马朝阳1 赵玉成1 李占岭2 韩水清1
1.石家庄铁道大学土木学院 河北石家庄 050043;2.河北省电力勘测设计研究院有限公司 河北石家庄 050043
摘要: 随着我国国内电力行业杆塔基础发展的不断加快，对于新型杆塔基础的开发和利用呈现良好的发展势头。本文在传统输电线路微型桩的基础上进行了改进，提出了一种新型的钻孔微型桩基础形式。通过采用PLAXIS有限元的方法，将桩土物理参数数值化，并变化桩体几何构造和群桩桩间距等条件，研究了新型微型桩基础的承载力性能。从而，得到了临界桩长的标准值、桩体的最佳倾斜角度和新型钻孔微型桩的桩间距，为今后设计人员进行杆塔基础设计时提供了更为丰富的基础形式选择。
关键词：新型微型桩；承载力；影响因素；PLAXIS
一、引言
传统的微型桩基础一般指桩径小于400 mm，长细比大于30，通过钻孔，在孔中下入设计所要求的钢筋笼和注浆管，采用压力灌浆构造的小直径桩。由于输电线路工程中微型桩的应用历史比较短 ,没有成熟的计算理论,施工过程的参数也无相关规范的定义，现场施工随机性大，且目前国内微型桩基础施工方法过于传统，施工步骤繁琐，成本偏高。新型钻孔微型桩基础在传统微型桩的基础上，利用一根螺旋钢筋来代替传统的制作钢筋笼的施工方法，达到减少工程造价和缩短工期的效果，同时新型钻孔微型桩基础的提出也为输电线路杆塔基础的选取和施工提供了一个参考。
传统意义上，对建（构）筑物基础考虑较多的是抗压荷载，对承受上拔及复杂荷载的研究相对较少。就基础因承受上拔荷载而破坏来说，涉及到要考虑的问题有地基承载变形、桩几何参数选取及现场施工等。针对新型钻孔微型桩几何参数的研究，采用PLAXIS有限元程序来分析单桩、群桩基础抗拔、抗压承载力情况，以期确定新型微型桩几何参数的合理取值范围。
二、新型钻孔微型桩结构构造
本文简化了桩的结构，如图1所示。根据桩基础规范中对于微型桩基础构造的要求，微型桩的直径（即D）应小于400mm，L/D应大于30。本文所说的新型微型桩结构在传统的基础上用一根螺纹钢筋来代替传统微型桩钢筋笼的施工构造，钢筋直径为图中d。
图1 新型微型桩几何参数
注：d-单根螺纹钢筋直径；D-微型桩直径；L-有效桩长
二、有限元建模及参数设定
针对新型钻孔微型桩基础的特点，本文利用PLAXIS有限元程序对新型钻孔微型桩的桩长，桩身倾角以及群桩的桩间距等问题进行分析和讨论。PLAXIS有限元程序建模过程中将桩等效为梁单元，土体选取摩尔一库仑土体力学模型为本构模型，通过在桩体与土体之间设置接触面单元来模拟桩与土之间的相互作用。
建模过程中土体模型所取参数数值见表1。
表1 土体模型取值参数
名称E/MpaΜC/kpa/(°)/(°)
土体100.310.9300.1
三、计算结果分析
（一）桩长对单桩承载力的影响
根据桩基础规范可知，通常情况下要求微型桩基础直径小于400mm，长细比大于30。为了能够取得更理想的长细比取值范围，我们分别取桩长为10m， 13m，15m的新型微型桩进行建模分析，得到三组不同桩长的单桩抗拔荷载位移曲线，从图2中可以看出，在一定范围内，新型微型桩基础的抗拔能力随着桩长的增加而增大。（本文微型桩单桩直径取为152mm，螺纹钢筋直径为38mm）
图4 不同倾角的单桩有限元模型
从图5中可以看出，随着新型微型桩的倾角从0°增加到12°时，抗压承载能力逐渐增强；然而，当桩身倾斜角度从12°增加到18°时，其抗压承载能力急剧下降，表明单桩的抗压承载力存在最优倾斜角度。当桩身倾斜角达到最优时，单桩抗压承载力达到最大。
图6不同桩间距的群桩有限元模型
通过使用群桩效应系数公式，即群桩效应系数=群桩中的基桩平均抗拔承载力/单桩抗拔承载力，求得各个桩间距的群桩模型在达到位移20mm时所对应的基桩抗拔承载力。
图7 不同桩间距的群桩效应系数
图7为在不同桩间距条件下微型群桩效应系数的分布规律，随着桩间距的逐渐增大，群桩的群桩效应系数逐渐增大，表明群桩中各桩的相互影响越来越小，可以认为，桩间距的增加可以在一定程度上提高微型桩群桩上拔承载力。考虑到施工的方便性，施工场地尺寸的影响，避免施工过程中相邻桩的影响，建议将新型微型桩的桩间距取为4d（即桩径长度的4倍）。
四、结论
（1）在桩基规范中，微型桩直径不应超过400mm，长细比应大于30。但新型钻孔微型桩存在比较理想的临界桩长，合理桩长大约在80D左右。
（2）对于新型钻孔微型桩来说，单桩的抗压承载力存在最优倾斜角度，结合现场施工场地和机具的要求，桩身倾斜角度宜取为12度。
（3）对于新型微型群桩基础，适度增加桩间距可以在一定程度上提高群桩的抗拔承载力，综合施工场地占地面积和施工便利的要求，建议新型微型桩的桩间距宜取为4d。
参考文献：
[1] 吕凡任,陈仁朋,陈云敏等.软土地基上微型桩抗压和抗拔特性试验研究[J].土木工程学报,2005,38(3) : 99-105.
[2] 屈勇.输电线路微型桩基础承载性能的数值模拟[J].电力建设,2011,32(2): 59-61.
[3] 龚健.软土地基中杆塔微型桩基础的性状研究[D].浙江:浙江大学,2004.
[4] Liew Shaw Shong,Fong Chew Chung, M.Lasagna.Design and Constrction of Micropiles[J].Journal of civil engineering ,2003,9(2):27-33.
作者简介：马朝阳（1992-），男，汉，河北唐山，硕士在读，单位：石家庄铁道大学，单位邮编： 050043，研究方向：岩土工程
论文作者:马朝阳1,赵玉成1,李占岭2,韩水清1
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/20
标签：承载力论文; 钻孔论文; 间距论文; 桩基础论文; 直径论文; 钢筋论文; 杆塔论文; 《防护工程》2018年第32期论文;