经排水固结的中心排水注浆混凝土桩承载特性数值分析

王 凯， 王 飞

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.重庆市高新工程勘察设计院，重庆 401121)

桩体复合地基由桩体和桩周土共同承担上部荷载，是一种较理想的地基处理技术[1]。目前对桩体复合地基工作性状的研究广泛。李丹等[2]研究了混凝土芯水泥土搅拌桩复合地基在褥垫层作用下的承载特性，证实了褥垫层会从刚度较大的桩体“流动”至刚度较小的桩间土进行挤压，达到桩间土承担更多荷载的效果；崔莹等[3]利用有限元研究了不同桩土相对刚度对复合地基承载特性的影响，表明灰土桩复合地基较素混凝土桩复合地基存在更为明显的应力集中现象；安关峰等[4]研究了不同弹性模量下旋喷桩复合地基承载特性，表明随着桩-土相对刚度增加，桩-土应力比越大；陆清元等[5]研究了路堤下刚性桩复合地基桩-土应力比理论解，阐述了桩-土刚度差异降低，桩-土应力比则逐渐减小；刘毅等[6]研究了不同桩体性质条件的复合地基性状，得到了桩身模量增加，桩体分担的荷载相应增加；李俊圆[7]借助离心模型试验研究了柔性基础下刚性桩复合地基性状，揭示了随着桩间土的固结，桩间土强度增大，土的应力也逐渐增大。以上研究均表明桩体复合地基受力情况与桩-土刚度、软土强度紧密相关，桩-土相对刚度差异越大，软土强度越小，则桩体应力越集中，桩-土应力比值也越大，相应桩承担的荷载越大，随之桩周土承载力发挥越小。据此，围绕以桩体和桩周土承载能力同步达到最大限度的研究深入开展，一批新型复合地基处理技术不断涌现，如混凝土芯砂石桩、浆固碎石桩、高喷插芯组合桩、透水性混凝土桩、中心排水注浆混凝土桩等技术。这些新技术立足改善桩周软土性质，强度和刚度特性提高，改善桩-土受力条件，从而桩-土发挥至较理想的承载状态，复合地基承载能力得以最大发挥。文献[8]提出中心排水注浆混凝土桩桩体复合加固技术，它是一种可排水和可注浆的新型复合地基加固技术。

为较全面了解中心排水注浆混凝土桩经过排水固结后单桩复合地基承载性状，利用PLAXIS有限元软件，建立了对经过真空负压排水加固后的中心排水注浆混凝土桩、普通预制混凝土桩两类桩型静载荷试验对比计算模型，探究单桩复合地基的荷载-沉降关系、桩-土应力比、桩身轴向应力、侧向摩阻力等承载特性规律。旨在取得能够指导中心排水注浆混凝土桩设计的有益科研成果，推动其应用实践。

1 模型建立

中心排水注浆混凝土桩是一种可排水、可注浆的刚性桩体结构，如图1所示。

图1 中心排水注浆混凝土桩的排水加固构造Fig.1 The drainage consolidation structure of central drainage and grouting concrete pile

研究考虑排水固结的桩土承载作用的有限元分析，需要构建中心排水注浆混凝土桩“真空负压排水固结”后的承载性能数值分析工作体系。以单桩复合地基为研究对象，将桩、土以及载荷板视为一个相互作用的结构体系，考虑桩-土接触界面特性、软基的非线性特征等影响，采用PLAXIS3D有限元建立中心排水注浆混凝土桩和普通预制混凝土桩单桩复合地基计算模型。

1.1 模型构建

考虑实际情况，中心排水注浆混凝土桩与普通预制混凝土桩均采用直径0.8 m，桩长9.5 m的混凝土桩，桩顶载荷板采用3 m×3 m方形板，其中中心排水注浆混凝土桩排水孔采用星状对向螺旋型布置，孔径为30 cm，共27个，在PLAXIS3D软件[9]中通过排水面实现。地基模型尺寸为长30 m、宽30 m、高35 m，地基软土为35.0 m厚性质均匀饱和软黏土。以此，构建了PLAXIS3D数值计算简化模型，如图2所示。

图2 单桩复合地基模型Fig.2 A schematic of the single-pile composite foundation

1.2 材料模型及参数

饱和软黏土采用弹黏塑性模型，能够较好反映桩-土相互作用非线性特性和强度软化特征，软土计算参数如表1所示。按照PLAXIS模型手册提供的本构模型评价等级表[10]，混凝土桩体采用摩尔-库仑模型，桩体计算参数如表2所示。桩-土界面相互作用力学行为是通过PLAXIS3D有限元构造接触界面单元实现，界面模型采用理想弹塑性模型，该模型能够考虑桩-土在接触界面上滑移、分离等情况。

表1 软土计算参数

表2 桩体计算参数

1.3 模型条件

两组试验模型均在相同条件下进行，相同条件是指加载条件、桩土体参数、网格划分等均相同。不同条件：按照中心排水注浆混凝土桩结构特点，对其单桩复合地基实施30 d的真空负压排水固结，真空负压大小为90 kPa，形成图3所示的有效真空压力。而普通预制混凝土桩结构不具排水固结条件，其单桩复合地基未进行真空负压软基加固措施，在PLAXIS3D有限元中通过控制排水面状态，在同一个模型不同工况条件下实现对中心排水注浆混凝土桩和普通预制混凝土桩单桩复合地基模型计算，排水固结具体内容详见文献[10]。

图3 有效真空压力分布Fig.3 The distribution of effective vacuum pressure

静载荷板试验加载方案如下：采用分级加载，共分12级，荷载沿载荷板均匀分布，每级加载量为25 kPa，从荷载0 kPa分级加至最大荷载300 kPa。

2 结果分析

中心排水注浆混凝土桩(桩Ⅰ)和普通预制混凝土桩(桩Ⅱ)单桩复合地基静荷载模型计算结果主要为荷载-沉降曲线、桩身轴向应力分布图、桩土界面剪应力分布图、桩-土应力比曲线等。根据计算结果对比分析中心排水注浆混凝土桩与普通预制混凝土桩承载性状行为。

2.1 荷载-沉降曲线特性

单桩复合地基荷载-沉降曲线(P-S曲线)是桩土复合地基破坏机理和破坏模式的宏观表现，如图4所示。从图4可以看出：

(1)桩Ⅰ和桩Ⅱ单桩复合地基P-S曲线变化规律有相似性，都表现出随着荷载逐级施加，两桩复合地基沉降量亦随之增加。但曲线整体表现形式不同，前者为缓变型，后者为陡降型。桩Ⅰ单桩复合地基P-S曲线表现形式为缓变型，说明在荷载作用下桩端未发生刺入剪切破坏，反映出中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基以桩-土剪切作用为主的力学行为。桩Ⅱ单桩复合地基P-S曲线表现形式为陡降型，说明在荷载作用下桩Ⅱ单桩复合地基进入发生刺入剪切破坏，表现出较大的且长时间的剧烈沉降。值得一提的是，第一级荷载施加初始，桩Ⅰ单桩复合地基出现小荷载引起剧烈沉降的现象，分析认为经过排水固结沉降，桩Ⅰ沿桩身分布着负摩阻力，负摩阻力引起了剧烈沉降。实际工程中建议在加载前对其进行预压处理，消除桩身负摩阻力。

(2)根据《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012[11]要求，对于桩Ⅱ单桩复合地基P-S曲线表现形式为陡降型，极限承载力为P-S曲线拐点对应的荷载，其单桩复合地基极限承载力约为250 kPa，相应复合地基承载力为125 kPa。对于桩Ⅰ单桩复合地基P-S曲线表现形式为缓变型，极限承载力为沉降比(b为载荷板宽度)对应的荷载，其单桩复合地基极限承载力约为550 kPa，相应复合地基承载力为275 kPa。比较而言，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基极限承载力较普通预制混凝土桩极限承载力提高了约120%，说明中心排水注浆混凝土桩真经过排水固结后能有显著改善地基承载性能。

图4 单桩复合地基静载荷试验的P-S曲线Fig.4 P-S curve of static load test for single pile composite foundation

2.2 桩身轴向应力分布规律

图5、图6所示分别为在最后一级荷载作用下，桩Ⅰ和桩Ⅱ单桩复合地基的桩身轴向应力分布情况。从图5、图6可以看出，中心排水注浆混凝土桩和普通预制混凝土桩均存在一定程度的应力集中，但是两者轴向应力沿桩深存在显著不同，中心排水注浆混凝土桩桩身轴向应力分布呈上下两端小中间大的梭形，而普通预制混凝土桩桩身轴向应力分布呈上大下小的形状。在最后一级荷载作用下，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基的桩顶轴向应力为569 kPa，普通预制混凝土桩单桩复合地基的桩顶轴向应力为794 kPa。说明相同荷载等级下，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基桩顶轴向应力明显低于普通预制混凝土桩单桩复合地基桩顶轴向应力，反映中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基桩周土能够分担更多荷载。

图5 中心排水注浆混凝土桩轴向应力分布Fig.5 Axial stress distribution of central drainage and grouting concrete pile

图6 普通预制混凝土桩轴向应力分布Fig.6 Axial stress distribution of ordinary precast concrete pile

2.3 侧摩阻力分布规律

在PLAXIS3D中侧摩阻力是通过桩土接触界面上剪切应力大小来表征的，桩周土体产生剪切变形，以剪切应力形式产生侧摩阻力。以最后一级荷载作用下桩土界面剪应力图为例，对比分析中心排水注浆混凝土桩(桩Ⅰ)单桩复合地基和普通预制混凝土桩(桩Ⅱ)单桩复合地基侧摩阻力分布规律，如图7、图8所示。

图7 桩Ⅰ单桩复合地基桩土界面剪应力Fig.7 Shear stress of pile-soil interface for the pile Ⅰ

图8 桩Ⅱ单桩复合地基桩土界面剪应力Fig.8 Shear stress of pile-soil interface for the pile Ⅱ

可以看出，在最后一级荷载下桩Ⅰ和桩Ⅱ单桩复合地基桩-土界面剪切应力的分布特征明显不同。桩Ⅰ单桩复合地基桩土界面剪切应力沿桩深分布呈上、下两端小，中间大的梭形，这与轴向应力分布规律相似，桩体上部出现负剪切应力(对应负摩阻力)，桩体下部出现正剪切应力(对应正摩阻力)，桩体表现出明显的上部“削弱效应”、下部“增强效应”的特点。中性点位置在桩深3.7 m位置，约在桩体上部1/3长度左右，这是因真空负压桩周软土固结沉降沿桩深分布负摩阻力。在8.8 m深度处达到最大正摩阻力，大小为27 kN/m2。

桩Ⅱ单桩复合地基桩土界面剪切应力沿桩深分布呈上小中大下直的形状，剪应力的符号没有发生变化，桩身出现正剪切应力(对应正摩阻力)，最大正摩阻力在桩深8.5 m位置，大小为16 kN/m2。

比较分析单桩复合地基静载荷试验侧摩阻力发挥程度，中心排水注浆混凝土桩的桩土界面极限侧摩阻力为普通预制混凝土桩极限侧摩阻力的2.5倍左右，得益于中心排水注浆混凝土桩的桩侧软土快速排水固结，使得软土有效应力增加，软土强度的提高，改善了桩土接触界面的力学特性。

2.4 桩土应力比-荷载曲线对比分析

桩土应力比体现了复合地基受到荷载作用时桩体应力集中程度，它的变化直接表现为桩土复合地基承载力的分担情况。借助单桩复合地基静载荷试验数值计算，得到各个荷载作用下相应的桩顶应力和桩周土应力，绘制得到桩Ⅰ和桩Ⅱ单桩复合地基桩土应力比与荷载关系曲线，如图9所示。

可以看出，桩土应力比均随荷载增加而逐渐增大，桩体出现应力集中现象。在每级荷载作用下，桩Ⅰ和桩Ⅱ桩土应力比值是不同的，且变化规律存在较大的差异，随着荷载等级增大，桩Ⅰ单桩复合地基桩土应力比趋于较平衡状态，桩Ⅱ单桩复合地基桩土应力比呈波动递增状态。中心排水注浆混凝土桩桩土应力比稳定值大约在15左右，对应的桩土荷载分担比约为0.88，则桩周土承担荷载约占总荷载的53.2%，普通预制混凝土桩最终桩土应力比大约在28左右，对应的桩土荷载分担比约为1.65，则桩周土承担荷载约占总荷载的37.7%。可见，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基桩土应力比明显小于普通预制混凝土桩单桩复合地基桩土应力比，桩周土分担荷载能力增强。分析原因：相比桩Ⅱ单桩复合地基，桩Ⅰ单桩复合地基采取了真空负压排水固结，软基强度和刚度均得到提高，从而桩周土分担荷载能力增加以及自身承载能力提高，从而桩周土发挥了较大的承载作用，减少了桩体的受力。

3 结论

针对中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基经过排水固结后的承载性状，展开了静载荷试验数值模拟研究工作，获得单桩复合地基P-S关系、桩-土应力比、桩身轴向应力、桩侧剪应力等承载特性规律，揭示中心排水注浆混凝土桩承载性状增强机理。结论如下。

(1)承载力方面，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基极限承载力较普通预制混凝土桩单桩复合地基极限承载力提高了约120%。在桩-土荷载分担方面，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基桩土应力比明显小于普通预制混凝土桩单桩复合地基桩土应力比，桩周土分担荷载能力增强。

(2)中心排水注浆混凝土桩经过排水固结沉降，沿桩身存在负摩阻力，负摩阻力一定程度上削弱桩的承载能力，实际工程中建议在承载前对其进行预压处理。尽管如此，中心排水注浆混凝土桩的桩土界面极限侧摩阻力为普通预制混凝土桩极限侧摩阻力的2.5倍左右，中心排水注浆混凝土桩的桩侧软土排水固结，软土有效应力增加，改善了桩土接触界面的力学特性。

(3)经过30 d真空负压排水固结，中心排水注浆混凝土桩单桩复合地基桩周软土性质得以改善，强度和刚度特性得到提高，增强了桩周软土的承载力。此外，桩-土受力条件也得到改善，让桩周软土的承载力充分发挥。因此，中心排水注浆混凝土桩桩体复合地基能够使得桩体和桩周土趋于同步发挥承载力极限状态，承载能力得到极大提高。