水泥土加芯抗拔桩集成了预应力与组合桩技术,桩体的构成与传统抗拔桩相比有很大差异,其主体结构由混凝土内芯、预制耐久性桩头和水泥土外芯组成,内置预应力钢绞线。当桩端受到上拔荷载时,首先由预应力钢绞线直接将荷载传递至内芯底端,使混凝土内芯承担主要荷载,这样就将抗拔桩由传统的桩身材料受拉状态转变为了受压状态,有效解决了传统抗拔桩存在的桩身混凝土开裂问题;借鉴组合桩的优势,荷载通过混凝土内芯的侧摩阻力传递给水泥土外芯,再以水泥土外芯为媒介将荷载传递至桩周土中,形成了从内芯至外芯再到桩周土体的多重荷载传递模式,既节约了材料同时提高了桩体的承载力。本文首先介绍了水泥土加芯抗拔桩的构造与施工工艺,然后分两个阶段对水泥土加芯抗拔桩进行了有限元模拟分析一研究了该桩型的荷载传递机理与承载特性,并根据模拟结果提出了进一步的优化改进措施,最后用圆孔扩张理论对水泥土加芯抗拔桩的施工过程进行了分析探讨。论证了水泥土加芯抗拔桩为摩擦桩,其荷载传递具有层次性,通过改变模型参数分析了含芯率、桩径、桩长对承载力的影响,得到如下规律:1.该桩型的荷载传递方式为:从桩顶至桩底、从桩内芯向外芯再向桩周土体的多层次扩散模式。2.在内芯和外围水泥土协同工作前,随着内芯比率的增加承载力逐渐增大,内芯和外围水泥土协同工作后,再增加内芯的比率对提高承载力影响不大;确保荷载按照理想模式传递的关键为桩体内外芯界面摩阻力大于桩土界面摩阻力,从而使得荷载从内向外分层传递扩散。3.在保证内芯与水泥土外芯协同工作的条件下,承载力随着桩长、桩径的增大而线性增加。4.通过从泊松效应以及受力点两方面分析,论证了水泥土加芯抗拔桩的抗拔系数λ相比传统抗拔桩偏大。针对模拟中存在的现象对该桩型的桩体结构进行了优化改进,主要包括改变内芯长度、改变桩底部水泥土体积与强度、改变桩周土体三方面,得到如下规律:1.芯桩长度对抗拔承载力的影响可以分为三类:由于芯桩过短,使得芯桩的侧摩阻力分担的上拔荷载过小,上拔力主要由芯桩上端部的水泥土承担,导致其发生刺入破坏,在发生刺入破坏的芯桩长度范围内,极限承载力随内芯长度的增加而增长;随着芯桩的长度继续增加,使得芯桩的侧摩阻力分担的上拔荷载增大,芯桩上端部对水泥土产生挤密作用,但并未使水泥土发生破坏,最终使得整个桩体在克服桩侧摩阻力后突然拔出,由于芯桩上端部对水泥土的挤密作用,在挤密区域中水泥土与土体间的侧摩阻力相对于未优化前的桩体增大不少,致使最终克服水泥土—土体间的极限承载力大于未优化前的桩体;当芯桩足够长,使得芯桩极限侧摩阻力基本与水泥土与土体间侧摩阻力相等,芯桩上端部应力很小,桩体在破坏前位移变化很小,在达到极限承载力时突然破坏,和未优化前的桩体的荷载—位移曲线趋于一致,承载力差别不大。2.扩大桩底部水泥土体积后,随着c/h的增大,抗拔桩的极限承载力逐渐增大,当c/h增大到一定程度时,再c/h的比值,对芯桩端部水泥土的冲切面积已经影响很小,即c/h存在一个最优值(c为芯桩上端部与扩底上沿的距离;h为芯桩长度)。3.通过不断地优化改进,水泥土加芯抗拔桩可最终采用图3-18的截面形式,扩底部分尺寸、芯桩直径结合工程实际,并采用最优c/h比例,在条件允许的条件下,可以通过增加水泥的掺量或者其他措施增大扩底部分水泥土的强度,或者直接将扩底部分的水泥土改为水泥砂浆,进一步提高芯桩上端部材料的抗冲切能力。