竖向荷载作用下劲性复合桩承载能力研究

张晓东，程子龙，包小华，沈 俊，蘧树清，潘飞超

（1、深圳大学土木与交通工程学院 深圳 518060；2、中铁南方投资集团有限公司 深圳 518054）

0 引言

随着我国东部沿海城市建设的加快，各种类型的复合桩不断应用在工程实际中。其中劲性复合桩结合了水泥土搅拌桩和钻孔桩的优点，既有高强度桩芯承担和传递荷载，又能以大面积的水泥土提供摩擦力，在软土地基处理中得到了大量的应用［1-3］。

国内外众多学者从理论分析、模型试验和数值模拟等方面对劲性复合桩的承载力进行研究。杨涛等人［4］基于等应变假设，结合双层地基固结理论，建立了T 型劲性搅拌桩复合地基固结解析解；李立页等人［5］选取了4个规范的承载力计算方法对一个工程实例进行了对比研究，最后提出了改进的承载力计算公式；任连伟等人［6］基于荷载传递法，考虑水泥土与桩芯界面摩擦、水泥土或芯桩与桩周土体界面摩擦，提出了不同组合形式下的高喷插芯组合桩荷载传递的简化计算方法，并与模型试验结果对比验证了方法的可行性；顾士坦等人［7］基于复合材料力学原理及明德林位移解，分析了劲性搅拌桩芯桩轴向位移和界面应力的分布规律，最后讨论了轴向荷载和水泥土弹性模量对芯桩荷载传递规律的影响；黄银冰等人［8］对在灌注桩周围打设水泥土桩，研究水泥土桩对灌注桩水平承载特性的影响，分析了水平位移与水平力的关系、桩身弯矩变化规律及桩周土压力分布；JAMSAWANG等人［9］对加筋深层水泥搅拌桩进行了桩荷载试验，研究了混凝土桩芯长度和截面积对桩的轴向极限承载力、侧向极限承载力和侧摩阻力的影响；WONGLERT等人［10］结合室内模型试验和有限元模拟，讨论加筋深层水泥搅拌桩在轴压下的破坏行为，结果表明加筋深层水泥搅拌桩的极限荷载和相关的破坏模式主要取决于芯尺寸、芯体积比和深度水泥搅拌桩的强度；李俊才等人［11］通过现场静载试验和应力监测，并结合ABAQUS 软件模拟结果，研究了桩内、外芯荷载的分配及荷载沿深度的传递，分析素混凝土劲性复合桩的承载机理，并与常规劲性桩进行比较；鲍鹏等人［12］采用ANSYS软件建立三维有限元模型，分析了竖向荷载下劲性搅拌桩的桩身应力、位移，讨论了不同芯桩强度和截面含芯率对极限承载力的影响；何杰等人［13-14］对楔形劲性水泥土复合桩进行了室内模型试验，分析了内芯楔角、平均截面含芯率和芯长比对复合桩承载形状、荷载传递状况及内外芯荷载分担情况的影响；王安辉等人［15-16］利用ABAQUS 软件建立了考虑混凝土塑性损伤、桩身结构非线性和桩土相互作用等因素的劲性复合桩三维数值分析模型，通过现场试验结果与数值计算结果对比验证了分析模型的合理性，最后分析了水泥土桩桩径、水泥土桩强度和水泥土桩桩长对劲性复合桩水平荷载及桩身变形特性的影响。

本文以工程实例为背景，对劲性复合桩开展了现场静载试验，并进行了三维有限元数值模拟，结合现场试验结果和有限元模拟结果，分析了竖向荷载作用下劲性复合桩的承载能力，最后讨论了水泥土桩摩擦系数、桩芯截面比、芯桩混凝土强度对劲性复合桩承载能力的影响。研究成果可为劲性复合桩的优化设计提供参考依据。

1 现场静载试验与数值模拟

1.1 现场静载试验

劲性复合桩的桩身分为3部分：外层水泥土桩、中层混凝土芯桩和内层水泥土桩，桩身长度为12 m，其示意图如图1所示。通过在芯桩桩身外侧开槽定线切割并植入U 型光缆，并应用分布式应变传感技术可测得光缆的轴向应变。现场静载试验时在桩顶上部放置了一块承压钢板，荷载通过承压钢板均匀施加在劲性复合桩及桩周土体上，试验开始时从660 kN 开始加载，而后进行分级加载，直至加载到3 300 kN，并分别测量对于荷载等级的光缆轴向应变。由于光缆与芯桩桩身外侧精密贴合，所以光缆的轴向应变也是芯桩的轴向应变，并通过式⑴即可计算得到芯桩的轴向应力：

图1 劲性复合桩示意图Fig.1 Schematic Diagram of Stiffening Composite Pile

式中：σ为芯桩的轴向应力；Ec为芯桩的弹性模量；ε为芯桩的轴向应变。

芯桩的轴向桩身应变和轴向应力分布如图2 所示。可得，劲性复合桩内芯桩轴向应变随深度增加而减小，由于内芯桩身的弹性模量要远大于桩周土体，且内芯桩受顶部荷载后桩身发生压缩，所以图2 中桩身轴向应变几乎为直线下降，且由于桩身底部为全风化花岗岩，所以桩底的轴向应变较小。

图2 数值模拟结果与现场实测的对比Fig.2 Comparison between Numerical Simulation Results and Field Measurement

1.2 有限元数值模拟

为了更方便地分析劲性复合桩的力学特性，利用PLAXIS 3D 软件建立了劲性复合桩三维数值模型。其中芯桩和水泥土桩采用线弹性模型，其模型参数如表1 所示。桩周土体采用了HSS 本构模性，根据现场的地质勘察报告提供的试验数据，并参考王卫东等人［17］的研究成果，综合确定了桩周土体的材料参数，其材料参数如表2所示。模型中设置了界面单元来考虑水泥土桩与桩周土体、芯桩与水泥土桩之间的相互作用。根据桩身荷载的影响范围，模型的计算范围为：深度方向取30 m，水平方向的长宽均取5 m，劲性复合桩的有限元模型如图3⒜所示，整体模型如图3⒝所示。

表1 劲性复合桩的材料参数Tab.1 Material Parameters of Composite Piles with Stiffness

表2 桩周土体的材料参数Tab.2 Material Parameters of Soil around Piles

图3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

从图2⒜可知，桩顶沉降的计算值与实测值较为接近，沉降量的发展趋势一致，在施加的荷载较小时，桩周土体还处于弹性状态，当荷载增大到一定值，桩周土体进入塑性，位移显著增大，Q-s曲线的斜率变大。从图2⒞可以看出，模型计算结果与现场实测结果数值上较为接近，说明该有限元模型能很好地反映劲性复合桩的力学特性。从桩身的轴向应力分布表明，芯桩的桩身应力最大值出现在桩顶，而后随着深度增加近乎呈直线下降。桩底应力仅仅只有桩顶应力的10%左右，由此可知，其桩底土体承担的应力较小，桩顶传递过来的荷载大部分由侧摩阻力承担，其侧摩阻力承担的比例高达90%，因此可认为劲性复合桩是一种摩擦桩。

2 承载能力影响因素分析

2.1 水泥土摩擦系数

由于外水泥土芯桩的存在提高了桩身的表面积，扩大了桩身与桩周土体的接触面积，提供了大量的侧摩阻力，因此，研究劲性复合桩的桩土摩擦性能显得尤为重要。通过调整模型中水泥土的摩擦系数Rinter来讨论不同模型系数下劲性复合桩的力学特性。

图4⒜为不同摩擦系数情况下的Q-s曲线，可以看出，随着摩擦系数的减小，桩顶位移逐渐增大，但增大的并不是十分明显，摩擦系数的改变对劲性复合桩的承载力影响很小。图4⒝所示为不同摩擦系数下的轴向应力分布，可知，摩擦系数越小，桩底的轴向应力越大，桩顶传递过来的荷载开始由底部的土体承担，侧摩阻力承担的荷载比例越小，在摩擦系数Rinter=0.05时，3 300 kN 荷载下，其底部轴向应力已达到10 MPa，此时劲性复合桩由原来的摩擦桩向端承摩擦桩转变，若底部为软土的话，较小的摩擦系数是非常不利的。

图4 不同摩擦系数的Q-s曲线及最终轴向应力分布Fig.4 Q-s Curves and Final Axial Stress Distribution of Different Friction Coefficients

2.2 桩芯截面比

劲性复合桩中高强度芯桩主要起承担荷载的作用，水泥土桩主要提供摩擦，两者共同作用，而合理的桩芯截面比能更好地发挥两种材料的性能，因此研究桩芯截面比对劲性复合桩的工程应用很有必要。保持整个劲性复合桩的面积和芯桩的内径不变，通过改变芯桩的外径来研究不同桩芯截面比对劲性复合桩受力特性的影响。

图5⒜为不同桩芯截面比的Q-s曲线，其中m表示芯桩面积与整个劲性复合桩总面积的比值，可知，随着桩芯截面比的增大，劲性复合桩的承载力不断增大，当桩芯截面比达到0.35 时，再增大桩芯截面比几乎不会提高桩的承载力，此时该桩的承载能力已接近极限值。从以上可知，当桩的承载力足够时，提高芯桩的面积并不提高单桩的承载能力，劲性复合桩存在最优桩芯截面比。图5⒝为不同桩芯截面比的最终轴向应力分布，可知，在3 300 kN的荷载作用下，桩芯截面比越小，其桩顶的轴向应力越大，这主要是因为施加的荷载主要由芯桩承担，芯桩面积越小，对应的轴向应力越大，不同桩芯截面比对桩底应力的影响较小。

图5 不同桩芯截面比的Q-s曲线Fig.5 Q-s Curves and Final Axial Stress Distribution of Different Section Ratios of Pile Cores

2.3 芯桩混凝土弹性模量

芯桩混凝土的弹性模量与劲性复合桩的承载能力密切相关。通过改变芯桩混凝土的弹性模量，研究不同混凝土弹性模量对劲性复合桩受力特性的影响。不同芯桩弹性模量的Q-s曲线如图6⒜所示，曲线显示，芯桩混凝土弹性模量对劲性复合桩的承载力影响很大，混凝土弹性模量为16 GPa的劲性复合桩承载能力是弹性模量为4 GPa的1.83倍。并且从曲线的变化趋势可知，随着荷载的增大，16 GPa 的劲性复合桩承载能力远不止4 GPa 劲性复合桩承载能力的1.83 倍，两者的极限承载力相差非常大。因此，适当的提高混凝土的弹性模量来提高劲性复合桩极限承载能力的效果是十分显著的。图6⒝为不同芯桩弹性模量的最终轴向应力分布，混凝土弹性模量越大，在桩顶位置芯桩承受的荷载越大，水泥土和桩周土体承受的荷载越小，因此弹性模量大的桩其桩顶应力越大，并且因为弹性模量的提高，其桩底的应力也相应增大。

图6 不同芯桩弹性模量的Q-s曲线及最终轴向应力分布Fig.6 Q-s Curves and Final Axial Stress Distribution of Elastic Modulus of Different Core Piles

3 结论

通过对劲性复合桩进行现场静载试验，并利用PLAXIS 3D 软件建立了在竖向荷载作用下的劲性复合桩三维有限元数值模型，结合试验结果与数值模拟结果，讨论了竖向荷载下劲性复合桩的承载能力，得出了以下结论：

⑴芯桩的轴向应力和轴向应变的最大值出现在桩顶，轴向应力和轴向应变随着深度的增加而减小；施加在劲性复合桩上的竖向荷载主要由侧摩阻力承担，只有接近10%左右的荷载能够传递到桩底，因此可认为劲性复合桩是一种摩擦性能较好的摩擦桩。

⑵减小水泥土的模型系数对劲性复合桩的承载能力影响较小，但会影响其轴向应力的分布形式，使得桩底轴向应力增大，使得劲性复合桩由摩擦桩朝着端承摩擦桩转变。

⑶劲性复合桩的承载力并非随着桩芯截面比的增大而一直提高，而是存在一个最优桩芯截面比，其最优桩芯截面比在0.35 左右；芯桩的轴向应力随着桩芯截面比的增大而不断减小，桩底轴向应力受桩芯截面比改变的影响很小。

⑷适当地提高芯桩混凝土的弹性模量可显著地提高劲性复合桩的承载力，芯桩桩底与桩底的轴向应力随着混凝土的弹性模量不断增大。