大小相等的力。由于桩体内部本身就存在上部荷载产生的轴力 N，此时，在固定有锚杆处的桩体内力大小即为 F2+N，即此处的桩体内力出现了突变现象。同时，在桩体内部锚杆的上端，由于锚杆的悬臂梁受力特点会使得桩体内部的锚杆发生相对于桩体的向下位移，从而锚杆上端的桩体与锚杆的挤压作用将大大减小，从而使此处的桩体内力大大减小。

图1　桩-杆结构图

2　锚杆处桩身的应力突变

2.1模型建立

GRF桩基础由于其施工特点，较适用于大直径的桩，因此本文GRF模型桩体直径为2 m，桩体长度18.6 m，锚杆采用正方形截面形式，边长0.2 m，嵌入桩体长度0.9 m，伸出桩体长度为1.5 m。锚杆布置形式为四边对称，共布设4根，锚杆顶面距桩顶410 mm处，土体本构关系采用摩尔-库伦模型。其中材料参数见表1。

表1　模型中的材料参数

2.2曲线拟合分析桩身应力突变量

桩顶荷载为1 500 kPa时的桩身轴线上应力分布曲线如图2所示，位于410 mm处的桩身应力发生了急剧的减小，而在距离桩顶430 mm处，即锚杆底面下的桩体，其桩身应力有所增大，此处的桩身应力发生了非常明显的突变现象。根据图示数据，排除波动较大的几个数据点，对其进行最小二乘法曲线拟合，得出曲线方程为:

y=1571.08-0.83x

如图2所示，桩身突变点实际应力减去拟合方程中桩身突变点预测应力，从而得出距桩410 mm处的桩身应力突变了-1.05×103kPa，距桩顶430 mm处的桩身应力突变了5.04×102kPa。

图2　桩身轴线上应力分布

2.3桩身突变点应力与桩顶加载应力对比

1.产品标准：GB/T 19472.1—2004埋地用聚乙烯（PE）结构壁管道系统 第一部分 聚乙烯双壁波纹管材。

在桩顶施加20级的均布荷载分析桩身突变点应力与桩顶加载应力的变化。桩顶荷载施加曲线如图3所示，荷载从300 kPa分20步增至6 000 kPa。通过计算得到距桩顶430 mm处桩身突变点应力突变值大小变化曲线，如图4所示。

图3　桩顶加载曲线

从图4可以看出，在1到9步的荷载加载过程中，桩身突变点应力的增长率与桩顶加载增长率基本保持一致，但是之后桩身突变点应力的增长率明显大于桩顶加载的增长率。这是因为在1到9步的荷载加载过程中桩身向下的位移量并不太大，锚杆与土层之间的压力不足以使锚杆发生足够的变形而对桩身产生明显的反力，即图1中的 F1还不够大，从而使 F2也很小。而在第9步之后的荷载加载过程中桩身下沉量增大，锚杆发生弯曲变形而对桩身产生了明显的压力，且随着桩身下沉，锚杆弯曲变形越来越大，呈非线性的变化趋势，使其对桩身的压力增量要大于桩顶加载增量变化。

图4　桩身突变点应力变化

3　锚杆对GRF桩基础承载力贡献分析

3.1不同荷载作用下锚杆的承载力贡献

由桩-杆结构特点可知，土层对锚杆的作用力F1与锚杆对桩身产生的作用力 F2是锚杆在桩身下沉过程中保持力矩平衡，F2则是桩身应力发生突变的根本缘由，那么桩身应力突变量的大小就可以间接反映 F1的大小，即锚杆的承载力贡献。

采用前文曲线拟合分析方法得出锚杆在不同荷载作用下的突变量曲线如图5所示。从图5中可以看出，桩身应力突变变化规律与图4桩身突变点应力变化规律基本相同。在荷载小于2 400 kPa时桩身应力突变量增长速度要明显小于在荷载大于2 400 kPa时桩身应力突变量增长速度。这说明锚杆的承载力贡献是随着桩顶荷载的增加而增大的，并且其承载力贡献在桩顶荷载增大到一定值时会有更加显著的增大，但是此时往往桩身位移已超过许可范围。

图5　不同荷载作用下的桩身应力突变值

3.2不同间距的锚杆的承载力贡献变化

锚杆布置形式为四边对称，共布设4根，锚杆顶面距桩顶410 mm处。采用曲线拟合方法得出在桩顶荷载1 500 kPa，锚杆间距分别为30 cm、90 cm、150 cm、210 cm、270 cm、330 cm时锚杆处桩身应力突变大小如图6所示。

图6　不同间距的锚杆的桩身应力突变值

4　锚杆间距对GRF桩基承载特性的影响

4.1不同锚杆间距的桩基 P-S曲线

锚杆间距分别为30 cm、90 cm、150 cm、210 cm、270 cm、330 cm、420 cm、520 cm的桩基 P-S曲线如图7所示。图8为模型试验［6］得到的桩基 P-S曲线。

图7　模拟锚杆不同间距桩顶 P-S曲线

图8　实测锚杆不同间距桩顶 P-S曲线

从图7、图8可以得出:随着锚杆间距的增大，桩基极限承载力也随之提高，且桩基沉降量明显减小。锚杆间距的增大对减小GRF桩基沉降量方面有着十分明显的作用。但是在桩基 P-S曲线中也可看出，在桩基发生明显的下沉之前，锚杆间距对其承载力和沉降量的影响并不明显。锚杆间距对桩基沉降量的影响更多的是发生在桩基破坏阶段。

4.2不同锚杆间距的GRF桩在不同荷载作用下的桩端阻力变化

图9为锚杆间距分别为30 cm、90 cm、150 cm、210 cm、270 cm、330 cm、420 cm、520 cm时的桩端应力在不同桩顶荷载下的变化曲线。图10为模型试验中锚杆间距分别为14.4 cm和16.0 cm时的桩端阻力在不同桩顶荷载下的变化曲线。

图9　模拟锚杆不同间距不同荷载下的桩底应力变化

图10　实测锚杆不同间距不同荷载下的桩端阻力变化

图9表示的是桩端应力的变化，随着锚杆间距的增大，桩端应力逐渐减小，这说明锚杆间距的增加可促进桩基侧摩阻力的发挥。图10表示的是桩端阻力的变化，随着锚杆间距增大，桩端阻力的变化也十分有限。由于桩端阻力和桩端应力在表征桩端阻力变化时基本具有等同的效果［15］，可以得出:模拟曲线和实测曲线得出的结果基本一致，即:锚杆间距的增加可促进桩基侧摩阻力的发挥。

5　结 论

（1）桩顶荷载小于一定值时桩身突变点应力的增长率与桩顶加载增长率基本保持一致 ，但是大于此值后桩身突变点应力的增长率明显大于桩顶加载的增长率。

（2）锚杆的承载力贡献是随着桩顶荷载的增加而增大的 ，并且其承载力贡献在桩顶荷载增大到一定值时会有更加显著的增大，但是此时往往桩身位移已超过许可范围。

（3）随着锚杆间距的增大 ，锚杆对GRF桩基础的承载力贡献也在增大，但是其增长速度逐渐放缓；上部锚杆对桩基承载力的贡献要大于下部锚杆贡献；锚杆间距很小时，上部锚杆处的桩身应力要小于此处的曲线拟合值；而锚杆间距增大后，结论相反。

（4）锚杆间距的增大对减小GRF桩基沉降量方面有着十分明显的作用，但更多的是发生在桩基破坏阶段。在桩基发生明显的下沉之前，锚杆间距对其承载力的影响并不明显。

（5）锚杆间距的增加可促进桩基侧摩阻力的发挥。

参考文献:

［1］ 陈希哲.土力学地基基础（第三版）［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［2］ 苏航州，靳 柳.一种用于道路桥梁建造的带外伸杆件的预制管桩:中国，ZL 2013 2 0743226.1［P］.2013-11 -20:1-8.

［3］ 文松霖，徐文强.GRF基础承载机制试验研究［J］.岩土力学 ，2010，31（增1）:35-40.

［4］ 徐文强，文松霖.竖向荷载下GRF承载机制数值模拟研究［J］.岩土力学，2012，33（5）:1542-1548.

［5］ 文松霖，徐文强，任佳丽 .GRF桩基承载力增强技术及应用展望［C］//第九届全国桩基工程学术会议论文集.兰州:中国建筑工业出版社，2009:468-471.

［6］ 徐文强.铅直荷载下GRF基础承载机理研究［D］.武汉:长江科学院，2010.

［7］ 大日本土木株式会社.GRF工法（地基增强型基础工法）［M］.2006.

［8］ 大日本土木株式会社，东京电力株式会社 .GRF工法TYPE II（地基增强型基础工法）技术资料［M］.2006.

［9］ 易耀林，刘松玉，李 涛.钉形搅拌桩单桩承载力及荷载传递特性的数值模拟研究［J］.岩士力学，2009，30 （6）:1843-1849.

［10］ 贺 伟.竖向荷载作用下基桩承载性状的理论与试验研究［D］.长沙:湖南大学 ，2007.

［11］ 张德万，王孝晨 ，方 翔.PHC管桩单桩承载特性研究［J］.安徽建筑工业学院学报:自然科学版，2013，21 （2）:34-37.

［12］ 王 燕，曾 宇.挤扩支盘桩在公路桥梁中的应用［J］.公路，2012，（7）:78-82.

［13］ 王 坤，张连杰，化得钧，等.竖向荷载下挤扩支盘桩数值模拟计算与分析［J］.交通科学与工程，2012，28 （3）:32-36.

［14］ 李 枫，宋焕豹，周云东.挤扩支盘桩承载特性［J］.河海大学学报:自然科学版 ，2010，38（2）:202-205.

［15］ 席宁中.试论桩端土强度对桩侧阻力的影响［J］.建筑科学，2000，16（6）:51-60.

中图分类号:TU473

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0162—05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.034

收稿日期 :2014-09-22修稿日期:2014-10-30

作者简介 :苏航州（1989—），男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为岩土工程和桥梁桩基础。E-mail:shzjl0118@163.com

Analysis of Bearing Mechanism of Geo-reinforcement Foundation Anchor Under Vertical Load

SU Hang-zhou，LIANG Qian，FENG Yun-he
（School of Highways，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710064，China）

Abstract:The anchor of the GRF pile makes a significant difference between GRF pile foundations and ordinary pile foundations.By combining the existing experimental data，a 3D nonlinear model of geo-reinforcement foundation was established using the finite element software MSC.Marc.，through which the bearing mechanism of geo-reinforcement foundation under vertical load was analyzed.The results indicate that the contribution of the anchor to the bearing capacity of the geo-reinforcement foundation increases with the increasing of the pile head load.When the pile head load increases to a certain value，the contribution of the anchor to the bearing capacity of the foundation increases significantly. Whereas when the interval space of the anchors is in a certian range，its effects on the ultimate bearing capacity，settlement and the end resistance of the geo-reinforcement foundation is negligible.Furthermore，the model test result is in consistent with that of the field measured data.The results of the study have certain referential value for further research on revealing the mechanism of bearing capacity of the anchor.

Keywords:geo-reinforcement foundation；anchor；bearing capacity；sudden change of stress；MSC.Marc