钢管-水泥土组合桩抗拔性能有限元分析

冯建光

（苏州大学城市轨道交通学院，江苏 苏州 215137）

0 引言

作为一种传统的抗拔措施， 等截面抗拔桩的应用相当广泛。 在国外的抗拔桩基础设计中，大量地采用了等截面抗拔桩。 抗拔桩主要依靠桩身与土层的摩擦力来提供抗拔力。

1 抗拔桩的破坏形态

破坏形态分为四大基本类型[1-2]

（1）沿桩-土侧壁界面剪破；

（2）与桩长等高的倒圆锥台剪破；

（3）复合剪切面剪破；

（4）桩身被拉断。

对传统的等截面抗拔桩而言， 其破坏原因往往是由于桩周土未能提供足够的摩擦力， 比较常见的破坏形态是沿桩—土侧壁界面剪破。

钢管-水泥土组合桩的荷载传递机理[3]和破坏模式分为5 种，见图1。 图1 中(a)、(c)两种破坏出现的可能性较小， 其它各种破坏模式既可能单独发生，也可能以某种组合的形式发生。 最为理想的破坏模式为以最经济的形式充分利用各种材料的强度， 水泥土-土和钢管-水泥土界面的摩阻力得到充分发挥，形成整体承载力最佳组合。 这种组合形式充分发挥了水泥土桩的优点， 且具备抗拔的能力。

2 单桩有限元模拟

2.1 计算模型建立

采用三维有限元软件Ansys 进行模拟[3-4]，水泥土的力学性能通过改变水泥掺入百分比的形式获得，水泥的掺入量直接影响到水泥土的各种力学性能，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等都有很大的影响。用以分析不同水泥掺入百分比对钢管水泥土组合桩承载力的影响[5]，具体参数设置见表1。 钢管表面特征通过设置摩擦系数进行调整。

2.2 模拟方案

通过ANSYS 模拟钢管与水泥土的不同工况组合，研究各因素对组合桩承载能力和破坏模式的影响。 模拟方案中的绝对不变因素有土体的性质，水泥土桩桩长10 m、桩径0.6 m、钢管长度6 m、钢管厚度5 mm、水泥土掺入比15%、光圆钢管。 可变因素为水泥土掺入比、钢管表面特征。

表1 不同水泥掺量下水泥土的参数

（1） 水泥土掺入比：在其它相对不变因素一定的情况下， 水泥掺入百分比分别取10%、15%、20%、25%，4 种工况进行比较。

（2） 钢管表面特征：在其它相对不变因素一定的情况下， 钢管分别取光圆钢管和螺纹钢管，2 种工况进行比较。

3 水泥掺入百分比对组合桩抗拔承载性能的影响

3.1 荷载-位移曲线分析

不同水泥掺入量下组合桩的上拔荷载-上拔位移量曲线如图2 所示。

图2 不同水泥掺入量下组合桩的荷载-位移曲线

图2 显示每条曲线的变化趋势相似，但在曲线斜率上有很大变化。 图3 显示，极限荷载也随着水泥掺入量的增加而近似于等值增加， 但增量不大。这主要是由于水泥掺入量增加后，水泥土本身的弹性模量、粘聚力、粘结力都会增加，所能提供的摩阻力和抵抗变形的能力也随之增强。 由以上分析可知，水泥的掺入量在组合桩承载力的发挥上影响不大，因而建议工程中水泥掺入量以能够满足承压桩所需的配比即可。

图3 极限荷载随着水泥掺入比的变化

图4 极限位移随着水泥掺入比的变化

不同水泥掺入量的极限位移曲线见图4。与图3组合分析，在水泥掺入量增加、组合桩极限承载力增大的趋势下，极限位移呈现减小的趋势，虽整体变化幅度不大，但改变水泥掺入量仍为控制组合桩竖向变形的有效方法。

3.2 钢管、水泥土工作状态分析

3.2.1 组合桩桩表荷载-位移曲线关系

不同水泥掺入量时组合桩的桩表荷载位移曲线图见图5。 由4 组图相比较可以看出水泥土掺入量增加时， 钢管与内桩的相对位移差改变很小，但钢管与外桩的相对位移差不断减小，钢管与桩周土的相对位移差也不断减小，这说明水泥掺入量的改变提高了组合桩的极限承载力，且对外桩承载能力的提高较明显。

3.2.2 组合桩的破坏模式分析

由图5 中四条曲线的相互关系，便可以判断出其临界破坏型式。当内桩与钢管的曲线斜率保持基本不变时，说明内桩已经破坏，仅靠自重提供反力。外桩的竖向位移随着上拔荷载的增加而增加，但在加载至破坏时，其竖向位移并未与钢管位移保持基本不变，且桩周土的位移并未因组合桩破坏而竖向位移继续增加，这说明组合桩的破坏界面在钢管与外桩的接触面上，（a）、（b）、（c）、（d） 四组图均为该种破坏形式。

图5 组合桩荷载-位移曲线

水泥用量的增加对内、外桩荷载分担比例的影响不大，内桩分担比例有所提高（图6）。 这主要是由于水泥土掺入百分比的改变并未影响内、外桩的几何尺寸，仅对水泥土的力学参数有所改变，如水泥土的弹性模量和粘结力，因而内桩荷载分担比例有小幅提高。

4 钢管表面特征对组合桩抗拔承载性能的影响

图6 极限承载时水泥掺入百分比对内、外桩荷载分担比例的影响

由前述分析可知， 钢管与水泥土组合桩的抗拔极限承载力未能充分发挥的主要原因在于钢管与外桩接触界面的破坏， 提高接触界面的摩阻力也是提高抗拔极限承载力的最主要的途径。 本组数值模拟将分析螺纹钢管对组合桩极限抗拔承载力的影响。

4.1 荷载-位移曲线分析

螺纹钢管-水泥组合桩的极限上拔荷载为47.6 MPa， 光圆钢管-水泥土组合桩的极限上拔荷载为38.0 MPa，前者较后者提高了9.6 MPa，见图7。 在同一级荷载下，前者上拔位移量约为后者上拔位移量的1.5 倍。 由此可见，螺纹钢管对与组合桩极限上拔荷载的提高和极限位移量的减小上都有较高的贡献，因而建议工程中最好选用螺纹钢管。

图7 不同钢管表面特征下组合桩的荷载-位移曲线

4.2 钢管、水泥土工作状态分析

4.2.1 组合桩桩表荷载-位移曲线关系

不同钢管表面特征下组合桩的桩表荷载位移曲线见图8。 由图8 可以看出，两组曲线的整体变化趋势相同，但在加载后期，(b)中的曲线较平缓，而(a)中的拐点很明显。 两者中，外桩和桩周土的位移量改变不大，在达到极限荷载时，外桩位移量，后者大于前者1.0 mm； 桩周土位移量， 后者大前者0.75 mm。

4.2.2 组合桩的破坏模式分析

由图8 中四条曲线的相互关系可以判断，(b)中钢管与内桩的相对位移差较(a)更小，二者均为内桩首先破坏。 当加载至极限荷载时（表2），外桩位移并未随钢管位移的改变而改变，因而，(b)的破坏型式仍是钢管与外桩接触界面的破坏。

图8 组合桩荷载-位移曲线

表2 不同钢管表面特征下组合桩的极限荷载及位移量

5 结语

（1）组合桩的主要受力构件为钢管，且在各种破坏模式下钢管均未达到屈服强度，其主要破坏模式为钢管-水泥土、水泥土-土界面的破坏。

（2）水泥掺入百分比对组合桩的抗拔性能影响也较小。水泥掺入量对组合桩极限荷载增量的影响较为均匀，对极限位移的影响幅度也不大，但极限荷载和极限位移均向正效应发展。

水泥掺入百分比的变化对组合桩的破坏模式基本没有影响， 均为钢管与外桩界面发生破坏，对内桩的荷载分担比例有小幅度提高。

（3）螺纹钢管对提高组合桩的极限承载力和降低竖向位移量都有很大贡献，极限荷载提高了0.26倍，竖向位移量降低了0.4 倍。

改变钢管的表面特征不会使组合桩的破坏模式发生变化。

[1] 腾智明.混凝土结构及砌体结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1995:10-11.

[2] 曾国熙,叶政青.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:34-36.

[3] 罗太安,冯建光,安文东.钢管-水泥土组合桩抗拔性能有限元分析 [J]. 黑龙江科技学院学报,2010,20(5):350-352.

[4] 冯建光,何英萍.钢管-水泥土组合桩抗拔性能有限元分析[J]. 黑龙江科技学院学报,2014,24(3):306-311.

[5] 王珊珊，卢成原，孟凡丽.水泥土抗剪强度试验研究[J].浙江工业大学学报，2008，36(4)：456-459.