爆扩组合桩基在水平和竖向上拔荷载作用下的有限元分析

摘要

随着社会经济的发展，各种形式的扩底桩得到了广泛的应用。本文在应用桩的爆扩装置专利的基础上提出了一种新的扩充桩型——爆扩钢桩。爆扩钢桩就是以钢桩作为桩的基本构型，利用爆扩装置在施工现场定点爆扩形成爆扩球。与传统的扩底桩不同，爆扩钢桩具有施工周期短、经济效益高等诸多优点，尤其对桩基的水平和抗拔承载力的提高效果显著。目前，爆扩组合桩基稳定性和受力特性研究及其理论分析等方面仍处于探索阶段。因此，对于爆扩组合桩基在不同荷载作用下的变形机理及承载特性开展深入而具体的理论分析和数值计算具有重要的科学意义和工程实用价值。本文采用大型有限元软件ABAQUS进行三维非线性数值分析，采用位移控制的方法，分别对黄土地基中爆扩组合桩基在不同加载模式下的破坏机制及承载和变形特性进行了数值模拟。研究结果表明： （1）在竖向上拔荷载作用下爆扩组合桩的荷载传递路径有两条，一条是桩土接触界面的摩擦力，一条是爆扩球处的桩土正应力，桩基Q-S曲线没有明显的拐点。 （2）水平荷载作用下的组合桩基的Q-S曲线没有明显的拐点，当桩基水平位移达到某一限值时，认为组合桩基发生破坏。 （3）竖向上拔荷载作用下组合桩基各桩的轴力分布均桩顶处最大，随着深度的增加逐渐减小，带爆扩球的组合桩基在爆扩球位置轴力会存在一个明显的突变，尤其在下部爆扩球的位置突变量很大。 （4）不同桩型组合桩基在上拔荷载作用下的承载力差别很大，桩身下部爆扩球的增加会使组合桩基的上拔极限承载力明显增大，对比单球桩基和双球桩基可知在桩身上部增加爆扩球对桩基竖向上拔承载力的提高幅度不大，理论上爆扩球越多桩基抗拔承载力越高。 （5）水平荷载作用下组合桩基在桩身下部增加一个爆扩球对桩基水平承载力的提高是非常明显的，但是上部再增加爆扩球对桩基水平承载力的贡献非常微小，桩径的增大对组合桩基水平承载力的提高是最明显的。 （6）不同桩间距条件下，各种桩型的组合桩基在竖向上拔荷载作用下的承载力非常接近，承载力的微小提高主要是因为桩基承台自重的增加，改变桩间距对各桩型组合桩基水平承载力的提高比较明显。

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