基岩中树根桩抗拔性能数值模拟研究

SHANXI ARCHITECTURE

山 西建筑

Vol.44No.19Jul. 2018

• 53 •

文章编号：1009-6825 (2018) 19-0053-02

基岩中树根桩抗拔性能数值模拟研究+

陈能远12李阳1

(1.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西西安710054; 2.长安大学，陕西西安710000)

摘要:通过数值模拟方法，对基岩中树根桩的抗拔性能进行了研究，分析了树根桩及地基的变形、应力、应变规律，为类似条件下 的树根桩抗拔设计提供了理论基础与参考依据。关键词:风化基岩，树根桩，数值模拟

中图分类号:TU473 〇

引言

文献标识码:A

验设计。初步设计拟采用45°倾斜钢管锚固桩(微型桩)抗拔，管径 219 mm，成桩直径300 mm，单桩竖向抗拔力特征值取2 500 kN，见 图2。

基于岩土规范，分别对桩体沿径向极限抗拔力、按被动土压 力以及按上覆土体抗剪强度对树根桩设计参数进行了验算。尽 管理论设计能够满足承载力要求，但树根桩、桩间土的应力一应 变本构关系难以量化，因此本文拟采用Midas GTS/NX数值模拟 软件对基岩中树根桩抗拔性能进行分析。2

试验方法

参照树根桩抗拔试验设计参数，建立了 11数值模型，考虑 到边界效应，根据圣维南原理，将地层尺寸设置为结构尺寸的 3倍大小。在长期地质作用下，地层物理力学性质复杂多变，为便 于计算，现假设各岩土体土质均勻、各向同性，土体颗粒为连续介 质，颗粒间接触良好。结合地勘试验结果，计算选用的各材料物 理力学参数如表1所示。

树根桩是一种树根状分布的微型钻孔灌注桩，通常桩体直径

小于350 mm。具有布置灵活、钻孔小、施工机械小型化和经济环 保等优势[1]。树根桩主要用于基础托换、地下工程和边坡工程的 加固、软土地基加固等，其设计理论和施工技术逐渐趋于成熟[2]。 国外Polo[]认为对于粘土中的等截面桩，其抗拔力由沿桩身的 粘聚力和桩重组成。Sowa[4]指出，摩阻力在数值上趋向于抗拔桩 低于抗压桩，在缺乏其他资料的情况下，推荐按受下压载荷时桩 侧阻力的2/3来计算上拔时桩身阻力。

国内在树根桩上的研究主要借鉴国外技术，且多以试验分析 为主，对土体与树根桩相互作用研究较少，本文基于数值模拟技 术，对爆破作用下的树根桩抗拔性能进行研究。1

工程概况

为分析爆炸作用下树根桩抗拔性能，试验选取了乌鲁木齐戈 壁某爆炸试验场。研究区属风成戈壁地貌单元，地层结构自上而 下依次为：m〜04 m的风积表土，04 m〜3.0 m的强风化砾 岩，3.0 m〜94 m的强风化砂岩，94 m以下为中风化砂砾岩，见 图1。根据场地地质条件进行了岩土工程勘探取样，通过室内土 工试验获取相关物理力学参数。

表1地层物理力学参数

名称表土

E/MPa

认

c/kPa

181.2 xl0 -45.4xl0-49.8 xl0-430xl0-4220 xl0 —

0.280.220.200.180.240.3

602005001 0003 000—

2733312825—

a)风成戈壁地貌单元 b *研究区地层结构

砾岩砂岩砂砾岩混凝土钢管

图1研究区地貌单元及地层结构

研究区地层以强风化〜中风化砂、砾岩为主，根据爆破试验 场设计要求，结合岩土物理力学指标性能，现做如下树根桩抗拔试

Comparative study on FRP anchor support of expansive soil high sloped

Liu Xuejun

Abstract ： Expansive soil slopes often appear in expansive soil areas. Fiber reinforced polymer anchor rod is considered as support. Research on

FRP anchor rod replacing steel anchor rod. Develop a stress, displacement and ultimate

comparative

test plan for

CFRP

anchor rods

and

bearing capacity of the two types

of anchor rods are compared and

analyzed. The

two types of anchor rods in three aspects are obtained. The beneficial conclusion has been drawn.

(Guangxi Vocational College of Construction，Nanning 530007，China)

GFRP

perform

Key words ： expansive soil slope，FRP anchor rod，support comparison

收稿日期：018-04-23 ★ :2016陕西省科技统筹创新工程计划项目（2016KTZDSF04-05-04)

作者简介:陈能远（187-)，男，工程师，在读博士

• 54 •

第44卷第19期

2 0 1 8年7月

山 西建筑

3结果分析

基础面交汇点的距离，其中负数（<0)部分代表钢管埋置基础内 咅P分，纵坐标为钢管应变值。

PLANE STRAIN STRAIN

E-EQUIYALENT, None m +8.003 36e-004 0.1% +47e-004 0.2% +6.669 ' 7.336 58e-004 0.2% +6.002 69e-00' 4 0.3% +5.335 80e-004 0.7% +' 4.668 91e-004 1.2% +4.002 01e-004 1.6% +3.335 12e-004 2.3% +2.668 ' 23e-004 3.3% +2.001 34e-004 4.7% +1.334 45e-004 9.7% +6.675 57e-005 |75.7%^+6.653 99e-008

根据设计参数，树根粧沿基础轴线对称布置，每根树根粧竖向

抗拔特征值取2 50 kN，故在基础顶部施加5 000 kN的竖直向上 的荷载。通过模拟计算，本文将从树根粧地基变形规律、应力、应 变等重要参数方面进行理论分析。3.1

树根桩地基变形规律

模拟计算分两步骤进行，先将基础埋置地基中，计算完毕后 位移清零，再在基础顶部施加5 000 kN的竖直向上荷载。经计 算，树根桩地基变形如图3所示。由基础向地层深部及两侧发 散，位移满足由大变小的规律，最大位移量约2 mm。树根桩为全 长锚固，地基主要变形发生在树根桩中部以上深度范围内。

DISPLACEMENT

T0TALT，m

+2.004 22e-003 °-6% +1.837 20e-003:i2++ 1.50L670 18e-0033 16e-003 ^ +1.336 15e-003 ^ +1.169 13e-003 ^ +1.002 11e-003 ^ +8.350 92e-004 ^ +6.680 73e-004 ^ +5.010 55e-004 2+3.340 37e-004 2+1.670 18e-004 2+0.000 00e+000

图5树根桩地基等效应变云图 18.1 16 . 111 11

(

下部变

树根桩钢管上部应变

图3树根桩地基变形云图

3.2 土体应力与应变分析

由图4树根桩地基应力云图可知，随着竖向荷载的施加，树 根桩基础及周边土体出现了应力集中现象，受基岩物理力学性质 影响，应力集中区主要位于强风化砾岩与强风化砂砾岩中，中风 化砂砾岩相对较小。树根桩的应力集中区约为树根桩桩径的 5倍，由此可以判断，树根桩与土体形成的锚固体有效半径约为树 根桩桩径的5倍。

从图6可知，距交汇点-1.1 m〜6. 0m范围内应变差异明 显。基础可近似看作固定支座，在基础与钢管交汇点附近，而非 接触点，钢管的应变达到了峰值，并沿着钢管两端头逐渐减小，应

变主要集中在钢管2/3〜3/4范围内，说明树根桩的有效支护深 度为桩长的2/3〜3/4范围。4

结语

利用Midas GTS/NX软件，对基岩中树根桩的抗拔性能进行 了数值模拟，通过分析得到以下结论：

1)由基础向地层深部及两侧发散，位移满足由大到小变化规 律。树根桩为全长锚固，地基主要变形发生在树根桩中部以上深 度范围内。2)树根桩与土体形成的锚固体有效半径约为树根桩 桩径的5倍。/基础顶部施加竖向荷载后，基础放大脚两侧及基 础底部明显出现了应变集中现象。4)树根桩与基础交汇点附近 应变达到最大，向桩端两侧逐渐减小。树根桩的有效支护深度为 桩长的2/3〜3/4范围。

101/豐

-2

c0 2 4 6 8 10 12 14 16

测点到钢管与基础交汇点的距离

/m

图！微型桩钢管应变曲线图

图4树根桩地基应力云图

基础顶部施加竖向荷载后，基础放大脚两侧及基础底部明显出

现了应变集中现象(见图5)，这与外部荷载的拖拽作用有关。值得 说明的是，由于数值模拟进行了连续介质假设，导致基础底部应变 集中区较大，实际过程中基础底部与地基土之间的接触面粘聚力较 小，因此该集中区范围应变相应较小，且主要集中在树根桩两侧。 3.3树根桩钢管应变分析

树根桩中的钢管材料最接近各向同性、连续介质假设，因此 选取了钢管作为树根桩抗拔性能研究对象。为了便于分析，分别 沿钢管上部和下部布设了两条应变测线，通过数据提取，得到了 如图6所示的钢管应变曲线图。图6中，横坐标表示测点到钢管与

参考文献：

[1] 黄广龙，方乾，苏荣臻.软土地基微型桩抗拔试验研究

[J]•岩土工程学报，2010,32(11) :1788-1793.

[2] 刘大刚，王明年，庞烈鑫.树根桩在黄土隧道基底加固中的

现场试验研究[J].水文地质工程地质，2008(2) :120-123.[3] Poulos HG, Davis EH. Pile Foundation Analysis and Design.

John Wiley and Sons, New York,1980:20-34.

[4] /owa V A. Pulling capacity of concrete cast in situ bored piles

[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1970(7) ：482-493.[5 ] 魏鉴栋，陈仁朋，陈云敏，等•微型桩抗拔特性原型试验研究

[]•工程勘察，2006(8) :14-19.

Numerical simulation study on anti-f)ulliiig resistance of root pile in bedrock ★

Chen Nengyuan1 2 Li Yang1

&

(1. Electronic Comprehensive Investigation Surveying Institute of Ministry of Information Industry，XV an

2. Chang’ an University, Xi’ an 7QQ00, China)

Abstract ： Through the numerical simulation method, it is studied on the anti pull-out property of the root pile in the bedrock, and analyzed the

rules of deformation，stress and strain of root piles and foundations. It provides a theoretical basis and reference basis for the anti-pulling designof root piles under similar conditions.

Key words： weathered bedrock，root pile，numerical simulation