大直径桩承载特性的研究进展评述

2014-03-01应亦凡熊良宵

地质灾害与环境保护 2014年2期

应亦凡，熊良宵

（1.台湾中原大学土木工程系，中坜 32023；2.宁波大学建筑工程与环境学院，宁波 315211）

1 引言

大直径桩一般是指直径等于或大于800 mm的桩，它的使用可以显著提高桩的承载力，在桩长不变的情况下，增大桩径可使桩侧面积、底面积增大，从而使得单桩的极限承载力得以提高［1]。大直径桩底下的土体以竖向变形为主，伴随有侧向挤压，而不出现隆起，桩端土不发生整体剪切破坏，此时土的压缩机理起主要作用，即随着荷载增加，桩底以下土体产生体积压缩和向下辐射剪切，由此排出的土体足以容纳桩端的下沉体积，而不会导致土体侧向挤出形成桩端平面以上的连续剪切滑动面［2－4]。

目前，已有很多学者针对大直径桩的荷载传递机理、在竖向荷载作用下的试验和理论、在水平向荷载作用下的试验和理论的研究进行了研究，为大直径桩在工程得以广泛应用奠定了基础。本文针对目前大直径桩基承载特性研究现状进行综述，总结分析相关的理论方法及其特点。

2 荷载传递机理

从广义的意义上说，桩的荷载传递机理指的是桩在外荷载作用下桩－土系统的各个部分的反应的总体表现，它包括荷载的分配、传递方式、地基土和桩身以及桩端共同承担外荷载的相互关系、构成桩－土承载力的各个分量的形成、发展过程和分配规律［5－6]。目前，国内外有很多学者针对大直径等截面桩的荷载传递机理做了很多试验和理论研究。

肖宏彬等（2003）［7]采用室内摩擦试验和压缩试验测定桩在不同深度土层及桩端土层的荷载传递参数，根据桩－土共同作用理论分析桩的荷载－沉降关系及桩的荷载传递规律；黄兴波（2004）［8]采用有限元法对大直径超长钻孔灌注桩荷载的传递机理进行了数值模拟研究；肖宏彬（2005）［9]借助数值模拟与试验分析，对多层地基中大直径桩的荷载传递全过程进行了研究，并提出了相应的解析计算方法；闫静雅等（2007）［10]以苏通大桥一期试桩资料为背景，分别考虑三个不同土层以及注浆影响，对大直径超长桩的侧摩阻力及桩端阻力的荷载传递规律进行了拟合分析；杜芳等（2008）［11]通过在大直径灌注桩端及桩身各主要土层的分界面埋设应力计和应变计的静荷载试验，研究了大直径灌注桩的荷载传递机理，分析了轴力和桩侧摩阻力的变化规律；Hamre L等（2011）［12]对承受侧向荷载的大直径桩利用计算机程序SPLICE和FLAC3D，研究API模型和更先进的有限差分法之间的关系，分析表明，基于相同的岩土特性，传统的API方法比使用软化硬化土模型的有限差分法有较大的变形；Wei Jihong等（2011）［13]根据桩沉降过程的变形规律，提出了非线性荷载传递函数来分析桩侧面的剪切变形。软化模型符合土的基本变形规律。根据非线性软化模型侧面和非线性硬化模型桩顶的基本条件，推导出荷载沉降方程，分析荷载传递规律，得到了一系列的结果；Raongjant W等（2013）［14]对三个大直径钻孔桩现场测试数据进行了分析，研究桩土之间荷载传递机制。综上所述，荷载传递机理的研究方法及内容详见表1。

表1 荷载传递机理研究Table 1 Load transfer mechanism

3 竖向荷载作用下桩承载性状的试验研究

要深入研究大直径桩的荷载传递机制，总体上需要从其承载性状及桩土相互作用两方面入手，前者是在竖向荷载作用下桩体所表现出来的宏观力学响应，后者是产生这一响应根源的机制。目前，研究桩承载性状主要是通过现场试验或模型试验，建立土的物理力学性质指标与桩承载性状的关系。现在常用的载荷试验方法有常规静载荷试验、高应变动力试桩法和自平衡法等。

3.1 现场载荷试验

现场载荷试验是判断大直径桩承载力，分析其承载性状最直接、最可靠的方法，它不仅可确定桩的极限承载力，而且通过埋设各类测试原件可获得荷载传递、桩侧阻力、桩端阻力、荷载－沉降关系等诸多信息。

Mey在研究粉质砂土中打入预应力混凝土桩的桩－土临界位移时，对直径为1.37～1.68 m的大直径桩进行了现场荷载试验，并得出其临界位移值为8.0～15.0 mm［15]；Masam 在研究砂土中钻孔桩的桩－土临界位移时，对直径为2.0 m的钻孔灌注桩也进行了同样的试验，并得出其临界位移值为45.0～200.0 mm［15]。

Paolo Carr ubba（1997）［16]为了研究用反分析法得到桩的荷载传递参数，对直径为1.2 m、桩长分别为18.5 m和19 m的两根嵌岩桩进行了现场载荷试验，试验取得了成功；

池跃君等（2000）［17]基于3根大直径超长钻孔灌注桩的静载试验研究，分析了天津地区大直径超长钻孔灌注桩的承载力及荷载传递特征。

管延华等（2003）［18]通过对2根大直径长钻孔灌注桩的静载荷试验研究，揭示了黄河流域大直径长灌注桩承载力特性及桩的荷载传递特征，并分析影响其极限承载力的因素。

顾培英等（2004）［19]根据苏州地区4根大直径桥梁灌注桩桩侧阻力试验结果，给出该地区主要土层的侧阻力和极限阻力建议值。

赵明华等（2004）［20]以洞庭湖软土地区某特大拱桥主墩桩基础为工程依托，进行了试桩竖向静载荷试验，并基于所获得的现场实测数据探讨了软土地区大直径超长灌注桩的荷载传递机理和竖向承载特性。

胡庆红等（2007）［21]通过对深厚软土地基中大直径深长灌注桩及扩底桩的桩孔孔径的实测及静载荷试验下桩身埋设钢筋计的测量，得到了桩身轴力实测资料和静载荷试验数据，并基于实测资料研究了软土中持力层为粉质黏土、粉砂的大直径深长灌注桩及扩底桩的承载特性和荷载传递机理。

赵春风等（2009）［22]基于常州高架一期工程现场静载荷实测结果，分析竖向荷载下大直径深长钻孔灌注桩在分层土中的荷载传递规律，由于试桩加载至破坏，分析结论为深入研究大直径深长钻孔灌注桩的承载性状提供有价值的工程参考。

杨果林等（2009）［23]通过对同一场地的同一直径不同桩型的钻孔灌注桩进行竖向静载荷试验，对大直径扩径桩与等截面桩的竖向承载力、桩身轴力、桩侧摩阻力进行对比分析研究。

邓友生等（2007）［24]针对超长大直径灌注桩，通过苏通长江公路大桥现场静载测试和模型试验，对桩侧摩阻力和桩端阻力的荷载传递机理、承担荷载的比例及其影响因素、荷载－沉降关系等进行了研究，得出超长大直径灌注单桩的荷载传递特性。

Bradshaw A S等（2012）［25]通过在粉质土中进行大直径管桩的静载试验，解释了荷载传递曲线。结果表明，在粉土中利用细长桩的t－z曲线分析大直径桩可能会导致不准确的荷载传递。

静载荷试验汇总见表2。当前，基于加载的极度困难及经济效益考虑，一般对大直径桩的静载试验往往都未做到破坏，故真正有价值的破坏性试桩资料极少。按我国现行规范的有关规定，大直径钻孔灌注桩的极限承载力取值应由变形控制来确定。这些有限的大直径桩试验资料也并非完整，因此很难通过常规的静载试验得到大直径桩的完整Q－S曲线和桩基极限承载力，这也是当前条件下大直径桩的研究理论远落后于其实际的根本原因。

表2 静载荷试验汇总Table 2 Su mmar y of static load tests

20世纪80年代，美国西北大学的Osterberg［26]教授率先研究出单桩自平衡测试法（Osterberg试桩法），近年来成为世界上广泛采用的一种较好的静载试桩新技术，自平衡法试验汇总见表3。

赵志蒙等（2009）［27]以包头－树林召高速公路黄河特大桥工程为依托，采用自平衡静载测试技术对2根大直径超长钻孔灌注桩进行现场单桩破坏性试验，评价和分析了大直径超长桩的承载能力和承载特性。

朱瑶宏等（2004）［28]采用自平衡试桩法对杭州湾大桥试桩工程中某钻孔灌注桩承载力进行测试，探讨了灌注桩的承载性状。

黄生根等（2004）［29]采用自平衡载荷法，结合桩身设计对苏通大桥一期超长大直径试桩进行了试验研究。

马晔等（2005）［30]利用自平衡法进行了超长桩的静载试验并将试验数据向传统静载试桩结果进行转化和对比。

穆保岗（2006）［31]在天津滨海新区采用自平衡测试技术对90 m超长钻孔灌注桩进行原位测试，对大直径超长钻孔灌注桩的承载性能和荷载传递特征进行了分析。

张帆等（2006）［32]结合杭州湾跨海大桥自平衡静载试验，对试桩桩端压浆前后试验数据进行对比分析，揭示了该类大直径超长灌注桩的荷载传递机理的某些特征。

Nie等（2013）［33]用自平衡测桩法测试大直径桩承载力的可靠性分析。利用无量纲随机变量的极限状态方程，反向测桩法对大直径桩竖向承载力进行可靠性分析。结果表明：大直径桩的可靠性指标与荷载效应比有关，而且比普通桩小。

表3 自平衡法试验汇总Table 3 Summary of self－balance load test

3.2 模型试验

室内模型试验具有省时、省力、经济、易操作、针对性强、主要指标可控性好、边界条件易控制、测试准确等优点，为桩基础的理论研究提供试验数据和试验论证，并且为工程实践提供指导。桩室内模型试验主要有普通模型试验和离心模型试验。

徐和等（1996）［34]在室内钢桶中模拟了不同密实度砂土中单桩的抗拔试验，并建立了桩的抗拔系数与土内摩擦角的关系。

赵明华（1997）［35]在砂箱内采用铝管作为模型桩，进行了不同倾角的倾斜荷载作用下的室内模型桩的破坏试验，建立了倾斜荷载下确定极限承载力的经验公式。

刘利民等（2002）［36]根据在50g离心加速度场中所作的一系列荷载试验结果，分析了单桩和排桩在递增荷载和循环荷载条件下的荷载位移特性，荷载传递特性及桩周土体反应。

刘春波（2005）［37]通过室内模型试验对超长单桩在竖向荷载作用下的荷载传递机理进行分析，研究了超长桩的一些承载性能问题。

朱小军（2007）［38]基于室内模型试验对长短桩组合桩基础的荷载与沉降的关系、桩身侧摩阻力。

Ach mus等（2011）［39]开发了用于在单向加载下估计桩的永久变形的方法。该过程称为刚度退化方法（SDM），是基于循环排水三轴试验结果与数值模拟的结合。通过与实验结果的比较，证明了刚度退化方法的适用性。

4 竖向荷载作用下桩承载性状的理论研究

单桩承载性状的理论研究方法主要有数学拟合法、荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法、数值分析法及其他方法，单桩承载性状的理论研究方法见表4。每种方法都有其相应的假定，适用于一定的工程情况。数学拟合法是建立在大量的试验数据基础上的，由于大直径桩可靠的试验数据很难得到，因此，这种数学拟合方法也就很难有效。

Seed ＆ Reese（1955）［40]根据试验结果提出，以此分析单桩的荷载传递规律及其沉降计算方法。在使用正确的荷载传递函数时，荷载传递法可获得较满意的结果。目前，该法己被广泛推广应用到桩基研究的各个方面。荷载传递法的关键在于如何确定真实反映桩土界面的荷载传递函数，而具有广泛适用性的理论传递函数的建立一般需通过现场测量拟合或基于一定的经验机理分析推求。常用的具有代表性的传递函数模型有：Kezdi［41]的指数曲线模型和Kraft［42]提出的理想荷载传递曲线等等。我国学者何思明［43]、陈龙珠等［44]在荷载传递法研究中也获得了一定进展。龚维明等（1997）［45]将荷载传递法与剪切位移法巧妙结合起来，提出广义荷载传递法，既考虑单桩非线性特征又考虑群桩共同作用；刘杰（2003）［46]针对土体出现的应力－应变软化关系提出荷载传递函数的三折线软化模型；赵明华（2003）［47]采用桩端阻三折线、桩侧阻双折线的荷载传递模型，对基础竖向承载力进行了深入分析，提出了按桩顶沉降量控制大直径超长灌注桩基桩竖向承载力的设想。

弹性理论法认为土体是理想均质、各向同性的弹性半空间体，并假定土体特性不因桩体的存在而发生变化。该法考虑了土体的连续性，至今已发展成一种可用于工程实践、较完整的理论体系，但其无法精确考虑土的成层性和非线性特性。Butterfield（1977）［48]等基于均质弹性半空间无限体的 Mindlin解，分别提出了计算单桩和群桩的荷载－沉降曲线法，并指出其沉降计算结果对均质土中的桩基础能满足一般的要求；刘金砺（1995）［49]对弹性理论法中的相互影响系数和沉降比的理论值提出了修正方案；杨敏（1997）［50]采用边界积分法分析层状地基中的桩基沉降问题，并基于Mindlin解引入沉降调整系数进行修正；吕凡任（2004）［51]提出了考虑桩土相对位移的“广义弹性理论法”，可以考虑桩周土的塑性，并将其应用于斜桩分析。

Cooke（1974）［52]在试验和理论分析的基础上提出了剪切位移法，用于分析均质地基中的纯摩擦桩问题，由此假定受轴向荷载后，摩擦桩的沉降主要和桩周土的剪切变形有关，剪切力在桩侧表面沿径向四周扩散到周围土中。Randol ph和 Wroth（1978）［53]从理论上对剪切位移法作了补充和修正，推导了基于Cooke假设的可压缩性桩的单桩和群桩的解析解，考虑了桩端应力和桩体压缩所引起的桩顶沉降；Lee（1991）［54]和 Xiao（2002）［55]在考虑桩周土体非线性情况下，推导出桩土滑移的单桩荷载沉降解析解；宰金珉（2000）［56]将剪切位移法推广至塑性阶段，提出了广义剪切位移法，建立了非线性反应的解析表达式，以此描述桩周土体的非线性竖向位移场。此法概念清楚，原理简单，基本假定较合理，但其忽略因素较多，例如地基的三向应力状态、地基的成层性，土参数随深度的变化等。而其假定桩土间不产生相对滑动，仅在荷载较小时能得到较准确的解，荷载较大时，会产生较大偏差，这也和桩基的实际工作性状不符。

随着计算机技术的高速发展，有限单元法（FEM）、边界元法（BEM）等数值计算方法也被越来越多应用于桩基承载特性的应用分析，它因模拟功能较强而具有较强的理论分析价值。杨敏（1989）［57]以 Mindlin应力解为基本解，在考虑各种非均质情况时采用以边界积分法基本解进行修正，使桩的分析结果适用于各种实际地基情况；方鹏飞（2003）［58]采用有限元程序对均质土和成层土中超长桩的承载性状进行了数值分析；蒋建平（2004）［59]在基于试验资料和数值模拟，对大直径超长桩的有效桩长进行了探讨；丁建文（2005）［60]结合大量实测资料，采用现场试验和理论分析相结合、理论计算和数值模拟相结合的方法对大直径深长钻孔灌注桩的承载性状进行了比较系统的研究；程晔（2005）［61]结合苏通大桥主5＃墩设计施工，采用三维数值模拟研究了超长大直径钻孔灌注桩承载性能；尤梦姗（2005）［62]采用Ansys对大直径嵌岩灌注桩的传力机理进行了数值模拟，对影响大直径嵌岩灌注桩承载性能的各种因素进行了研究分析；赵志蒙（2008）［63]在原位试验结果的基础上，采用大型有限元计算程序，对黄河特殊地质长大直径钻孔桩进行了数值分析，分析了桩径、桩长、桩身弹性模量、桩端土体参数变化对长大直径桩承载性能的影响。

Zhang Ming Yuan等（2012）［64]基于三维连续介质快速拉格朗日法（FLAC3D），进行了土刚度对大直径超长钢管桩竖向承载力和沉降特性影响的研究。结果表明，桩周土的刚度对桩沉降特性和承载特性有直接的影响。

表4 单桩竖向荷载下承载性状的理论研究方法Table 4 Method for the theoretical research of bearing behavior of single piles with vertical load

5 水平荷载下桩承载特性的试验和理论研究

桩的水平承载力是桩在水平荷载作用下所反映的抗水平荷载的能力及其特性，桩承受的水平荷载有多种形式，如风荷载、地震荷载、波浪荷载、吊车制动力和浮水、船舶的撞击力等。基桩受到侧向载荷的分析，与土壤有很大的密切关系，目前国内外针对等直径单桩及群桩承受侧向载荷后的变形特性，已经有很丰富的试验和理论研究成果。

谢涛等（2005）［65]按照1∶30的比例对群桩基础进行了室内模型试验，对水平荷载作用下桩－土－承台共同体系作用机理及桩基间相互作用关系进行了研究；江学良等（2006）［66]结合四川电厂的桩基水平静载试验，分析了水平荷载作用下大直径嵌岩桩桩土共同作用的工作性状；赵晓强（2007）［67]通过室内模型试验得到纵横向同时受荷桩的桩身弯矩、剪力、桩顶位移、极限荷载等基本工作性状；王建华等（2007）［68]通过某大型码头桩基工程的现场试验结合数值分析研究了水平荷载作用下大直径嵌岩钢管混凝土桩的工作机理；徐雪源等（2008）［69]以南通一船坞工程为例，通过现场试验分析水平荷载桩的受力特性，得出了在各级荷载作用下，桩顶水平位移与水平荷载之间的关系和桩身的位移、转角及弯矩分布规律，研究水平荷载桩的应力分布规律；苏栋等（2008）［70]利用香港科技大学离心机双向振动台，进行了群桩基础模型的水平单向和双向振动试验。

水平荷载作用下桩基承载特性的理论分析方法主要包括：Poulos弹性理论法、地基反力系数法、py曲线法和数值分析法。Poulos弹性理论法假设土体为均质、各向同性的半无限弹性体，采用弹性力学的原理求解基桩在土壤中承受侧向载重后的情形。基桩受到侧向载荷时，桩周土体变形明显进入塑性状态，而Poul os弹性理论假设显然与实际相差较大，因此应用不多。地基反力系数法应用 Winkler地基模型，把桩周土离散为一个个单独作用的弹簧。某一弹簧受力时，仅该弹簧发生与作用力成正比例的压缩而和其他弹簧无关。地基反力法又可分为极限地基反力法和弹性地基反力法。根据地基反力系数K的不同假设，线弹性地基反力法又可以分为常数法、c法、K法和m 法等。

戴自航等（2007）［71]针对现行多层地基中水平荷载桩计算m法存在的问题，提出了按实际成层地基抗力系数采用有限差分法和弹性地基杆系有限单元法计算桩身位移和内力的方法；吴峰等（2009）［72]采用数理统计的方法建立了不同土质条件下土体的m值与桩身泥面位移的相互关系公式，用来计算水平推力桩在大位移情况下的m值；赵明华等（2009）［73]基于桩土共同工作机理及弹性理论，利用m法假设桩身挠曲方程的幂级数解，建立了横向荷载作用下基桩竖向承载力的计算公式。

p－y曲线法最早由美国的Matlock提出，由于其考虑了桩土作用的非线性和土的塑性影响，对大小位移的情况以及静、动荷载均适用，是目前国内外比较流行的一种方法［74]。p－y曲线法考虑了土的非线性反应，既可用于小位移，也可用于大位移情况的求解，能如实地把地基土的非弹性性质及由地表面开始往下部的进行性破坏现象反映到桩的计算中去，因而计算结果较地基系数法更符合桩身受力的实际情况［75]。周洪波等（2005）［76]在p－y 曲线法和Poulos弹性理论法的基础上，提出了一种能考虑两者优点的耦合算法；朱克强等（2008）［77]以p－y 曲线法为理论基础，提出了一种新的用于计算单桩横向受载的半解析方法。

周洪波等（2003）［78]利用三维弹塑性有限元法对水平荷载作用下群桩基础特性进行了分析，讨论了群桩基础水平荷载作用下的承载性状和破坏机理，并探讨了桩距、桩数、桩长、桩径和土质各种因素对群桩效应的影响；孙冬梅（2004）［79]采用三维有限元、接触面单元和无限元耦合的数值分析方法研究大直径单桩和群桩的p－y 曲线；周月慧等（2007）［80]采用有限元程序ANSYS对桩土相互作用体系中单桩的横向静力响应进行了三维有限元数值模拟；赵明华等（2007）［81]采用无网格法对水平荷载下基桩的受力特性进行非线性分析；张华华（2007）［82]结合某工程桩基进行了水平承载力的现场试验，并在试验的基础上应用现有现行规范规定的计算方法（m法）和有限元软件ADINA计算水平荷载桩的受力特性；郑刚等（2008）［83]采用 Abaqus模拟了不同竖向及水平荷载加载水平、顺序情况下单桩的承载特性；尹武先等（2009）［84]对成层地基中超长桩在轴－横向耦合荷载作用下展开数值模拟研究和试验对比。贺嘉（2006）［85]对均质土、一般成层土及嵌岩情况下的大直径桩承载性能进行了三维数值模拟。

综上所述，单桩水平荷载下承载性状的理论研究方法见表5。

6 结论

从大直径桩的荷载传递特性、在竖向荷载作用下的试验和理论、在水平向荷载作用下的试验和理论等几方面来评述大直径桩承载特性的研究进展。虽然目前国内外已有很多有关大直径桩承载特性的理论和计算方法，但都各自存在不足。因此，随着生产的发展，大直径桩的承载特性以及原有理论的适用性等都是有待进一步研究的问题。

（1）对大直径桩的静载试验往往都未做到破坏，故真正有价值的破坏性试桩资料极少。因此很难通过常规的静载试验得到大直径桩的完整Q－S曲线和桩基极限承载力。

表5 单桩水平荷载下承载性状的理论研究方法Table 5 Method for the theoretical research of bearing behavior of single piles with horizontal load

（2）自平衡法测桩技术虽然有很多的优点，为解决大直径桩的静载试验提供了新的途径。但是，实际上用自平衡法测得的桩身上段摩阻力是负摩阻力，与桩身在荷载作用下受到的正摩阻力是完全不同的。

（3）有限元模拟是研究大直径桩承载特性的一种有效手段，获取大直径桩破坏时的完整Q－S曲线和桩基极限承载力，以此来指导工程实践。

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