软土地区静态钻孔结节桩承载力

摘要：静压钻孔结节桩是一种新型的桩基，由预制结节桩和周围的水泥土组成。该复合桩具有相对较高的承载能力，并且在施工过程中通过使用这种类型的桩将大大减少泥漿污染。为了研究该桩的承载力，进行了一组试验，以对这种新桩与钻孔桩进行对比。通过安装在桩上的应变仪测量预制结节桩的轴向力，分析结节桩的轴力分布和周围土壤支撑的表面摩擦力，然后利用ABAQUS建立三维模型。

Abstract： Static pressure drilled knot pile is a new type of pile foundation， which consists of prefabricated knot piles and surrounding cement soil. The composite pile has relatively high bearing capacity and is used during construction. The pile will greatly reduce mud pollution. In order to study the bearing capacity of the pile， a set of tests was carried out to compare the new pile with the bored pile. The axis of the precast knot pile was measured by a strain gauge mounted on the pile. To analyze the axial force distribution of the nodule pile and the surface friction of the surrounding soil support， and then use ABAQUS to establish a three-dimensional model.

关键词：静压钻根桩;承载力;ABAQUS;双应力分散系统;三维造型

Key words： static pressure drill pile;bearing capacity;ABAQUS;double stress dispersion system;three-dimensional modeling

中图分类号：TU471.8                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0164-04

1  介绍

目前，预制钢筋混凝土桩和钻孔灌注桩广泛应用于我国深厚软土地区的高层建筑工程中。预制钢筋混凝土桩具有以下优点堆垛速度快，成本相对较低，而钻孔灌注桩的优越性是承载力相对较高，容易控制施工深度，噪音小。但是，这两种桩在实际中也存在明显的不足应用。在软土地基中使用时，预制钢筋混凝土桩的表面摩擦总是很小，经常会发生皮肤摩擦达到最终状态，沉降变得很大，以至于桩的强度不能继续承受。因此，希望能够形成一种新型桩来代替上述两桩。静态钻根结节桩已被确定为可用于深层软土地区的桩。它首先在日本使用，然后引入中国[1-2]。静电钻根结节桩由预制结节桩和水泥土组成。首先，使用螺旋钻来搅拌和灌浆形成水泥土，然后预制结节桩放入水泥土中。这种施工方法不仅避免了预制桩施工过程中产生的压实效果，而且避免了泥浆效应和桩尖。主要应用表明，与钻孔桩相比，使用这种结节桩方法可以将成本降低10%[3-4]。因此，这种复合桩不仅可以避免土壤压实效应泥浆污染，但也具有经济优势，因此将该桩引入我国广阔的软土地区具有重要意义。

在这项研究中，进行了静态钻根模块桩和钻孔桩的全尺寸破坏性现场试验，以比较这两个桩之间的承载能力，还对带有应变仪的静态钻根桩进行了全尺寸现场试验。最后，使用有限元程序图ABAQUS模拟现场试验中的桩，以深入分析静态钻孔桩。

2  结节桩的承载力

2.1 静态钻根法

静电钻根法是一种环境友好的施工方法，可以大大减少泥浆排放，对周围设施的影响很小。施工过程可以通过以下五个步骤结束：

①钻孔：将钻孔机定位在正确的位置，然后根据地质条件确定钻孔速度。另外，在钻井过程中，根据地质条件注入水或膨润土混合液以修复孔。

②扩展：这里使用的钻孔机是特别的，有一个可以扩展的翼。当钻机达到设定的深度时，机翼将按设定的尺寸扩展，并使钻孔的直径达到设定的大小扩展底部，整个过程由管理设备监控。

③桩尖灌浆：桩端灌浆，在灌浆过程中反复上下钻机，确保水泥浆注入井底，水泥土均匀。

④灌浆和拔出钻孔机：沿着孔灌浆并在拔出钻孔机的同时反复搅拌。

⑤将桩放入孔中：放入预制件钻孔机拔出后，球洞堆入孔内。

监控过程以确保桩垂直并达到正确的深度。

2.2 结节桩元件的荷载传递机制

静压钻头结节桩是一种复合桩基，由预制结节桩和周围的胶结土组成。因此，它与传统的桩不同，导致其载荷传递机制不同。垂直荷载主要由预制结节桩承担，然后预制桩将部分荷载传递给水泥土，水泥土将荷载传递给周围土壤。水泥土做成了在加载过程中有很大差异，从实际工程样品来看，胶合浆的抗压强度为10MPa到20MPa。

在当前的工程工程中，水泥土为4MPa至7MPa。结构桩的示意图和桩元件的载荷传递路径如图1所示。在该图中，预制结节桩被水泥土包围，并且结节桩的尖端类型被打開。Q1是预制结节桩上的轴向力，Q 和Q 是外部的轴向力水泥土和内部胶结土。qs1是球墨铸铁桩与内部胶结土之间的侧摩擦力，qs2是球墨铸铁桩与外部胶结土之间的侧摩擦力，qs3是外部胶结土之间的侧摩阻力。和周围的土壤。这些参数之间的关系可归纳如下：

其中u1和u2是球状桩的内外周长，u3是水泥土的周长，L是桩元的长度。

2.3 场地条件和桩况

为了研究静态钻根结节桩的承载力，并比较结核桩和钻孔灌注桩的承载力，四个静态钻根结节桩的破坏性现场试验和进行了两次钻孔。

在该现场试验中选择了两种类型的球墨铸铁桩，即一种在节点中直径为650mm，在其他部分中为500mm（称为650（500）mm型），另一种直径为800mm。在节点和600毫米的其他部分（称为800（600）毫米类型）。两者的直径钻孔桩分别为800毫米和1000毫米，所有六个桩长64米。在该试验中，将球墨铸铁桩和普通预制管桩焊接在一起。结节桩上的节点是为了增强桩与胶结之间的内聚力土壤，在浅层土壤中，用于凝聚力水泥土与土壤之间的粘结力相对较小，因此桩与水泥土之间的粘结力不需要很高，选择管桩为浅层土壤层。650（500）mm型结节桩是连接三个600毫米管桩，每个管桩长12米，12米和10米，两个650（500）毫米的15米球团桩焊接在管桩下面，所以总长度为64米，的直径钻孔为700毫米。两个800（600）毫米每根长15米的球状桩与3根800毫米管桩相连，每根管桩长4米，15米，15米，总长64米，钻孔直径850毫米。试验桩的示意图和该试验中六个桩的布局如图2所示1号和2号试桩为850毫米，3号和4号试桩为700毫米。5号试桩的直径为1000毫米，6号桩的直径为800毫米。详细的土壤剖面和属性在表1中给出了其中？酌sat是饱和单位重量;Ip和Il是可塑性指数和流动性指数;Es是每个土层的压缩模量;c和？渍是内聚力和内聚力每个土层的摩擦角都是通过合并不排水（CU）三轴试验测量;qsa和qpa分别是最终单位侧摩擦力和尖端阻力的推荐值，这是根据CPTs估算的。

2.4 单桩现场试验

根据中国行业标准（JGJ106-2003）进行单桩现场试验。现场试验采用缓慢加载的方法，逐步施加载荷。价值将步长设定为估计的最大测试负荷的1/8-1/12，并且第一步的值是其他步骤的两倍。在桩顶的定居点在每个加载步骤之后以5分钟，15分钟，30分钟，45分钟，60分钟，90分钟的间隔测量，直到达到一定的沉降速率（例如，沉降不大于0.1mm/小时）。卸载值是装载值的两倍，桩顶沉降物以15分钟，30分钟，60分钟等的间隔进行测量。卸载后需要等待3小时才能达到零。图3和图4显示了静态钻根结节桩和钻孔桩的荷载-位移曲线。

图3显示了载荷-位移曲线700毫米结节桩（如上所述，预制结节桩被水泥土包围，650（500）毫米结节桩的钻头直径为700毫米，所以这里称为700毫米结核桩）和800毫米钻孔桩。三个载荷-位移曲线看起来相似，并且都具有明显的转折点，这表明所有三个桩都可能发生冲压失效。失败标准三堆的总结如下。当3号试桩的施加载荷达到8000kN时，桩顶的沉降量急剧增加，从而很可能发生冲孔失效;因此，3号试桩的极限承载力为7200kN。当4号试桩时当载荷达到8600kN时，桩顶的沉降迅速增加，很可能发生冲孔失效，4号试桩的极限承载力为8100kN。当6号试桩的施加载荷达到8800kN时，桩顶的沉降量急剧增加，从而很可能发生冲孔失效，6号试桩的极限承载力为8000kN。在实际工程中，球团桩中使用的混凝土为C100（JGJ94-2008），C100混凝土的阻力为100MPa，减速系数为0.80。对于650（500）mm球墨铸铁桩，球墨铸铁桩的厚度为100mm，表面截面约为100mm0.126m2，桩顶最大施力为8600kN，垂直应力为68.2MPa，小于80MPa，结节桩上的载荷必须小于8600kN，因此这里使用的材料是认为可靠。

从现场试验后的挖掘桩中，不会发生材料破坏。3号和4号试桩是700毫米静态钻根结节桩，6号试桩是800毫米钻孔桩，而这三个桩的荷载-位移曲线和极限承载力似乎是类似的，从现场试验中可以看出，700毫米静态钻头承载结节桩的承载能力和800毫米钻孔桩类似。

850mm的载荷-位移曲线结节桩（800（600）球状桩由直径为850mm的水泥土包围，因此这里称为850mm结节桩），图4所示为1000mm钻孔桩。从图中可以看出，三个试桩的荷载-位移曲线相似。三个桩的破坏标准总结如下，当1号试桩的施加载荷达到9600kN时，桩顶的沉降量急剧增加，因此很可能发生冲孔失效，1号试桩的极限承载力为8800kN。当2号试桩装入时10000kN，堆顶部的沉降迅速增加，因此很可能发生冲压失效，2号试桩的极限承载力为9500kN。当5号试桩的施加载荷达到10400kN时，桩顶的沉降量急剧增加，从而很可能发生冲孔失效，6号试桩的极限承载力为9600kN。结节中使用的混凝土是C100，即C100混凝土的阻力为100MPa。适用于800（600）mm结节桩，桩厚110毫米，表面截面约0.238平方米，最大施力11000千牛，垂直应力46.2兆帕，小于80兆帕，则结节载荷必须小于11000kN。就这样这里使用的材料被认为是可靠的1号和2号试桩是850毫米静态钻根结节桩和5号试桩是1000mm钻孔桩。三个试桩的荷载-位移曲线和极限承载力也是相似的，因此也可以认为850mm静态的承载能力钻根结节桩和1000毫米钻孔桩是相似的。根据上述两组现场试验，可以看出静态钻根结节桩和钻孔灌注桩的荷载-位移曲线的形式是相似的。施加在桩顶上的载荷首先由表面摩擦提供，并且在皮肤抵抗之前不会出现绒头尖端阻力充分动员;最后，冲压失败终于发生了。两组现场试验表明，承载能力为700毫米静态钻头根节桩和800毫米钻孔桩类似，而850毫米静态钻根结节桩的承载能力类似于1000毫米钻孔桩。因此，可以得出结论静压钻根瘤桩的承载力高于钻孔灌注桩。

3  有限元法模拟

提供更深入的负载研究通过对该复合桩的传递机理，研究了预制结核和水泥土的荷载比，研究了预制桩与水泥土在加载过程中的相对位移。使用ABAQUS有限元程序建立并计算了三维模型，因为在实际工程中难以在水泥土中设置测量仪器。

3.1 造型

三维模型用于模拟垂直荷载下静态钻根结节桩，因为它是一个轴对称问题，然后建立了一半的复合桩模型。预制结节桩定义为线弹性材料，水泥土和土壤定义为Mohr-Coulomb弹塑性材料，桩-水泥土相对位移和水泥土-土相对位移，考虑地应力产生的初始应力场，并应用负荷由位移控制方法控制。选择72m长的球状桩进行模拟，并选择几何参数桩的数量是根据现场试验中的试桩。桩周围土壤半径为20m，深度为100m，根据表2选择土壤参数。现场试验中水泥含量为12%-20%，因此弹性模量水泥土的约为200MPa，泊松比为0.3。打桩过程相对较快，这里采用总应力分析和不排水分析。选择Newton-Raphson迭代方法常用于ABAQUS/STANDARD试验。土壤层的详细信息，结节桩和水泥土的参数分别列于表3和表4中。

3.2 接口定义

界面元素的选择在有限元方法建模中具有重要意义，在该模型中定义了三个界面元素：桩-水泥土界面，水泥土-土界面和桩-土界面。所有三个界面的正常接触被定义为硬接触，剪切接触被定义为库仑摩擦模型。摩擦系数的选择是对于荷载传递过程的准确性具有重要意义。桩-水泥土界面的摩擦系数选择为0.65。可以计算桩-土界面的摩擦系数通过：

水泥土-土界面的表面摩擦力高于钻孔桩的桩土界面，通过数百种不同的模型试验，结合上述经验和试验场土壤条件，粘性土中水泥土-土界面摩擦系数设定为0.3，在沙质土壤中0.39。如上所述，界面的正常触点定义为硬接触，弹性滑动允许值应设置在弹性滑动选项中，其中常用单位长度的0.5%，所以这里弹性滑动允许值设定为单位的0.5%长度。ABAQUS程序建模中的整个模型和结节桩的草图如图5所示。

3.3 结果分析

模拟计算在建模过程完成后开始，现场测试的载荷-位移曲线和ABAQUS程序计算的载荷-位移曲线如图6所示。

如图6所示，ABAQUS计算的载荷-位移曲线与现场试验的载荷-位移曲线有一些差异，两条曲线的趋势相似，两条曲线的极限承载力接近，表明所提出的建模方法可靠，使用该模型进行研究是可行的。静力钻的荷载传递机理扎根结节桩。

4  结论

本文研究了静态钻根结节的承载力和荷载传递机理通过一系列现场测试和ABAQUS建模，可以得出一些结论：①根据现场试验和数值分析，静压钻孔结节桩的承载力比软土地区的钻孔灌注桩高8%～10%。来自中国深层软土层某些地方的主要应用统计数据表明，与钻孔灌注桩相比，使用这种结核堆可以降低10%的成本。②静态钻根结节桩结合了水泥土桩相对较高的表面摩擦力和预制桩的较高强度的优点，形成了双应力分散系统。从现场试验来看，这种荷载传递系统证明比软土地区的传统桩更好。此外，使用这种方法可以大大减少泥浆污染。③静压钻孔结节桩的沉降由预制结节桩控制。在数值分析的四个步骤中，预制桩和土壤的最大位移差异分别为8.1%，4.3%，3.4%，1.7%，因此球团桩和水泥土可视为变形是可变的。

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作者簡介：杜佼（1986-），女，吉林舒兰人，讲师，本科，学士，研究方向为土木工程。