超大直径空心独立复合桩横轴向承载力

戴良军，冯忠居，崔林钊，王 洁，董芸秀，文军强，冯 凯

（1.安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

随着交通行业的发展，公路桥梁的跨径不断增长，桥梁桩基础也向大直径深长桩方向发展，而大直径深长水泥灌注桩基础存在自重大、水化热量高、连续灌注难度大以及刚护筒下沉、成孔、钢筋笼下放困难等缺点，无形中增加了施工难度和质量风险［1－3］，且护壁泥浆及孔底沉渣难以彻底清除，必然会对桩基承载性能产生影响［4－6］。针对上述问题，一种新型的桩基技术——超大直径空心独立复合桩基础越来越受到关注。该桩型核心区域采用截面更合理的钢筋混凝土空心桩，外围布设一圈密封的水泥搅拌桩以稳定孔壁、阻隔地下水，并在水泥搅拌桩与钢筋混凝土空心桩间预留的土体中进行高压喷射注浆，使空心桩、注浆土、水泥搅拌桩形成整体，共同承载。超大直径空心独立复合桩基础的桩周注浆土、注浆土外侧的水泥搅拌桩，都大大改善了桩周土的工程特性及其桩-土相互作用，但这一作用对承载力改善的程度如何，还有待深入分析。

目前，超大直径空心独立复合桩基特性的研究尚处于探索阶段，国内外相关研究主要集中在空心桩或复合桩的范畴，如冯忠居、李晋等［7－12］就针对大直径钻埋空心桩的承载特性及相关参数对其的影响做了较为系统的研究，认为大直径空心桩具有更合理的截面形式以及较好的承载性能，克服了传统钻孔灌注桩的弊病，具有良好的推广应用价值；石庆瑶等［13］利用计算推力桩综合刚度原理和双参数法，比较了不同土质、不同截面类型的桩基础水平向承载力，研究表明砂土和黏土中使用空心桩，风化岩使用钢管混凝土桩都具有较好的承载性能；李晋等［14］利用MARC有限元软件建立空心桩的三维模型，研究分析了横轴向荷载作用下的承载特性，得到了桩身水平位移第一零点的变化规律；张永谋等［15］研究了实心桩与空心桩在横轴向动载作用下的承载性能，结果表明空心桩桩顶挠度、转角更小，单位体积承载力更高。冯忠居等［16］对钢护筒与钢筋混凝土桩形成的钢管混凝土复合桩进行了离心模型试验研究，结果表明其横轴向承载特性与普通钢筋混凝土桩存在巨大差异。

为了研究超大直径空心独立复合桩基桩周土体注浆、水泥搅拌桩对复合桩横轴向承载力的提高程度，本文利用MARC有限元软件，分析在不同空心桩设计参数、不同注浆体参数、不同水泥搅拌桩设计参数条件下，超大直径空心独立复合桩的横轴向极限承载力变化规律，为超大直径空心独立复合桩基础的推广应用提供借鉴。

1 有限元建模

1.1 几何模型及单元划分

结合桩基础结构受力特点和有限元计算分析，通过大量试算，确定在计算中桩侧和桩底岩土体取10倍的桩径范围，桩底到模型底面边界取40m，土层分桩周土和持力层上、下两层，桩进入持力层深度为4m。模型建立过程中，将桩侧水泥搅拌桩简化为圆环；将实体离散成有限元单元时，加密桥梁桩基及其周围土体单元，实现由近到远、由密到疏的过渡。超大直径空心独立复合桩基础的几何示意、有限元计算模型三维网格划分如图1所示。

图1 超大直径空心独立复合桩模型

1.2 参数选取

有限元分析中桩身混凝土材料的弹性模量取3.0×104MPa，泊松比取0.20，地层、加固区的岩土材料具体参数见表1。

表1 域岩土材料参数

1.3 计算方案

考虑横轴向荷载作用下超大直径空心独立复合桩基础的受力特性，建立空心桩-注浆土-水泥搅拌桩相互作用模型，通过模拟空心桩的设计参数变化（桩长、桩径）、注浆土参数变化（厚度、模量）和水泥搅拌桩的参数变化（桩长、模量），研究不同桩身设计参数下复合桩基础的横轴向承载特性。具体计算工况如表2、3所示。

表2 几何参数变化计算工况

2 结果分析

为满足结构物和桩-土变形条件的安全，取桩基在地表处水平位移不超过6mm作为单桩横轴向荷载作用下极限承载力H 的判断标准，H 为桩基横轴向极限承载力。定义α为各工况变化绝对增幅。

式中：H0为桩基础工况下复合桩的横轴向承载力；Hi为各工况变化下桩基的横轴向承载力。

2.1 桩身尺寸参数对横轴向承载力的影响

2.1.1 桩长因素

桩长L变化下桩基础横轴向极限承载力与增加幅度变化规律如图2所示。

从图2可以看出，当桩径一定时，桩长增长，桩基的横轴向极限承载力呈增大趋势，但在一定桩长后逐渐趋缓。以桩径5m为例，桩长从10m增加到50m时，桩基横轴向极限承载力增加了29.4%～46.8%，桩长超过20m后增幅明显减缓，超过30m（L／D＝6）后基本不再增长，说明桩径为5m，桩长超过30m后，桩已经表现为柔性桩，继续增加桩长对横轴向承载力提高有限。

桩径2.5m时，桩长超过20m（L／D＝8）后横向承载力基本不再增加；桩径为3.5m时桩基承载力随桩长变化规律与桩径为5m时类似，在桩长为20m时（L／D＝5.7）出现明显转折增幅减缓，但减小幅度较桩径为5m时更大；桩径为7.5m时，桩长超过40m（L／D＝5.3）后承载力增幅明显减缓；桩径为10m时，桩长从10m增加到50m（L／D＝5），横轴向承载力一直近似呈直线增加未出现明显折点。以上分析说明，随着桩长增加，长径比随之增加，当长径比达到某一值后，桩基从刚性桩过渡到柔性桩，因此当桩径一定时，随着桩长的增加，当长径比达到界限值后，再增加桩长对提高横轴向承载力意义不大，且这一长径比分界值在L／D＝6附近。

图2 桩长变化对横轴向极限承载力的影响

2.1 .2 桩径因素

桩径D变化下桩基础横轴向极限承载力与增加幅度如图3所示。

图3 桩径变化对横轴向极限承载力影响

从图3可以看出，当桩长一定时，随着桩径的增加，桩基横轴向极限承载力呈增加趋势。以桩长30 m为例，桩径从2.5m增加到10m时，桩基横轴向极限承载力增加了23.9%～265.5%，且桩径超过3.5m后增加速率明显变大但仍近似呈直线，说明桩径超过3.5m后，桩基础开始表现出刚性桩的特性，其受力模式发生了变化。

桩长为20、40、50m时，桩基横向承载力随桩径的变化规律与桩长30m时基本一致，且桩长越长横向承载力越大，相应的增幅也就越大；桩长为10m时，横向承载力随桩径的变化规律与其他桩长下的规律明显不同，随着桩径的增加横向承载力增加速度越来越快，呈二次函数增长，其增幅曲线与其他桩长下的曲线相交，原因可能是桩径从2.5m增大至10m时，桩的长径比从4减小到1，桩基础从桩逐渐向扩大基础的形式变化，其横向承载力由侧向土和桩底的抗倾覆能力共同提供。

2.2 注浆体参数对横轴向承载力的影响

2.2.1 注浆体厚度

桩径5m，桩长分别为10、30、50m时注浆体厚度b变化下，复合桩基础横轴向极限承载力与增加幅度如图4所示。

图4 注浆体厚度变化对横轴向承载力的影响

从图4可以看出，桩横轴向承载力随注浆体厚度增加呈增大趋势，桩长越长增幅越小，注浆厚度0.5m后增幅明显减缓。注浆体厚度对不同桩长的横轴向承载力的影响差异较大：随注浆体厚度增加，桩长30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的承载力的增幅大致相同且都较小，注浆体厚度增加到1.0m时最大增幅分别为7.2%、6.9%；桩长10m（L／D＝2）时，注浆体厚度增加到1.0m，承载力的增幅较大为10.3%。

上述分析表明，注浆体厚度的增加对刚性短桩横轴向承载力的增强作用更明显，对偏柔性的长桩作用较弱。原因可能是柔性长桩在横轴向荷载作用下发生挠曲变形，桩身下部认为已经锚固，此时桩自身的横截面刚度起重要作用，而注浆土体厚度增加对复合桩整体横截面刚度的增强作用不大；在横轴向荷载作用下，刚性短桩在土中发生刚性转动，土的抗力是其横向承载力的决定因素，因此增大注浆区范围对其承载力提高更显著［17－19］。

2.2.2 注浆体弹性模量

随着注浆体弹性模量E2变化，桩基础横轴向极限承载力与增加幅度见图5。

图5 注浆体弹性模量变化下横轴向承载力增幅

从图5可以看出，横轴向承载力随注浆体弹性模量增加呈增大趋势，桩长越大增幅越小，注浆体模量超过35MPa后增幅明显放缓。桩长30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明显小于桩长10m时的增幅；注浆体模量增大到65 MPa，桩 长 为10、30、50m 的 最 大 增 幅 分 别 为14.9%、8.1%、7.6%。

以上分析表明，注浆体弹性模量的增加对复合桩基础横轴向承载力的提高有明显作用，且刚性短桩的横轴向承载力增幅明显大于柔性长桩的横轴向承载力增幅。相较于注浆体厚度变化工况，整体上规律一致但增幅普遍更大［20－21］。这说明在本文所列工况范围内，相较于注浆体厚度变化，增大注浆体模量对横轴向承载力的提高更明显。

2.3 水泥搅拌桩参数对横轴向承载力的影响

2.3.1 水泥搅拌桩桩长

随水泥搅拌桩桩长变化，桩基础横轴向极限承载力与增加幅度如图6所示。

从图6可以看出，复合桩横轴向承载力随水泥搅拌桩桩长的增加呈线性增长，且桩长越大增幅越小。其中桩长30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明显小于桩长10m时的增幅。水泥搅拌桩相对桩长从0.5L增大到L时，桩长10、30、50m的横轴向承载力最大增幅分别为2.2%、0.3%、0.2%。

图6 水泥搅拌桩桩长变化下横轴向极限承载力增幅

以上分析表明，水泥搅拌桩桩长的增加对复合桩横向承载力的提高有限，最大增幅为2.2%，因此若施工无其他功能需求时，可适当减小水泥搅拌桩长度。

2.3.2 水泥搅拌桩弹性模量

水泥搅拌桩弹性模量E3变化对桩基础横轴向极限承载力与增加幅度的影响见图7。

由图7可以看出，复合桩的横轴向承载力随水泥搅拌桩弹性模量的增加呈折线增长，搅拌桩模量大于30MPa以后增幅有所放缓，且桩长越长增幅越小。其中桩长30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明显小于桩长10m时的增幅。与无水泥搅拌桩比较，水泥搅拌桩模量增至60MPa，桩长为10、30、50m时承载力的最大增幅分别为8.8%、5.1%、4.8%。上述分析表明，水泥搅拌桩模量增大对复合桩横轴向承载力有明显提高，且刚性短桩的横轴向承载力增幅明显大于柔性长桩的横轴向承载力增幅。

3 结 语

图7 水泥搅拌桩弹性模量变化对横轴向极限承载力影响

（1）随着桩长从10m增长至50m，复合桩横轴向承载力明显增加，最大增幅为47.0%，但桩长超出一定范围后，增幅有所减小并趋于平缓。这一范围随桩径变化有所不同，但与长径比有明显相关性。当L／D≥6时，超大直径空心独立复合桩已表现为柔性桩特性，继续增加桩长对横轴向承载力的提高意义不大。

（2）随着桩径从2.5m增长至10m，超大直径空心独立复合桩横轴向承载力显著增加，最大增幅为307.6%，且增加速率无明显减弱趋势，说明增大桩径是提高复合桩横轴承载力的直接有效措施。

（3）注浆体参数变化对复合桩的横轴向承载力有一定影响。注浆体模量增大相比注浆体厚度增加，对复合桩横向承载力的提高作用更明显，但两者对刚性短桩的极限承载力增强作用均大于柔性长桩。

（4）水泥搅拌桩桩长的增加对复合桩横轴向承载力提高有限，而水泥搅拌桩弹性模量的增加对复合桩横轴向承载力的提高作用明显，两者对刚性短桩的极限承载力增强作用均大于柔性长桩。