基于ANSYS的扩底桩基础抗上拔性能工程校核

汪 峰，曹 杰，王 猛，汪 齐

(1.淮南市力达电气安装有限公司， 安徽淮南232001； 2.安徽理工大学化学工程学院， 安徽淮南232001)

基于ANSYS的扩底桩基础抗上拔性能工程校核

汪 峰1，曹 杰2，王 猛2，汪 齐2

(1.淮南市力达电气安装有限公司， 安徽淮南232001； 2.安徽理工大学化学工程学院， 安徽淮南232001)

抗上拔性是高压输电线路基础设计的一项重要依据，理论值与实际抗上拔力的校核对电力线路工程作业质量有着重要的影响，理论与实际的偏差并不能使我们得出基础的实际抗上拔力，但实际施工中允许存在一定误差;以掏挖式灌注桩基础工程为例，利用ANSYS软件对扩底基础抗上拔性能进行分析计算，计算结果与理论结果相符，证明利用有限元验证基础抗上拔的方法具有可行性。

扩底桩； 抗上拔力； 数值模拟； ANSYS

1 工程概况

由于架设高压输电线路的需求，需在某丘陵地带安装铁塔。为固定铁塔，采用控制爆破的方式开挖掏挖式灌注桩并浇筑钢筋混凝土基础,桩井结构示意图如图1所示。

图1 桩井结构主视图与俯视图

由图1可知此基础为扩底桩基础，其中d=900，D=2 100，h1=1 400，h2=600，h3=200，以上单位均为mm。与传统等截面抗拔桩相比，扩底桩抗上拔性能远高于等截面桩。现对此型号桩体扛上拔性能进行校核、讨论。

2 扩底桩抗拔机理

桩体抗拔性能取决于抗拔力的大小，扩底桩抗拔力可以分解成三部分，即桩侧摩阻力、桩体自重和扩大头部分抗拔力。扩大头部分作用主要有两点：一是可以直接分担外载荷；二是它改变了上部土体的应力分布。在上拔力作用下下部桩体带动周围土体挤压上部土体，从而使上部土的剪应力提高而改善了上部土体的力学性能。在饱和软黏土中扩大头底部的真空吸力可能在初期对抵抗上拔载荷产生一定贡献[1]。

一般情况下，桩基承载力中的桩侧摩擦阻力部分随着上拔载荷的增加开始逐渐增大，但在桩—土界面上相对位移达4～10mm时，相应的桩侧摩擦阻力达到峰值，其后将逐渐下降，但扩底桩抗拔时扩大头上移挤压土体，土体反作用力一般也是随着上拔位移量的增加而逐渐增大的。且当桩侧摩擦阻力达到其峰值后，扩大头上拔阻力还可以继续增长，知道桩的上拔位移量达到相当大时，才可能因为土体整体破裂而失去稳定，扩底桩的抗拔机理和破坏过程可分为以下几个阶段[2]：第一阶段，桩顶上拔载荷较小时,桩顶载荷由上部桩周土层的侧摩擦阻力承担，此时下部桩体和扩大头部分承担的载荷很小；第二阶段，随着载荷的增大，装侧摩擦阻力逐渐下移，扩大头开始发挥作用，由于他对桩端土体的压密效应，扩大头上方有限范围内的桩周土的侧磨阻力随着扩大头分担抗拔载荷的增加而具有一定的强化作用；第三阶段上拔载荷的继续增加和上拔位移量的增大，桩顶附近的土体松动，侧磨阻力开始下降；桩端附近的土体则由于扩大头的作用，其抗拔承载机理变得十分复杂，一般按抗压状态时的侧磨阻力计算，这时扩大头所承担的抗拔力还将继续增大；第四阶段，当上拔载荷接近抗拔桩的承载极限，此时上拔位移量已相当大，桩周土体因整体破坏而失稳，扩底桩的抗拔承载力开始下降；第五阶段，上拔载荷超过极限值，桩的抗拔能力急剧降低，抗拔力紧靠桩身自重以及扩大头上方所拖带的土体重量承担，承载能力基本丧失。

3 剪切法理论计算

根据现用设计规程《架空送电线路基础设计技术规定》(DL/T5219-2005)，选取剪切法计算公式进行计算[3]。

3.1 理论原理及理论模型

采用剪切法设计的基础，其抗拔承载力由基础自重和土体破裂面剪切阻力的竖向分量组成[4]，如图2所示，其计算公式为：

(1)

其中：γE、γθ为载荷影响系数(取1)；A1为无因次系数；A2为无因次系数；γs为土壤重度；cw为粘聚强度；Qf为基础自重。以上系数的确定参照鲁先龙[5]给出的计算方法，确定出A1=4.088 2，A2=0.820 4，γs=20kN/m3，cw=10kPa。

图2 剪切法理论模型

3.2 理论计算结果

首先根据基础尺寸及基础材料密度计算出Qf，取基础密度为2 700kg/m3，得出Qf=72 900N。将上节所确定出的参数与Qf一同带入公式(1)：

T=(0.4×4.088 2×10×2.22+0.8×0.820 4×20×2.23+72.9)kN=386.5kN

4 数值模拟

4.1 材料参数

桩体材料。线弹性材料弹性模量 25GPa,泊松比0.2，密度为2 700kg/m3；土体材料。DP材料，弹性模量25MPa，泊松比为0.45，密度为2 000kg/m3，粘聚力c为10，摩擦角为30°，膨胀角为30°。

4.2 计算模型

考虑到基础的对称性，为减小计算量，建立1/2模型，基础尺寸同上，围岩取基础周围圆柱区域，划分网格后所建模型如图3所示：

图3 基础模型网格

3.2节中的理论计算结果为桩体竖直方向的抗上拔力，实际过程中塔腿与桩基存在一定夹角，本组模拟过程中对桩体施加与水平面呈80°向上的拉力,模型前面为对称面，侧面和底面施加全自由度约束。模型整体施加重力加速度[6]。

4.3 抗上拔校核

取理论计算结果数量级相同的作用力分别加载于模型，并观察模拟结果，如图4所示。结果显示当加载拉力竖直方向的分力增致至350kN时，基础开始明显倾斜，周围介质产生显著变形。从图4中还能看出基础倾斜初始并未发生明显变形，这是由桩体基础材料强度大于周围介质所决定的。

图4 350 kN上拔载荷时基础及介质x、y方向位移

图5为不同上拔力作用下桩体上最大位移点处各方向位移变化曲线，从曲线中可以看出，当上拔力增致350KN时，最大位移量呈突跃上升趋势，与理论计算结果386.5kN较接近。

(a) X方向最大位移量变化 (b) Y方向最大位移量变化

5 结论

利用ANSYS有限元分析基础扛上拔性能的结果与理论计算结果具有一定误差，但其误差在工程允许误差范围之内，能够满足工程应用;本数值模拟所选材料参数与实际施工中的岩土性能存在一定误差，欲取得更好的分析结果，需对材料参数的选取做进一步改进研究;利用ANSYS有限元模拟结果与理论计算结果相比较对基础抗上拔极限进行验证校核的方法具有可行性。

[1] 凌辉,罗斌.扩底桩的抗拔机理与计算公式的探讨[C]//2004年度上海市岩土力学与岩土工程学术年会论文集.上海：《岩土工程界》编辑部，2004:112-115.

[2] 张伟,姜骅,刘念.爆扩桩抗拔机理的有限元分析[J].建筑技术开发，2002,29(7):26-34.

[3]DL/T5219—2005，架空送电线路基础设计技术规定[S].

[4] 王高益.架空送电线路基础上拔稳定计算公式的修正[J].四川电力技术，2001,34(1):56-57.

[5] 鲁先龙,程永锋,张宇.输电线路原状土基础抗拔极限承载力计算[J].电力建设，2006,27(10):28-32.

[6] 王伟.ANSYS14.0土木工程有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2013.

Engineering Check of Enlarged Toe Pile Foundation's Ultimate Uplift Based on ANSYS

Wang Feng1,Cao Jie2,Wang Meng2,Wang Qi2

(1.HuainanLidaElectricalInstallationCo.Ltd,HuainanAnhui232001; 2.SchoolofChemicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001)

Ultimate uplift is an important basis in the design of high-tension transmission line. The theoretical value and the practical check of the ultimate uplift have an important effect on the quality of electric power line engineering operation. Though the deviation between theory and practice makes it difficult to work out actual value，a certain deviation is allowed in the actual construction．Taking the excavation pile foundation engineering as an example，we use ANSYS to analyze and calculate the ultimate uplift of enlarged toe pile. The calculation results are consistent with theoretical results, which prove that using finite element to verify the enlarged toe pile is feasible.

enlarged toe pile； ultimate uplift； numerical simulation； ANSYS

2016-12-28

汪峰(1974-)，男，安徽淮南人，工程师，从事输电线路施工工作，电话：18805542292。

TU473

A

1671-4733(2017)02-0005-03