竹节桩抗拔承载性能研究

陈焰明，吴 蔚，赵 毅

(1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018;宁波原水集团有限公司，浙江 宁波 315100)

竹节桩抗拔承载性能研究

陈焰明1，吴 蔚1，赵 毅2

(1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018;宁波原水集团有限公司，浙江 宁波 315100)

通过现场抗拔静载试验和ADINA非线性结构分析程序建模计算研究竹节桩抗拔荷载传递机理及承载性能.采用ADINA非线性结构分析程序建立了竹节桩三位实体模型，并与现场实测资料对比，验证所建模型的合理性.通过该模型对竹节管桩抗拔承载力影响因素进行了分析，结果表明竹节宽度及竹节间距对竹节管桩的抗拔承载力将产生较大影响.

竹节桩；抗拔承载力；荷载传递机理；三维建模

由于东部沿海地区地下水位线较高，因此需要设置桩基础来提供抗拔力，这种承受抗拔力的桩基础即为抗拔桩.抗拔桩应用广泛，如高压输电线塔、高耸结构、高层及超高层建筑等[1].对于抗拔桩的承载形状，陈锦剑等针对上海世博地下变电站的抗拔桩设计，采用基于非线性有限元的数值方法对抗拔桩在大面积深开挖过程中的受力特性进行了研究[2]；Kulhawy对砂土中的钻孔灌注桩抗拔性能进行了系统的研究[3]；罗耀武等针对砂土地基中不同L/d的抗拔桩进行了模型试验，模型桩采用了3种不同界面，结合界面剪切试验探讨了桩—土界面特性对抗拔桩荷载—位移曲线、极限承载力及残余承载力的影响[4].

以上研究都是针对传统等截面抗拔桩，目前针对竹节桩抗拔承载性状的研究刚刚处于起步阶段.因此，本文结合某工程抗拔桩抗拔试验，通过ADINA有限元软件建立三维实体模型，研究了竹节桩抗拔承载机理，分析了竹节桩抗拔承载性状的影响因素.

1 竹节桩抗拔承载机理

1.1 竹节桩工法简介

竹节桩工法是一种新型环保施工工法，由于竹节桩是在工厂预制完成，只需在现场进行接桩，故不存在泥浆排放问题，且竹节桩承载性能好，通过竹节与周围土层咬合从而提高了抗拔桩的承载力.

竹节桩具体施工流程可分为以下几个部分[5]：

(1)竹节桩起吊及测量定位：桩基就位后重新调整桩架垂直，按照吊点位置用压桩机吊臂将桩喂入压桩机，瞄准桩位，然后将桩放下使桩尖对准桩位(见图1).

(2)静力压桩：静压沉桩采用液压式机械，可分为抱压式和顶压式.本工程采用顶压式桩机，确保桩帽、压桩机导向杆及桩身在同一直线上.

(3)接桩：入土部分机械连接竹节桩的桩头应高出地面0.8～1.2 m，竹节桩吊到位时方可安装插杆，采用上螺下顶接桩卡扣连接，同时在下节桩端面安放足够的密封材料(环氧树脂).

图1 竹节桩起吊

1.2 竹节桩抗拔承载机理分析

由于竹节桩由竹节及管桩组成，与传统桩有所区别，因此，其抗拔承载机理与传统桩存在差异.竹节桩的桩顶抗拔荷载主要由竹节及管桩承担，之后，再传递给桩周土层.竹节桩单元承载机理(见图2).

P—竹节桩桩顶受到的抗拔荷载；F1—竹节桩的锲入效应；F2—竹节桩竹节部分的侧摩阻力；F3—竹节桩传统桩壁的侧摩阻力图2 竹节桩抗拔承载机理

2 竹节桩抗拔静载试验

该工程为某住宅楼，采用竹节桩作为抗拔基础，其中，竹节桩竹节部分直径为500 mm，桩身直径为460 mm，设计有效桩长为38 m，设计单桩竖向抗拔承载力特征值为400 kN.场地工程地质条件(见表1).

表1 试验场地土层的物理力学性质指标

为确定竹节桩的抗拔承载力，对该工程中的3根竹节桩(A331，A5及A182)进行单桩竖向抗拔静载试验，试验执行《建筑桩基监测技术规范》(JGJ106—2014)[6]及《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)[7]，采用慢速维持载荷方法分级加载进行试验，分级荷载宜为最大加载值的1/10，其中第1级加载量可取为分级荷载的2倍，每级荷载施加之后，应分别按照第5 min、15 min、30 min、45 min及60 min测度桩顶上拔量，之后，每隔30 min测度一次，直至上拔量达到稳定不变，再继续施加下一级荷载；卸载值为每级加载值的2倍，且维持荷载1 h，并分别在15 min、30 min及60 min测度，卸载至零后测度桩顶残余上拔量，并维持时间不小于3 h.

根据试验所采集的原始数据，经整理后获得竹节桩抗拔力与上拔量之间的关系曲线(见图3).从试桩的P-s曲线中可知，竹节桩在加载至最大上拔荷载800 kN过程中，与此对应的桩顶上拔量连续、无突变，属于换变型曲线，结合规范可知竹节桩单桩竖向抗拔承载力特征值为400 kN.

P—桩顶上拔荷载；S—桩顶上拔量图3 竹节桩抗拔载荷试验曲线

3 有限元模型分析

由于现场试验费时费力，因此，本文结合ADINA有限元分析软件分析竹节桩的抗拔承载机理.本文将竹节桩模型定义为线弹性，而桩周土层则采用Mohr-Coulomb模型，考虑到土体自重应力产生的初始应力场，运用位移控制法施加竖向荷载[8]，土体参数参照表1.竹节桩与土接触面摩擦系数μ可按下式进行计算：

(1)

μ=tanψ

(2)

ADINA有限元分析软件中的模型网格划分及竹节桩网格划分(见图4).

图4 整体模型及竹节桩网格划分

为验证本文所建立的ADINA模型的合理性，现结合现场抗拔试验进行分析.本节通过与该试验得到的P-s曲线进行对比(见图5)，结果表明，两者计算结果基本吻合，从而说明所建模型的合理性；需要说明的是，本文所建立的有限元模型尚未考虑竹节桩的打入对周边土层造成的扰动，从而使得有限元计算得到的P-s曲线比现场试桩得到的P-s曲线要小.

P—桩顶上拔荷载；S—桩顶上拔量图5 有限元计算荷载位移曲线与实测曲线对比

4 参数分析

竹节桩的竹节间距及宽度是影响竹节桩抗拔承载力的关键因素，竹节桩与传统管桩的区别在于此，故本节分析竹节桩的竹节宽度及竹节间距对竹节抗拔桩承载力的影响.

4.1 竹节宽度

与传统的圆柱形抗拔桩相比，由于竹节桩的管径不同产生的竹节，从而使得竹节抗拔桩的抗拔承载力比普通圆柱形抗拔桩的抗拔承载力要大(见图6)，不同竹节宽度的竹节抗拔桩具有不同的抗拔承载力.本节控制竹节桩的竹节间距为1 m，改变竹节桩的竹节宽度.由图6可知，桩顶荷载为400 kN时，竹节宽度从20 mm增加到60 mm，相应的桩顶上拔量为3.23 mm减小到2.60 mm，减幅达到24.23%.究其原因，随着竹节宽度的增大，竹节抗拔桩与桩周土层的接触面增大，从而使得竹节桩的抗拔侧摩阻力在增大；同时，竹节桩竹节宽度的增大，其破坏模式也在发生变大，竹节上部土层对竹节桩的抗拔承载力造成了一定的影响.由于本工程的基桩为工程桩，尚未做竹节桩的破坏性试验，所以，在桩顶抗拔力800 kN作用下，竹节桩尚未达到破坏状态；但竹节桩竹节宽度太大，则会给竹节桩施工带来一定的困难.

P—桩顶上拔荷载；S—桩顶上拔量图6 竹节宽度对抗拔承载力的影响

4.2 竹节间距

竹节桩的竹节间距是一个非常重要的参数.竹节间距涉及到竹节桩的承载机理.本节采用控制变量法，控制竹节的宽度为20 mm，改变竹节的间距，不同竹节间距的竹节桩P-s曲线(见图7)，不同竹节间距的竹节桩具有不同的抗拔承载力.由图可知，随着竹节间距的增大，竹节桩的抗拔承载力在降低.在同一桩顶轴力作用下，随着竹节间距的增大，竹节桩的桩顶位移在增大.如桩顶荷载为400 kN时，竹节间距从1 m增加到3 m，相应的桩顶上拔量从3.23 mm增加到3.88 mm，增幅达到20.12%.

P—桩顶上拔荷载；S—桩顶上拔量图7 竹节间距对抗拔承载力的影响

5 结 论

竹节桩的抗拔承载力是目前工程界较为关注的热点问题.但有关研究还相当缺乏.本文全面深入地探讨了竹节桩的抗拔承载力问题，主要得到以下结论：

(1)简要介绍了竹节桩的施工工艺，并对三根竹节桩进行了现场抗拔试验，由于在抗拔试验中施加的荷载尚未达到竹节桩的破坏荷载，故尚未得出该工程中的三根竹节桩抗拔承载力，但与传统管桩作为抗拔桩相比，竹节桩作为抗拔桩具有很大的优势.

(2)采用ADINA非线性结构分析程序建立竹节桩基础的三维实体有限元模型，结合竹节桩的现场试验，证明了本文模型的准确性.

(3)分析了竹节桩抗拔承载力的影响因素，结果表明，竹节宽度及竹节间距都对竹节桩抗拔承载力产生较大影响.例如：控制竹节间距为1 m、桩顶荷载为400 kN时，竹节宽度从20 mm增加到60 mm，相应的桩顶上拔量为3.23 mm减小到2.60 mm，减幅达到24.23%；控制竹节宽度和荷载不变，竹节间距从1 m增加到3 m，相应的桩顶上拔量从3.23 mm增加到3.88 mm，增幅达到20.12%.

[1] 史佩栋.桩基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 陈锦剑，王建华，范 巍，等.抗拔桩在大面积深开挖过程中的受力特性分析[J].岩土工程学报，2009，31(3)：402-407.

[3] FH Kulhawy，DW Kozera，JL Withiam. Uplift Testing of Model Drilled Shaft in Sand [J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division,1979,105(1):31-47

[4] 罗耀武，胡 琦，凌道盛，等.桩—土界面特性对砂土地基中抗拔桩承载特性影响的模型试验研究[J].岩土力学，2011，32(3)：722-727.

[5] 浙江省住房和城乡建设厅.2013—G32机械连接先张法预应力混凝土竹节桩[S].杭州：浙江工商大学出版社，2013.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ106—2014建筑桩基检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[7] 中华人民共和国建设部.JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[8] 岳 戈，陈 权.ADINA应用基础与实例详解[M].北京：人民交通出版社，2008.

StudyonMechanismofNodularPileunderUpliftLoad

CHEN Yan-ming1,WU Wei1,ZHAO Yi2

(1.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China; 2.Ningbo Raw Water Group Co.,LTD.,Ningbo 315100,China)

A series of field test and finite element analysis software ADINA were used to study the mechanism of the nodular pile under uplifting. The finite element analysis software ADINA was also applied to establish three dimensional calculation models of nodular pile,the feasibility of three dimensional calculation model is able to be assessed by a comparison with existing methods. The influencing factors of the uplift capacity of nodular piles are studied by this model,it shows: the uplift capacity of nodular pile is sensitive to the nodular width and spacing.

nodular pile; uplift capacity; load-transfer mechanism; three-dimensional model

2016-06-15

陈焰明(1969-)，男，安徽安庆人，高级工程师，主要研究方向为水电施工监理及地基处理.

TU 443

A

1008-536X(2016)10-0064-04