抗拔桩与主体结构相互作用的三维有限元分析

出的特征。
图５，６为主体结构纵梁和柱轴力图及弯矩图。
计算显示，由于竖向力作用，结构计算最大轴力发
生在底层柱，最大值为６７９ｋＮ，为受压状态。由图
６可以看出，由于在柱之间设置抗拔桩，增加了底
纵梁的竖向约束，减少了底纵梁跨中负弯矩。底纵
梁最大负弯矩为３３７ｋＮ·ｍ，位于柱端。
为查看抗拔桩的受力状态，单独提取抗拔桩单
图８抗拔桩竖向最大主应力云图（Ｐａ）
Ｆｉｇ．８ Ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｕｐｌｉｆｔ ｐｉｌｅ
车站主体结构的受力状态，可清晰反应各结构构件 受力特征和变形情况。
（２）由于底纵梁的刚度大，抗拔桩和底纵梁破 坏时一起失效，并呈整体拔出的特征。
（３）由于抗拔桩的约束作用，底纵梁的最大弯 矩产生在柱端，降低了底纵梁跨中弯矩。
３三维有限元计算
３．１计算模型及荷载边界条件 由于车站围护结构及主体施工期间，基坑范围
内需进行降水和排水措施，不允许基坑内积水，本
＋
１ｒ
●
４．５ ‘Ｐａ ●◆● ◆
－－ＩＤ
．＿
●
●
１ｒ
●一
ｋ
．Ｌ
‘ ｔ ｔ Ｊｒ ｔ ｔ ｔ ｔ 。
图２计算荷载
Ｆｉｇ．２ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏａｄ
图３为计算所采用的三维模型，图３（ａ）为三 维模型透视图，隐去了侧墙和楼板。图３（ｂ）为车 站局部网格划分图，由于抗拔桩采用实体单元，因 此底板单元采用四面体单元，造成抗拔桩附近单元 划分较密。 ３．２计算结果分析
（１）采用三维实体和结构相结合的方式计算
万方数据
２００９年第３期
徐光苗：抗拔桩与主体结构相互作用的三维有限元分析
Ｆｉｇ．６
图６纵梁及柱弯矩图（Ｎ·ｍ）
Ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅ刮ｒｆｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｈｍｍ
图７抗拔桩竖向位移（ｍ） Ｆｉｇ．７ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｐ船ｐｉｌｅ
力及地基反力作用，底板竖向变形向上，并受抗拔
桩和底纵梁约束，见图４（ａ），图中显示底板最大竖
向位移位于底纵梁和边墙中间，最大弹性变形近
７ｍｍ。最大主应力位于抗拔桩与底纵梁接合处，约
为２．３ＭＰａ。由图４（ｂ）还可以看出，由于底纵梁的
刚度较大，抗拔桩的拔力传至底纵梁，将形成明显
的扩散，说明底纵梁和抗拔桩的破坏可能呈整体拔
·收稿日期：２００９４３１－１８（修改稿） 作者简介：徐光苗（１９７８一），男，江西九江人，工程师，博士，主要从事城市轨道交通及市政工程方面的岩土工程设计 与研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｇｕａｎｇｍｉａｏ＠１６３．ｅｏｍ
万方数据
２００９年第３期
２工程概况
斋茗霎毳靠篙嚣篙譬豢裟 徐光苗：抗拔桩与主体结构相互作用的三维有限元分析
考虑实体单元和结构单元相结合的三维有限 元计算方案，可清晰查看结构在空间上的变形、受 力特征，应力传递情况，在结构计算中将有很大的 发展前景。针对本工程，由于主体结构底板受水压
万方数据
地下空间与工程学报
第５卷
图３三维有限元模型及网格划分
Ｆｉｇ．３
Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅｓｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ
元的受力状态。图７为抗拔桩的计算位移云图，图
８为抗拔桩的计算最大主应力云图。图中显示抗
拔桩在和板结合处发生较大的应力集中现象。
４ 结论
随着大量的地下工程建设，遇到结构的抗浮问 题也越来越多。本文结合某深挖地铁车站抗浮设
图４底板及抗拔桩位移及应力图
Ｆｉｇ．４ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｏｓ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｆｌｏｏｒ ａｎｄ ｕｐｌｉｆｔ ｐｉｌｅ
参考文献：
［１］万嘉康，徐云博．抗拔桩应用与研究现状［Ｊ］．岩土 工程界，２００８，１１（３）：５０—５１．（ＷＡＮ Ｊｉａ－ｌ（ａｎｇ，ＸＵ
Ｙｕｎ－Ｂｏ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｕｐｌｉｆｔ Ｐｉｌｅ ［Ｊ］．Ｇ，∞ｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｏｒｌｄ．２００８，１ １（３）： ５０一５１．（ｉｎ ＣＭｎ髓ｅ）） 心 ］ 朱世平，杜高恒，何世鸣，等．抗拔（浮）桩的发展历 程和研究方向［ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程）， ２００７，（５）：５—７，１１．（ＺＨＵ Ｓｈｉ－ｐｉｎｇ，ＤＵ Ｇａｏ－ｈｅｎｇ， ＨＥ Ｓｈｉ·ｍｉｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｐｔｉｆｔ Ｐｉｌｅ［Ｊ］．Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｒｏｃｋ＆Ｓｏｉｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ），２００７，（５）：５—７，１１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 口 ］ 张明义，张健，刘俊伟，等．中风化花岗岩中抗浮锚杆 的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７ （ｓｕｐｐ．１）：２ ７４１—２ ７４６．（ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｙｉ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ．ＵＵ Ｊｕｎ－ｗｅｉ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ａｎｔｉ—
本工程基坑设计采用桩＋内支撑方式，抗拔桩计算 时未考虑主体结构与围护桩的摩擦力。计算荷载 模型如图２所示，各层楼板荷载取值根据《建筑结 构荷载规范》（ＧＢ ５０００９—２００１）（２００６版）取标准 值。为简化计算，突出重点，对车站两端扩大头进 行了简化处理，不考虑板和侧墙开孔，以分析抗拔 桩和结构的共同作用。边界条件采用抗拔桩底部 固定约束，并在结构周边设置部分弹簧，增加结构 的稳定收敛条件。
数取值见混凝土结构设计规范抗拔桩按实配钢筋换算成等截面弹性材料即抗拔桩的弹性模量为图抗拔桩现场施工图车站所处场地原为微丘台地大部分地段地表为风化残坡积土局部低凹地段沉积有冲积一洪积土层或砂层现有场地经平整填筑后地表为混凝土路面地形略有起伏地面标高左右
第５卷第３期 ２００９年６月
地下空间与工程学报 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
计算采用整体有限元模型，本文只考虑了结构 弹性工作条件。板、墙、抗拔桩取实体单元ＳＯＬ－ ＩＤ４５和ＳＯＬＩＤ９２，梁和柱取杆件结构单元 ＢＥＡＭｌ８８。主体结构材料取Ｃ３０砼，相关计算参 数取值见《混凝土结构设计规范》（ＧＢ ５００１０— ２００２），抗拔桩按实配钢筋换算成等截面弹性材 料，即抗拔桩的弹性模量为：
６０５
车站位于广州市环市东路下，沿环市东路东西 布置。车站所在道路交通繁忙，地下管线错综复 杂，两侧建筑物密集，多为高层建筑和多层建筑物。 车站长度１２７．７５ｍ，标准段宽度１９．４ｍ，扩大头段 宽度２１．７ｍ，车站埋深约２６．８ｍ，为地下四层单柱 双跨箱形混凝土结构，采用明挖作法施工（见图 １）。
图５纵梁及柱轴力图（Ｎ）
Ｆｉｇ．５ Ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅａｒｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｌｕｍｎ
计问题，采用三维有限计算模型，在实体单元和结 构单元相结合基础上，分析研究了某深挖地铁车站 抗拔桩受力特性，为工程设计提供依据。根据目前 施工完成情况来看，采用本文的分析结果进行的抗 浮设计系统是可靠的。主要结论如下：
ｐｉｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎ，Ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ，Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｔｅｒ—ｓｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｄｅａｄｗｅｉｇｈｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｌａｗｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｆｌｏｏｒ－ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｅａｒｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｐｈｆｔ ｐｉｌｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．
ＸＵ Ｇｕａｎｇ．ｍｉａｏ Ｉ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏ．Ｌｔｄ．．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００１０－Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｓｔａｌ ａｒｅａｇ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ。ｔｈｅ ｕｐｌｉｆｔ ｐｉｌｅｓ ａ舱ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ａｇ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｆｌｏａｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｕｐｌｉｆｔ ｐｉｌｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉ— ｂｕｔｉｏｎ。ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈａ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐ－ ｌｉｆｔ ｐｉｌｅ ｉｎ ａ ｄｅｅｐ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐｌｉｆｔ
车站所处场地原为微丘台地，大部分地段地表 为风化残坡积土，局部低凹地段，沉积有冲积一洪 积土层或砂层；现有场地经平整、填筑后，地表为 混凝土路面，地形略有起伏，地面标高１６．６０ｍ左 右。车站范围内上覆土有：人工填土层＜Ｉ＞、冲积 ～洪积粉细砂层＜３一ｌ＞、冲积一洪积中粗砂层＜ ３—２＞、冲一洪积粘性土层＜４—１＞、可塑状残积 土粉质粘土层＜５一ｌ＞、硬塑一坚硬状风化残积土 粉质粘土层＜５—２＞、全风化岩层＜６＞、强风化岩 层＜７＞、中风化岩层＜８＞、微风化层＜９＞。
Ｖ０１．５ Ｊｕｎ．２００９
抗拔桩与主体结构相互作用的三维有限元分析＋
徐光苗
（广州地铁设计研究院有限公司，广州５１００１０）
摘要：由于沿海地区地下水位埋藏较浅，常常设计抗拔桩作为地下结构的抗浮措施，而 抗拔桩设计最关键的问题为桩的受力状态、承载力以及和主体变形协调的问题。结合广州市 某深挖地铁车站抗拔桩设计实际情况，采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，建立了车站主体结构和 抗拔桩共同作用的计算模型，进行了车站主体结构与抗拔桩的三维有限元计算。分析研究了 在水土各项压力及自重作用下，车站抗拔桩的抗浮应力及变形特征，并着重研究了车站底板、 Ｅ，Ａ， Ａ，
２×１０５×３４×１２５６．６ ３．１４１６×６５０２
＝６４３８ＭＰａ
（１）
２０ｋＰａ
Ｊ７
６ｋ】 ，ａ
＋ｒ ● ● ◆ ＋ ◆
１
◆ ● 廿 １
３ｋＩ ａ
—■ ｒ
●
●
◆
●
◆
｝ ◆
●
１
图１抗拔桩现场施工图
Ｆｉｇ．１ Ｓｉｔｅ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｐｌｉｆｔ Ｐｉｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｐｌｉｆｔ ｐｉｌｅ；ｓｕｂｗａｙ；ｆｉｎｉｔｅ ｄｅｍｅｎｔ；ｍａｎｕａｌ ｄｉｓｓｉｎｓ ｐｉｌｅ
１ 引言
由于地下结构验算自重抗浮不能满足要求或 由于上部结构传递荷载引起基础部分受拉，通常需 要进行抗浮或抗拔设计，其中抗拔桩是抗浮设计常 见的型式之一。常见的抗拔桩有钻孔灌注桩、高强 度预应力管桩（ＰＨＣ）、树根桩【Ｉ—Ｊ、抗浮型锚杆桩 等【３。４ Ｊ，当工程地质条件较好的情况下也常用人工 挖孔桩作为抗拔桩。钻孔灌注桩作为抗拔桩最早
采用的是等截面设计，但ｔｌ ２０世纪９０年代以来， 由于技术设备的改进，扩底桩作为抗拔设计得到 广泛应用，学者们也作了大量的分析和研究Ｈｑ Ｊ， 但大部分的研究主要针对抗拔桩和围岩的相互作 用及承载力特性研究方面，而对主体结构与抗拔桩 的共同作用研究甚少。本文以广州某深挖地铁车 站为工程背景，采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，进行 车站主体结构与抗拔桩的三维有限元计算，分析研 究抗拔桩与主体结构相互影响的内力、变形特征。
根据选取车站标准横断面进行结构抗浮计算， 车站自重和竖向荷载不能满足抗浮设计要求，故需 进行抗浮设计。抗浮设计采用人工挖孑Ｌ扩底桩作 为抗拔桩，桩径１．３ｍ，扩底直径２．０ｍ，桩长６．１ｍ， 基本位于微风化地层以下，单根桩抗拔力设计值 ６０００—７ ２５０ｋＮ。抗拔桩设置在柱网下，每个柱跨 布两根抗拔桩，并沿纵向一排布置。
关键词：抗拔桩；地铁；有限元；人工挖孔桩
中图分类号：Ｕ２３１＋．４
文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—０８３６（２００９）０３一０６０４一０４
Ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＦｉＩｌｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｐｌｉｆｔ Ｐｆｉｅ
ａｎｄ ｔｈｅ Ｍｅｔｒｏ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ