陈能远 李 阳
(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)
0 引言
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Poulos[3]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：0 m～0.5 m的风积表土，0.5 m～3.0 m的强风化砾岩，3.0 m～9.5 m的强风化砂岩，9.5 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。
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—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1∶1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匀、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。
表1 地层物理力学参数
名称E/MPaμc/kPaφ/(°)表土180.286027砾岩1.2×10-40.2220033砂岩5.4×10-40.2050031砂砾岩9.8×10-40.181 00028混凝土30×10-40.243 00025钢管200×10-40.3——
3 结果分析
根据设计参数，树根桩沿基础轴线对称布置，每根树根桩竖向抗拔特征值取2 500 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，本文将从树根桩地基变形规律、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。
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。
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部分，纵坐标为钢管应变值。
从图6可知，距交汇点-1.1 m～6.0 m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。3)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。
