填砂竹节桩的承载性能对比研究

蔡邦国 姜玉龙 王理璞 王奎华

(1.浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江 温州 325024； 2.浙江大学滨海与城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058)

1 概述

普通混凝土预应力管桩在我国已有60多年的应用历史，由于其可批量化生产，打桩速度快，经济效益好等优点，目前已被广泛的应用于各种高层房屋、港口、高速公路等建筑物的基础中[1]。但是在东南沿海地区等以软粘土为主的地基中使用时，在承载性能方面存在很多问题，由于其主要作为摩擦桩来使用，桩极限承载力的大小很大程度上取决于桩周土体的强度，往往桩体本身材料未能完全发挥其抗压性能时，就由于桩和桩周土体的相对位移过大，而导致桩不能正常使用，这是对桩材料本身承载力的一种极大的浪费。

为了解决软土地区摩擦型桩这一问题，日本学者最先提出了竹节桩这一新桩型，对其进行了研究并将其应用于实际工程中[2，3]，取得了很显著的成效。而后竹节桩被引进国内并在南方软粘土地区进行了少量的应用，由于其在提高软土地区桩基极限承载力方面的显著优势，国内的学者也开始关注该桩型，并进行了相关的研究，杨成斌等人[4]选用了竹节桩、圆管桩和方桩各两根进行了抗压对比试验，试验结果显示竹节桩的单桩竖向抗压极限承载力较管桩和方桩均能提高20%左右；史玉良[5]进行了竹节桩和圆管桩的现场静载荷试验，并在桩身设置应变片，研究竹节桩的荷载传递机理和桩侧摩阻力的变化，试验证明竹节桩侧摩阻力大于同直径的普通桩，并且具有良好的抗液化性能；周家锦等人[6-8]对静钻根植竹节桩展开了详细的理论和试验研究，分析了其竖向荷载传递机理以及其抗压抗拔承载特性，并总结了其承载力计算公式。

填砂竹节管桩是对普通竹节桩的改进，其是由竹节管桩、桩周砂石层和土体共同组成的复合桩基。由于桩周砂石层的存在，改善了桩和土体之间的接触性质，从理论上讲具有更好的竖向承载性能。但国内外针对填砂竹节管桩的研究基本处于空白阶段，没有很好的理论基础框架。研究该新型复合桩型的竖向承载性能，对于其在实际工程中的应用具有十分重要的意义。

本文主要研究填砂竹节桩和普通预应力圆管桩在承载力方面的差异，进行相同外径的填砂竹节桩和圆管桩的静载荷模型试验，而后利用ABAQUS建立工程用填砂竹节桩和普通圆管桩的理论模型，利用有限元计算来研究其在承载力方面的差异。

2 填砂竹节管桩的施工方法

填砂竹节管桩作为一种新的复合桩型，现在还处于试验研究阶段，无法大规模地投入工程应用，其相关的施工方法也不成熟，这里结合浙江宁波某桩厂所进行的填砂竹节管桩的现场打桩试验，来介绍填砂竹节管桩的施工方法。

首先以确定好的桩位点为中心，打入钢护筒，而后竹节管桩放在钢护筒内的桩位点上。护筒和桩就位后，在护筒内填满砂石，然后开始锤击打桩，护筒内的砂石会随着桩的打入不断的填充于桩和桩周土体之间，此时应注意不断的向钢护筒内补充砂石料，以保证填砂充盈率，直至将桩打入预定深度，形成竹节管桩，桩周砂石层和地基土共同组成的复合桩基，完成填砂竹节管桩的施工，见图1。

3 模型对比试验研究

填砂竹节管桩由于竹节和桩周砂石的存在，其在竖向承载性能方面上较普通预应力圆管桩应有明显的优势，为了研究其性能优势，进行了填砂竹节管桩和圆管桩的静载荷模型试验。所用的桩体、土和砂石的材料参数见表1。

表1 材料参数

模型箱的尺寸为70 cm×70 cm×65 cm；利用尼龙棒来制作竹节管桩和管桩的模型，见图2。其中竹节桩竹节外径的尺寸为45 mm，桩体直径为36 mm，竹节间距100 mm，桩长为500 mm，为了保证试验的可对比性，圆桩的直径与竹节桩竹节外径相同，桩长同样为500 mm。土和砂石取自某建筑工地的软粘土和砂料。两种模型桩均采用锤击方法沉桩，竹节管桩模型的填砂方式模拟上述套筒式填砂方法，见图2。

加载方式采用自主设计的杠杆式砝码加载装置，由于加砝码的位置不同，每级荷载约为100 N，具体的数值由读数仪表显示；采用量程500 kg的LOAD CELL称重传感器，并连接终端显示设备来测读模型桩桩顶的荷载；采用数显位移千分表来直接读取模型桩桩顶的位移。利用该装置进行两种模型桩的室内模拟静载荷试验，见图3，将试验所得的数据分析整理，分别绘制两种模型桩的荷载位移曲线，见图4。

由图4可以看出，当桩顶荷载小于100 N时，两种模型桩的桩顶位移相差很小，这说明当荷载较小时，普通圆管桩和填砂竹节管桩的承载性能并无较大差距；当荷载增加至100 N～300 N之间时，两模型桩的荷载位移曲线有较明显的差异，填砂竹节管桩的荷载位移曲线相对平缓很多，填砂竹节管桩的桩顶位移稳定在1 mm以内，而圆管桩的桩顶位移随荷载的增大增加较快，并且随着荷载的增大，两种桩型的桩顶位移沉降差也越来越大；当桩顶荷载大于300 N时，圆管桩的位移迅速增大，荷载增加至587 N时，桩顶位移已经大于0.5 cm，终止圆管桩的加载；而填砂竹节管桩一直持续加载至920 N后终止加载，此时的桩顶位移为0.42 cm。由以上分析可以看出，填砂竹节管桩具有更好的竖向承载性能和沉降特性，相同荷载下桩顶沉降更小。

4 ABAQUS有限元对比分析

ABAQUS是国际通用的大型有限元软件之一，其对岩土工程问题有较强的适用性，利用ABAQUS软件来建模分析计算填砂竹节管桩在竖向承载性能方面的优势，方便快捷且节省了现场试验所需的大量人力物力。本文根据宁波某桩厂生产的桩型型号，分别建立了竹节外径400 mm，桩体直径350 mm的填砂竹节管桩(400-350型)和外径400 mm的普通预应力管桩的二维有限元模型，见图5。

接触形式定义为罚接触[9]，参考相关文献[10][11]确定的不同接触面的摩擦系数，桩土接触面摩擦系数取为0.2，桩—砂石接触面摩擦系数取为0.36，砂石—土接触面摩擦系数取为0.3，土体和砂石的各项参数设置见表1，并根据刚性大小来判断接触对中的主从接触面；在LOAD步给予桩顶40 mm竖向位移，采用位移法来控制桩顶荷载，而后采用CAX4(轴对称四节点单元)为该模型划分网格，所用土体和砂的各项参数如表1所示，并提交作业进行计算，分别得到填砂竹节管桩和普通圆管桩荷载位移曲线对比图，见图6。

由图6有限元模拟的结果可以看出，当桩顶荷载小于250 kN时，两种桩型的桩顶沉降基本相同，承载性能没有较大的差异；当荷载大于250 kN时，圆管桩的桩顶沉降随荷载的增大发展较快，两条曲线有了较为明显的差异，相同荷载下，填砂竹节管桩的桩顶位移小于普通圆管桩，且随着荷载的增大，两种桩型的桩顶沉降差不断增大；当桩顶位移达到40 mm时，填砂竹节管桩的桩顶荷载为689 kN，圆管桩的桩顶荷载为576 kN，填砂竹节管桩的承载力相较提高了19.6%左右。综上ABAQUS有限元分析的结果可知，填砂竹节管桩具有更容易控制的桩顶沉降，且承载力较相同外径的圆管桩有较大的提高。

5 结语

本文主要针对目前还处于研究开发阶段填砂竹节管桩复合桩基展开模型和有限元模拟计算方面的研究，通过进行相同外径的填砂竹节管桩和普通圆管桩的室内静载荷模型试验，而后通过建立两种桩型的有限元模型，利用ABAQUS软件进行分析计算，得出以下结论：1)当桩顶荷载较小时，两种桩型的桩顶沉降随荷载的变化并无明显差异；当桩顶荷载继续增大，普通圆管桩的桩顶沉降随位移发展较快，填砂竹节管桩具有更容易控制的桩顶沉降。2)填砂竹节管桩极较与之竹节相同外径的普通圆管桩的承载力提高了20.5%左右，填砂竹节管桩在提高桩基承载力的同时，节约了桩体材料，具有很好的工程推广应用前景。