史学明，吕 渊，丁潜生

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.恒大地产集团安徽公司，安徽 合肥 230061)

0 前 言

大直径扩底桩具有承载力高、变形小、质量易控制、施工简单方便等优点，常作为高层建筑、公路桥梁等荷载较大工程中的桩型首选。目前超高层建筑中扩底桩设计承载力较大、桩型尺寸较多、土质变化不均、静载荷试验桩数有限且试桩工期较长、耗时费力、经济效果不理想，因此，建立相同工况下的计算模型，采用有限元数值分析手段对桩基极限承载力进行研究是十分必要的，以期满足实际工程的需要。

扩底桩竖向承载特性的研究备受专家、学者青睐，黄广龙等[1]通过静载荷试验测试研究了扩底桩和等直径桩的荷载-沉降特性，发现扩底桩更能发挥持力层的承载潜力，减少桩体沉降效果显著。蒋建平等[2]通过现场试验与有限元模拟相结合对扩底桩、楔形桩、直桩等桩基单位体积承载力

进行研究，发现扩底桩扩底直径、直桩桩径除特殊情况外，不宜过大。胡庆红等[3]通过静载荷试验研究了扩底灌注桩和普通灌注桩承载特性和传荷的异同。高广运等[4]通过三维非线性差分数值模型分析了持力层厚度、桩端入持力层深度和软弱下卧层对扩底桩竖向承载性状的影响。包晓红等[5]对扩底桩和等直径桩进行静载荷试验和模拟，发现同工况下扩底桩极限抗压承载力为等直径桩的1.59倍，桩端扩底可提高桩基承载力，具有较好的经济性。

1 现场静载荷试验

选取淮南市某小区6#楼人工挖孔扩底嵌岩桩为研究对象，现场静载荷51#试桩桩径d=0.9 m，扩底直径D=1.4 m，桩长H=10.0 m(等直段长Hi=9.2 m，扩底高度Hh=0.8 m)，桩身选用C35混凝土。由现场地质勘探报告知，场地自上而下主要土层分布为粉质黏土层、强风化岩层、中风化岩层，桩端持力层③-3中风化岩层，试桩周围土层分布及桩基剖面如图1，桩周土层参数如表1。现场静载荷试验照片如图2所示，51#试桩加(卸)载荷载-沉降结果见表2。

图1 土层分布及扩底桩剖面图

图2 现场静载荷试验图

表1 各土层主要物理力学性质

表2 现场51#试验桩荷载-沉降数据

2 竖向受荷桩基承载特性分析

2.1 模型建立

竖向受荷下，人工挖孔扩底嵌岩桩按二维平面轴对称问题分析，根据试算，地基土的计算范围竖直方向取桩端向下扩展1倍桩长，水平方向取20倍桩径；土体选用Mohr-Coulomb模型，土体参数取现场各地层土质物理力学参数；桩体选用Elastic模型，弹性模量取3.15×107kPa，泊松比取0.2，重度为25 kN/m3。

边界条件设定为土体底部施加水平和垂直两个方向的位移约束，模型两侧约束水平方向的位移。桩和土均采用四节点双线性轴对称四边形单元(CA4X)单元，模型网格划分如图3所示。

图3 扩底桩数值模型网格划分

2.2 模型验证

在桩顶施加-0.015 m竖向位移，进行桩基竖向受荷模拟，作出Q-S曲线并与现场静载荷试验结果对比，如图4所示。

图4 数值模拟与现场试验对比曲线

将数值模拟与现场试桩所得的Q-S曲线进行对比分析[6]，结果显示曲线吻合度较高，因此，本文选取的参数与建立的模型是合理的。

2.3 计算结果分析

对于扩底桩，可取桩顶沉降S=0.04 m或S=0.05D(D为桩端直径)所对应的荷载值作为单桩抗压极限承载力[7]。本文结合工程设计与现场施工实际选取桩顶沉降量s=0.02 m对应的承载力进行研究。

在上述模型建立的基础上，分别研究桩长、桩径、扩底直径等对扩底嵌岩桩竖向抗压承载性能的影响。

2.3.1 桩长对承载力影响分析

在桩径d=0.9 m，扩底直径D=1.4 m，扩底高度Hh=0.8 m，桩长H=8、10、12、14、16、18 m等6种工况下，分析桩长对扩底嵌岩桩竖向抗压承载性能的影响。桩长变化时，各桩基桩顶沉降量随荷载变化的Q-s曲线见图5。

图5 不同桩长时各桩Q-s变化曲线

桩顶沉降s=0.02 m时各桩基对应的竖向抗压承载力如图6所示。

图6 不同桩长桩基竖向抗压承载力曲线

从图6中可知：桩长分别为8、10、12、14、16、18 m时，竖向抗压承载力分别为17 048.4、18 285.1、20 722.4、23 055.0、24 999.0、26 420.2 kN，分别较前一桩长承载力提高7.25%、13.33%、11.26%、8.43%、5.69%。桩长为10～14 m时，桩基竖向抗压承载力增幅较大，当桩长超过14 m时，桩基竖向抗压承载力增幅明显变缓。由此可知，桩长为10～14 m时，桩基竖向抗压承载力发挥效应最大。桩长过长时，可能会影响桩基屈曲稳定和结构强度，因此，一味地通过提高桩长来提高桩基竖向抗压承载力是不经济的。

2.3.2 桩径对承载力影响分析

在扩底直径D=1.4 m，扩底高度Hh=0.8 m，桩径d=0.5、0.7、0.9、1.1 m时，分析桩径对扩底嵌岩桩竖向抗压承载性能的影响。桩径改变时，各桩基桩顶沉降量s=0.02 m时对应的桩基竖向抗压承载力变化曲线如图7所示。

从图7中可知：桩径越大，同一桩长下的桩基竖向抗压承载力越大，随着桩长增大，桩径对桩基抗压承载力的影响越明显且逐渐呈线性增长。因而，在桩长较长时，通过增加桩径来提高桩基竖向抗压承载力较桩长较短时更为经济、有效。

图7 不同桩径桩基竖向抗压承载力曲线

2.3.3 扩底直径对承载力影响分析

桩径d=0.9 m，扩底高度Hh=0.8，扩底直径D=0.9 m(等直桩)、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.7 m，即扩底端侧面斜率α=0、0.25、0.3125、0.375、0.4375、0.5时，分析扩底直径对扩底嵌岩桩竖向抗压承载性能的影响。扩底直径改变时，各桩基桩顶沉降量s=0.02 m对应的桩基竖向抗压承载力变化曲线如图8所示。

图8 不同扩底直径桩基竖向抗压承载力曲线

从图8中可知：桩长H=8 m，扩底直径D=0.9(等直桩)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m时，各桩承载力分别为12 608.5、15 955.9、17 048.4、18 169.5、19 199.1、20 242.4 kN，分别较同长等直桩承载力提高26.55%、35.21%、44.11%、52.27%、60.55%；桩长H=18 m，扩底直径D=0.9(等直桩)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m时，各桩承载力分别为25 519.6、26 239.3、26 420.4、26 589.0、26 719.4、26 790.9 kN，分别较同长等直桩承载力提高2.82%、3.53%、4.19%、4.70%、4.98%。

扩底端侧面斜率α在0.25～0.5变化时，随扩底直径的增大，桩基抗压承载力呈线性增长。但桩长较大时，扩底直径对桩基抗压承载力的影响逐渐变小。因而，在桩长较长时，过分地通过增加扩底直径来提高桩基抗压承载力是不经济的。

3 结 论

通过现场静载荷试验及数值模拟计算与分析，可以得出结论如下。

1)运用ABAQUS有限元软件对淮南市某小区超高层建筑人工挖孔扩底嵌岩桩基进行数值模拟分析，将模拟结果与现场静载荷试验所得结果对比分析，佐证了文中参数选取和模型建立较为合理、可行。

2)大直径扩底嵌岩桩的竖向抗压承载力随着桩长的增加而显著提高。在桩长为10～14 m时，桩基竖向抗压承载力增幅尤为显著，当桩长大于14 m时，桩基竖向抗压承载力增幅逐渐变缓。

3)增大桩径有利于桩基竖向抗压承载力的提高。桩长较大时，桩径增大对桩基抗压承载力的提高效果更为明显。在桩长较长时，通过增加桩径来提高桩基竖向抗压承载力较桩长较短时更为经济、有效。

4)增大嵌岩桩扩底直径有利于提高桩基竖向抗压承载力，但桩长较长时，桩身所承担的荷载增大，传到桩端的荷载随之减小，扩底直径的增大对提高桩基竖向抗压承载力的作用变缓。因此，在桩长较长的情况下，过分增大扩底直径来提高桩基竖向承载力是不经济的。

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