异型桩侧摩阻力影响因素研究

傅洋燕 吴瑞潜 吕蓓凤 李 妙 裘锦瑜 葛柃岑 沈佳怡

（绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

0 引言

我国传统桩基多由规则型桩（如圆桩、方桩等）组成，材料耗费大、经济效益低。基于建筑节能和建造可持续发展的绿色建造理念，近几十年发展了异型桩，最大程度发挥桩本身优势，合理利用桩侧摩阻力特性、增强桩身承载能力，同时降低了工程造价，增加经济效益。目前，一些大型工程都有异型桩的应用，如浙江杭浦、申嘉湖等高速公路、江苏南京长江四桥连接线等。异型桩作为新式桩型，其桩侧摩阻力影响因素众多且异形结构受力复杂，仅套用一般类型桩桩侧摩阻力均匀分布模型，未能综合考虑工程实际侧摩阻力异形效应，因此无法得出确切计算公式。笔者结合异型桩自身性状及其他因素，通过桩侧摩阻力经验计算公式中各项影响系数，综述不同影响条件下异型桩侧摩阻力的分布特性。

1 异型桩及侧摩阻力

异型桩，也称为异形桩,是一种新型特殊种类桩，可分纵向截面异型桩和横向截面异型桩。纵截面异型桩，即按照桩侧土层的不同性质，沿深度方向改变桩径或桩型，增加桩侧截面不平直度与粗糙度，以获得所能达到最大侧摩阻力的异型桩。如：H型桩、楔型桩、钉型桩等。横截面异型桩，即通过改变桩横向截面的几何参数，受“异形”影响，增加表面积和惯性矩[1]，以获得所能达到最大桩侧摩阻力和水平承载力的异型桩。如：Y型桩、X型桩等。

对于桩侧摩阻力的计算，根据文献[2]：Tomlinson 提出了α法，利用经验粘性系数和桩侧饱和粘性土的不排水抗剪强度，对粘性土的侧摩阻力进行了定义计算；Chandler 提出了β法，利用有效应力理论，对粘性土和非粘性土的侧摩阻力进行了定义计算；Vijayvergiya 等综合α法和β法特点，提出了λ法，假定桩侧土位移产生了水平被动土压力,对于粘性土侧摩阻力重新进行了定义计算。《建筑桩基技术规范》[3]通过静载试验并综合测试结果，确定了极限侧摩阻力标准值与土原位测试指标间的经验关系，得出桩侧摩阻力经验参数公式。

2 异型桩侧摩阻力影响因素

2.1 异形效应

异型桩通过改变截面几何特性，在基础桩侧影响因素下产生“异形效应”，致使侧摩阻力沿桩周不均匀分布，并且不同异形截面对桩侧摩阻力影响也各不相同。

依据外包方形理论，将X 形截面假设成平行于轴的规则形状。通过公式推导发现，外包方形的截面边长、弧度数及开弧间距三个不同变量间相互影响、相互制约。X 形截面与相同截面面积规则截面的惯性矩之比随外包方形截面边长的增加而增加、随弧度数的变大而变大、随开弧间距的增加而减小，受桩侧摩阻力影响，桩沉降降低，承载力提高。

将Y 形截面桩单位侧摩阻力沿桩侧周长积分，推导采用外包圆理论公式。对于在某一深度其他参数确定条件下，增加弧度数、外包圆半径均能够提高Y 形桩侧摩阻力，其中，弧度数对桩侧摩阻力的影响较小，因此外包圆半径是影响Y 形桩侧摩阻力的大小重要因素。

2.2 深度效应

通过砂层极限端阻稳值半经验公式，假设确定材料本身的应力应变特性决定砂土 “深度效应”，且制约了桩侧摩阻力在深层土体中发挥效应，阻碍其沿着纵

向深度增加而无限制地增加。因此，增加桩长虽然能在一定程度上增加桩侧摩阻

力，但由于“深度效应”作用，超过临界深度后，随着入土桩长的增长，桩侧摩阻力增大的幅度大大降低。

2.3 施工工艺及成桩效应

2.3.1 施工工艺

不同的施工工艺构造出不同的桩纵向截面形态，促使桩周土体应力发生变化，从而致使桩侧摩阻力相应变化。桩按施工工艺可分为预制桩和灌注桩。对于各类型预制桩，制桩工艺决定了桩侧表面粗糙度，一般较光滑，桩侧摩阻力也较小。对各种类型的灌注桩，桩施工成孔时机、对孔壁扰动等因素决定了桩表面的粗糙程度，一般较粗糙且不规则。以泥浆护壁钻孔灌注桩为例，施工时钻进平稳，则钻孔灌注桩孔壁平直，桩侧摩阻力较小；施工时钻进摇晃，则钻孔灌注桩孔壁粗糙不平，桩侧摩阻力较大。

2.3.2 成桩效应

不同成桩工艺使桩侧土层的应力、应变场产生变化，从而致使桩侧摩阻力相应改变。尤其是挤土桩，成桩过程中，受桩周挤土效应，桩侧土体受到挠动而重塑，增加了桩侧土压应力，从而提高侧摩阻力。

2.4 桩周土的性状

2.2.1 土的种类

不同种类土中桩侧摩阻力所受影响不同。普通粘性土中，桩侧摩阻力大小可由桩周土体不排水抗剪强度反应，但当粘性土体产生固结硬化时，桩侧摩阻力随着桩顶加荷而以特定增长方式增大。在砂质土层中，增大土的初始应力，提高其抗剪强度，则由桩周土体强度所决定的桩侧极限摩阻力也相应增大。

2.2.2 土体性质

影响桩侧摩阻力最重要因素是桩侧土体的性质。土的性质主要由密实度、液限指数、孔隙比等各类土状物理参数来表示。对于一般土层，土体的密实度越大、含水量越少、孔隙比越小则其压缩模量越大，提高了桩周土强度，进而影响桩侧摩阻力增大。桩侧摩阻力试验结果表明，软弱土层中桩的侧摩阻力主要受土层自身影响，而硬土、坚硬土层中桩同时受其自身效应与土层性状影响，阻碍了桩侧摩阻力的传递，从而导致其分布异化。

2.5 桩端土的性状

大量工程实践表明，桩端持力层土的性状对桩端附近桩侧摩阻力有较大影响。通过现场静载试验，由不同桩端土下所产生的桩身沉降量反映桩侧纵摩阻力变化。试验得出，当桩端持力层有软弱土层时，桩端附近桩侧土产生水平应力，桩侧摩阻力降低；当桩端持力层较强时，桩侧摩阻力发生强化效应，桩侧摩阻力整体提高。

2.6 其他因素

2.6.1 桩顶荷载

桩作为承担并传递上部结构荷载的基础形式，受不同桩顶荷载影响，桩侧摩阻力必然发生变化。通过有限元计算分析，模拟发现随着桩顶荷载增加，桩侧摩阻力分布发生变化，负摩阻力段缩短，正摩阻力段扩大，且摩擦力数值也随之减小。

2.6.2 时间效应

通过不同条件下桩承载力时间效应试验提出，摩擦型桩入土后的一段时间内其承载能力持续增大，桩侧摩阻力随之变化，极限承载力提高了40%—400%，且其在几十或几百天内达到稳定，与实际工程施工年限相差较大。

3 结论

异型桩桩侧摩阻力影响因素众多。桩受不同异形截面参数影响产生“异形效应”和“深度效应”，致使桩侧摩阻力不均匀分布。桩周土及桩端土的土质强度，对桩侧摩阻力大小产生直接影响，土强度越高桩侧摩阻力越大。另外时间效应、桩顶荷载等其他因素也对桩侧阻力产生了一定影响。由于各因素间相互联系，不能确切得出异型桩桩侧摩阻力计算公式，无法经济安全运用于工程实践。因此，对于异型桩侧摩阻力影响因素的深入分析，来优化桩身设计提高经济效益，具有非常重要的理论和工程实际意义。