竖向荷载作用下的钻孔灌注长桩单桩承载变形特性分析

邱锋卢献国

摘要：桩基础己成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海上石油平台等采用的主要基础形式，而且随着工程的需要，人们在桩的施工技术、桩型的开发应用和设计理论方面又不断研究探索，使桩基技术得到蓬勃发展。近些年来，我国每年设桩数量超过一千万根。

关键词：竖向荷载；钻孔灌注；长桩单桩；承载变形

Abstract: The pile foundation has become the main basis in the form of high-rise buildings, large bridges, deep-water wharf and offshore oil platforms, and along with the needs of the project, the construction technology of the pile, pile development and application of design theory, continue toresearch and exploration, pile technology to flourish. In recent years, China''s annual number of established pile more than ten million.

Key words: vertical load; bored; long Pile; bearing deformation

中图分类号: U443.15+4文献标识码：A文章编号：

一、单桩荷载传递机理

桩的作用是将上部荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到土层中去，使应力得到扩散。作用在桩顶的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受。桩侧摩阻力将荷载以剪应力形式传递给桩周土体，桩端持力层受桩端荷载和桩侧荷载共同作用而产生压缩变形导致桩基产生沉降，同时在竖向荷载作用下由于桩身的压缩也使桩顶产生沉降。因此，正确评价单桩在竖向荷载作用下的承载力和沉降，必须研究单桩在竖向荷载作用下的荷载传递机理。

（一）桩土间的静力平衡

单桩承载力一般取决于桩周岩土对桩的阻力，土对桩的阻力由两部分组成，其一为桩侧阻力，其二为桩端阻力。根据静力平衡条件，桩顶荷载Q与桩侧阻力Qs和桩端阻力Qb，之间的关系为Q=Qs+Qb。

（二）桩土体系荷载传递的过程

桩顶在轴向压力作用下，桩身将发生轴向弹性压缩，桩身的压缩变形使桩土之间产生相对位移(或相对位移趋势)，从而导致桩侧土体对桩产生向上的摩阻力。由于桩侧摩阻力的作用桩身轴力和桩身压缩变形随深度衰减。随着荷载的增加，桩身压缩量和位移量不断增大，桩身下部的摩阻力逐步发挥出来，桩底土层也受到压缩而产生端阻力，桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩侧摩阻力进一步发挥出来。当桩侧摩阻力达到极限值后，若继续加载，其荷载增量将全部由桩端阻力分担。最后由于桩端持力层的不断压缩，桩顶的位移增长速率明显增加，直至桩端阻力达到极限，桩顶的位移急剧增大而破坏，此时桩所受的荷载就是桩的极限承载力。通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将的上部结构的荷载扩散传给了桩侧和桩端的土中。桩侧阻力和桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载传递的过程。

二、桩侧阻力的分析研究

（一）桩侧阻力的发挥特性

长桩桩侧摩阻力发挥，随着加载过程，首先是桩身上部桩侧摩阻力最先发挥;接着是中部侧摩阻力逐步发挥;但是，桩下部摩阻力发挥未必能充分发挥。显然，桩身下部的侧摩阻力发挥与桩结构特征和边界条件有关。此外，桩侧摩阻力分布不仅与荷载水平有关，土层性质对其也有直接影响，尤其是桩侧极限摩阻力的大小。

1.实测桩侧摩阻力不同于理想状态下的摩阻力分布

不同位置桩侧摩阻力的分布趋势是相同的，呈抛物线型分布。同时不同土)丢的桩侧摩阻力的变化趋势也是相同的。一长桩由于其一长度大，穿过的岩土的厚度大，层数多，所以有必要对特性各异的岩土层分别分析，弄清楚各岩土层对桩承载力贡献的大小，为做到这一点，先划分出层组，再在层组中找出优势层(持力优势层、敏感优势层)。持力优势层一一指力学性质好、承载力大、厚度稳定且深度适宜可作为持力层的地层(即硬层);敏感优势层一一指力学性质软弱、易液化、承载力小、厚度稳定的地层(即软土层、液化土层)

2.桩身摩阻力出现退化现象

桩侧摩阻力沿桩身一定深度范围内，随着深度呈非线性增长，这一趋势直至深度为25m左右，再往下，桩侧摩阻力不再增加。

3.桩端附近局部区域的侧摩阻力的分布呈典型的“R”形从理论上讲，桩的侧摩阻和端阻均是桩土相对位移的函数。当位移较小时，侧摩阻力沿桩身的分布曲线呈典型的上大下小的倒葫芦形。但是，由上图可知，桩阻抗的发挥和实际分布要复杂得多。当荷载较大时，桩端附近局部区域的侧摩阻力的分布呈典型的“R”形。这是因为桩的侧摩阻和端阻间一般存在着相互影响和相互制约的关系，当桩的荷载较大时，则位移较大，桩的端阻就会在桩的总阻抗中占据相当重要的地位并且明显地增强桩的侧摩阻。

在外荷载作用下，桩身向下运动使桩端土层产生压缩，桩的端阻得以产生和发挥，桩端土的压缩超过一定限度后会在地基中形成剪切滑动面。由于桩基础埋置较深，故滑动面不会延伸到地面，又因为桩的对称性，所以滑动面应是轴对称的。通过桩轴线的任一截面所截得的图形可以取为梅耶霍夫在求解深基础的极限承载力时所取用的破坏图式。

（二）桩侧阻力的影响因素

影响桩侧阻力的因素很多，并且比较复杂，包括桩的设置方法、桩周土性质、桩土相对位移、桩径、桩土界面条件、桩端条件、桩身刚度、施工工艺等等。

1.桩周土的性质

桩周土的性质是影响桩侧摩阻力最直接的决定性因素。一般而一言，桩周土强度越高，相应的桩侧阻力就越大。由于桩侧阻力产生自桩土界面的摩擦特性，因而侧阻力实际是通过桩周土的剪切变形来传递的，其值大小与土的剪切模量有关。对于粘性土，液性指数直接影响到桩侧阻力的大小，在其它条件相同的情况下，液性指数越小，桩侧阻力就越大;对于砂性土，密实程度是影响桩侧阻力大小的决定因素，密实状态下的桩侧阻力明显比疏松状态下大。

2.桩土相对位移

桩土之间产生相对位移(或产生相对位移的趋势)是侧阻力发挥的前提条件，随着荷载的增加，桩土相对位移不断增加，侧阻力呈现从上至下逐步发挥的过程，当荷载较大时，桩侧摩阻力却不再增加而趋于基本定值，即桩侧摩阻力达到极限值时，其所对应的桩土相对位移被称之为临界位移。发挥桩侧阻力所需桩顶相对位移趋于定值的结论，是Whitaker(1966)、Reese(1969)等根据少量桩的试验结果得出的。随着近年来大直径灌注桩应用的不断增多，对大直径桩承载性状的认识逐步深化。就桩侧阻力的发挥性状而言，大量测试结果表明，发挥极限侧阻所需桩顶相对位移并非定值，与桩径大小、施工工艺、土层性质及分布位置有关。

3.桩土界面条件

桩土界面特征是埋设于土中的桩与桩周土接触面的形态特性，对于预制桩和钢桩，桩土界面特征主要取决于桩表面的粗糙程度。对于钻孔灌注桩，桩土界面特征一般表现为孔壁的粗糙程度，而这与桩周土层的性质和施工工艺有关，一般情况下不带套管的钻孔灌注桩，其桩身非常粗糙，其侧阻力相对较大。

（三）桩端阻力发挥特性

随着荷载的增加，桩端阻力才逐渐得以发挥，但是对于粘性土中的长桩，如下图所示，其端阻占总阻力的比例是极小的，90%以上的荷载均由侧摩阻力承担。随着桩侧阻力的增大，桩端阻力也有所增强。这是因为，桩侧土体的力学性质越好，对桩的约束作用越强，桩侧抗剪强度和水平应力都将增大，当桩向下运动时，将会带动桩身附近一个更宽的带状受力区向下运动，山此会在桩端断面上产生更大的附加应力，导致桩端下土层将受到更大的垂直应力，桩端承载力将会增大。因此侧阻的增强，有助于端阻的强化。

三、钻孔灌注桩单桩荷载

在实际工程中，桩基础通常由一群桩组成，在上部荷载作用下的群桩基础的沉降是由单桩沉降作为基本单元构成的。人们关心单桩沉降问题有多方面的原因。首先，从以往的研究工作中，己经建立了群桩与单桩的沉降之间的一些关系，如以弹性连续介质理论为基础的群桩与单桩沉降的理论关系，或者根据现场试验、室内试验得到的这两者的关系。利用这些关系以及单桩沉降，在某些特定的土质与地层剖面条件下可以估计群桩基础的沉降。其次，在进行群桩基础内力分析时，需提供单桩轴向刚度的数据，而单桩轴向刚度的确定往往依赖于单桩沉降分析。第三，近年来，随着桩施工工艺与打桩机具设备的迅速发展，大直径钻孔桩和高承载力打入桩的使用更加广泛，在工程实践中采用单桩结构的情况日趋增多，这时单桩沉降计算就是一个实际工程问题。单桩受到荷载作用后，其沉降量由下述三个部分组成：1.桩本身的弹性压缩量;2.由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降;3.由于桩端荷载引起桩端下上体压缩所产生的桩端沉降。

四、钻孔灌注桩承载性状的数值模拟研究

随着近代计算技术的发展和电子计算机的广泛使用，有限单元法也被应用到桩基分析中。有限单元法就其本身来说，己是相当成熟，功能很强。在桩的分析方面，用有限单元法能有效地考虑土的非线性、非均匀性以及桩土界面特性等，甚至还能用来分析土固结的时间效应和荷载的动力效应。影响单桩承载性状的因素很多，并且很复杂，比如泥浆、桩土界面条件、桩身混凝土强度、泥浆的物理力学性状等，用理论方法进行分析，其计算量是相当庞大的，甚至是无法计算的。这就凸显了有限单元法的优势。

对长/超长钻孔灌注桩承载性状和沉降的影响因素较多，除了桩侧土层性质、桩长、桩径之外，桩侧泥皮厚度、桩土界面条件以及泥浆物理力学性状等，也是不容忽视的因素。这些因素由于其复杂性，研究的成果并不多，但却在施工工艺和技术上可以进行改善，因此，深入研究这些因素对桩承载性状和沉降的影响，对于提高长/超长钻孔灌注桩的承载力、减小沉降有着重要的意义。

（一）计算分析模型

1.基本假定

(l)模型采用平面轴对称问题进行分析;(2)桩身混凝土采用线弹性模型，混凝土泊松比取0.2，弹性模量取3.0*107kPa。土体为弹塑性材料，服从Mohr-Cou10mb屈服准则;(3)桩土界面设置接触面单元，模拟泥皮;(4)认为桩周土和泥皮均为均质材料，桩周土强度不随深度变化。

2，几何模型与边界条件

理论上，模型区域选取得越大，计算精度越高，但是计算区域越大，计算时间越大，费用就越昂贵。同时考虑到土体剪切变形的影响范围，桩周土取30倍的桩径，桩端以下取一倍桩长。计算区域底端有水平向和竖向的位移约束，左侧和右侧边界都有水平向的位移约束。

（二）泥皮对不同土性中的桩的影响

在我国，桥梁的桩基础大多采用泥浆护壁钻孔灌注施工法，该技术己经相当成熟，并有着丰富的实践经验。但是泥浆的使用在桩和桩周土间形成承载力很低的“泥浆夹层”，即泥皮。

张忠苗通过室内试验发现，与桩间土相比，桩侧泥皮具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、摩擦力低、抗剪强度低等特点，桩侧泥皮形成了桩土之间的薄弱层。

文献指出大口径灌注桩泥皮厚度一般在1-5cm左右。正常施工的桩泥皮厚度较薄，泥皮固结硬化充分，含水量低，抗剪强度较高。桩受力后，桩侧剪切面发生在靠近桩表面的土体中，桩侧土层侧阻能得到正常发挥。当泥皮厚度较大时，泥皮硬化不充分，抗剪强度较低，桩土剪切破坏面将发生在泥皮与土体的接触面或泥皮中，侧阻充分发挥所需的桩土相对位移加大，同时剪切面也易发生滑移，侧阻损失而降低，桩侧土层强度不能得到正常发挥。

从普通桩与泥皮桩的极限荷载承载力可以看出，泥皮对单桩承载力影响明显，考虑泥皮效应时，单桩极限承载力比普通桩小，淤泥质土和粘土考虑泥皮厚度后单桩极限承载力为不考虑泥皮单桩极限承载力的76%。而砂质粉土由于其泥皮性质与桩间土相似，因此考虑泥皮厚度后单桩极限承载力降低的幅度要小一些，为不考虑泥皮单桩极限承载力的89%。考虑泥皮后，最大桩侧摩阻力大大降低，约为普通桩桩侧摩阻力的70%-85%。

4.3.3泥浆物理力学性状的影响

桩侧泥皮土强度要低于桩间土，当泥皮厚度较大时，将对桩侧阻和承载力的发挥产生不利影响。为了改善桩侧泥皮引起的承载力的降低，20世纪70年代以来国际上一些先进国家发展了灌注桩后压浆技术。为了研究注入水泥浆对泥皮土性状的影响，张忠苗现场取样在泥浆池底部取样沉淀泥浆土，掺入不同含量水泥浆(水灰比1:0.5)，凝固30d后进行了常规物理试验、压缩试验和直剪试验，现采用文献中的试验结果，开展泥浆物理力学性状对桩侧摩阻力影响的研究。通过桩侧后压浆技术加固处理，桩基承载力和桩侧摩阻力都得到了明显的提高，桩侧泥浆水泥含量越大，其提高幅值越大。通过设计优化后其桩基的工程量可大幅度降低，对大规模桩基工程而言，其经济、技术效益尤为显著。桩侧后注浆技术不仅克服了桩基成孔工艺的固有缺陷，而且加固了桩侧一定范围的土体。注浆时浆液的扩散范围难以确定，因此在计算过程中，只认为在泥皮范围内进行了注浆，浆液不渗入周围土体。

5、结语

本论文针对佐腾悟传递函数中的不足之处，区分了桩身压缩量与桩土位移，并考虑了侧阻深度效应和沉渣的影响，推导出均质地基和成层土地基中的钻孔灌注单桩的荷载-沉降曲线的解析解。用有限元程序Plaxis分析了不同土中泥皮的影响程度，以及泥浆物理力学性质对桩的承载性能的影响。通过分析泥浆物理性质对桩的承载性能的影响，结果表明，通过桩侧后压浆技术加固处理，桩基承载力和桩侧摩阻力都得到了明显的提高，桩侧泥浆水泥含量越大，其提高幅值越大。通过设计优化后其桩基的工程量可大幅度降低，对大规模桩基工程而言，其经济、技术效益尤为显著。证明了采用桩侧后压浆技术对于提高达到缩短工期、降低造价和提高工程质量具有重要的使用价值。

参考文献：

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