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《工程與建設雜志》2014年第二期

1抗拔樁受力變形特點及模擬彈簧分析

（1）抗拔樁受力變形分析。抗拔樁是依靠樁側土的摩阻力抵抗上拔荷載，當上部荷載較小時，受樁體彈性變形的影響，樁身上部位移較大，在樁－土荷載傳遞過程中，樁側摩阻力的分布規律為首先在樁上部發揮。隨著荷載的增加，樁身整體位移加大，樁側摩阻力的分布逐漸向樁底方向延伸最終樁身全長范圍內得以發揮。如繼續加大荷載，樁－土變形超過土體的屈服變形數值，樁周土則會出現圓柱體剪切破壞導致抗拔樁失效。由此可得出，隨著地下水位的變化，抗拔樁的受力狀態是不斷變化的，在樁周土體達到塑性狀態之前，抗拔樁提供的抗拔力是隨著樁－土變形的增加而增大的。這就決定了在地鐵車站的整體結構內力計算時，應采用彈簧模擬抗拔樁作為邊界條件。而從整體計算模型的彈簧節點反力則可驗算抗拔樁的設計是否滿足受力及變形的要求。

（2）抗拔樁彈簧模擬分析。由上述抗拔樁的變形受力分析可知，在上拔荷載作用下，抗拔樁變形分為兩部分：樁體自身彈性變形和樁－土變形，所以抗拔樁模擬彈簧包含樁體彈簧和樁－土彈簧兩部分。其中，樁體彈簧只與樁身混凝土彈性模量和抗拔樁截面有關，在具體模型計算時可代入抗拔樁的截面而得出結果，在此不再贅述。樁－土彈簧模型：本模型將樁側土體簡化為眾多獨立的彈簧，如圖2所示，土的參數只需要樁側土的彈簧剛度即可。從樁身脫離取一樁單元，考慮該單元垂直力的平衡可以得出其中，ks為土的剪切彈簧剛度；w（z）為單樁位移量。目前國內規范對土的剪切彈簧剛度未有理論依據，文獻［7］中對單樁中的現場灌注樁（機械成孔）的剪切地基反力系數的計算分別規定為其中，D為樁端直徑（m）；Eo為地基變形系數（kN／m2），當通過標準貫入試驗求得時，Eo＝2500N，但N值很小時，應用其他試驗方法推算；α為對Eo確定方法的修正系數，見表2所列。其中，k為抗拔樁模擬彈簧剛度；ksi為i層土的剪切基床系數；li為抗拔樁在i層土中的長度。

2計算過程及計算結果分析

（1）計算過程分析。抗浮計算工況中僅考慮車站結構自重和上覆路面荷載，頂板上覆汽車輪壓荷載、中板上設備荷載等活荷載均不組合入抗浮計算工況。根據計算，車站主體結構抗浮遠不滿足1．05系數的要求。經與下穿路設計單位協調，可結合下穿路的人行檢修平臺于連續墻上設置壓頂梁，考慮連續墻側土體摩阻力的作用，主體結構滿足1．15抗浮系數的要求。鑒于地下連續墻作為車站主體結構唯一的抗浮構件，所以結構整體計算時將地下連續墻底設置豎直方向的位移約束，僅采用地連墻作為抗浮措施的主體結構位移圖和彎矩圖如圖2所示。由圖2a可以看出，依靠地下連續墻的側摩阻力可以控制車站結構整體的向上位移。但由于車站結構寬度較大，結構中部未采取控制結構變形的措施而產生較大的向上位移，車站底板位移值達到28mm，頂板位移值25mm。根據圖2b中顯示，車站底板呈整體單跨受力，底板中部未出現正值彎矩，底板與側墻相接處產生較大的彎矩值。車站在使用階段時，底板變形過大會影響行車安全，頂板過大的位移會造成上部下穿路路面的變形開裂，影響市政道路的正常使用。經與軌道專業和市政設計單位的討論，軌道專業和市政設計單位要求車站頂板、底板向上變形均不得大于15mm。基于變形限制，首先考慮加大車站結構頂、中、底板尺寸，提高車站結構自重和自身剛度減小車站變形；但過小的頂板覆土造成結構柱無法起到減小底板跨度的作用，車站頂板、底板需加厚至1．8m方可滿足變形和內力要求。經方案優缺點比選和造價分析，最終采用設置抗拔樁控制車站變形，并相應減小主體結構尺寸。

（2）計算結果分析。抗拔樁設計可分為兩個步驟進行設計：首先基于滿足結構位移和受力要求的條件，通過試算初步確定抗拔樁的參數，計算抗拔樁模擬彈簧剛度并帶入車站結構模型進行整體計算得出彈簧節點力；然后通過樁基規范中對于抗拔樁抗拔力的計算公式得出單樁豎向承載力特征值，與之前試算的彈簧節點力進行比較，若抗拔樁豎向承載力特征值大于抗拔樁模擬彈簧的計算節點力，抗拔樁滿足變形及受力要求，反之則需調整抗拔樁的參數。因抗拔樁下部處于中風化泥質砂巖⑤2層中，機械成孔較為困難，為減小施工難度，加快工程進度，采用1．4m等直徑鉆孔灌注樁，設計樁長15m。抗拔樁設置于結構柱下及縱向柱跨的跨中位置。根據表1和（5）式計算得將地基剪切彈簧代入浮力控制工況模型（只組合恒載，不考慮頂板上汽車輪壓荷載和中板、底板荷載），得出的內力及變形圖如圖3所示。根據圖3a顯示，結構最大位移為8．3mm，出現在結構中跨的跨中位置，可滿足容許位移限制。圖3b中顯示抗拔樁處底板出現正值彎矩，但由于抗拔樁與地連墻的剛度差別，柱下彎矩遠小于邊支座彎矩，但結構配筋可滿足內力要求。根據模型計算結果顯示，抗拔樁下的彈簧拉力值為452kN。根據規范中抗拔力公式，結合抗拔樁所處土層進行計算，15m抗拔樁的抗拔力標準值。

3結束語

根據抗拔樁的實際受力機理，借鑒日本的規范公式，得出抗拔樁的剪切彈簧值，代入主體結構計算模型中可得出抗拔樁的實際受力，從而校核抗拔樁是否滿足實際受力要求；且能真實反映抗拔樁在主體結構受力中的作用。對于主體結構與抗拔樁都是較為精確的算法。

作者：朱斌單位：安徽省綜合交通研究院股份有限公司