四川阿坝州山区微型桩承载性能分析

范荣全，董 斌，刘晓宇，王 亮，唐 杨

(1.国网四川省电力公司，四川成都610041；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610041；3.国网阿坝供电公司，四川茂县624000)

微型桩是在树根桩基础上发展起来的一种新型小直径钻孔灌注桩[1]，直径通常小于0.4 m，长径比较大[2]。微型桩具耗材少、作业占地少、施工机具调遣灵活以及施工方便等优点[3]，可很好地解决传统基础运输困难、施工慢及污染大等难题；较传统灌注桩基础其具有更好的经济效益，因而在我国部分地区的软土以及黄土等地基中得到初步应用，并取得一定成功经验[4]。微型桩在工程中的应用主要分为两种：作为抗滑桩应用于边坡治理工程，已有研究主要集中在这方面[5]；作为桩基础用于基础工程，受到部分学者关注。Shin等[6]试验研究了长径比对微型桩抗拔承载力的影响，提出饱和黏性土中桩抗拔承载力的经验公式；Shelke等[7]发现，随着轴压力增大，沿桩长的摩阻力减小；Scott等[8]试验得出极限抗拔承载力由桩侧的摩阻力与桩体自重组成；刘兵民等[9]通过工程实例分析得出微型桩可作为硬岩地区的桩基础；刘自龙等[10]认为戈壁滩地区微型桩的极限抗拔承载力与极限抗压承载力之比取0.58较合适；李元[11]认为相同上拔荷载作用下的负斜桩桩身弯矩大于正斜桩，上拔荷载越大，正负斜桩桩身同一截面处的轴力越大，桩侧同一截面处的平均摩阻力也越大；孙剑平等[12]提出了微型桩的抗压承载力估算公式；屈伟[13]研究了施工工艺对微型桩承载性能的影响，结果表明二次注浆技术可显著提高微型桩的承载力。上述文献表明，微型桩作为桩基础的应用多针对软土地区，较少涉及岩质较为坚硬的山区等地区。

新建的成兰铁路位于四川和甘肃境内，正线457.6 km。牵引变电站等送变电工程是保障成兰铁路正常运营的重要组成部分，稳定的杆塔基础是送变电工程系统安全稳定运行的基石，成兰铁路某牵引站送变电工程拟在杆塔基础工程中使用微型桩。鉴于此，文中结合实际工程，采用ABAQUS软件数值分析川西山区工程微型桩基础的承载性能，以期推广微型桩基础在山区的应用。

1 数值分析的计算原理

在ABAQUS 软件中地基土的承载力理论分析方法主要有α 法和β 法。α 法适用于黏土地区，β 法是基于有效应力的分析方法[14]。山区地下水一般埋藏较深，与α 法的适用环境不同，在无地下水的影响下，山区地基土承载力由有效应力确定，因此选择β 法计算微型桩承载力。

1.1 桩侧地基土的摩阻力极限强度

β 法中单位面积上的摩阻力极限强度fs计算公式为

式中β=μK0。对于正常固结土近似有

式中φ′为土体的有效摩擦角，而桩壁与土体之间的摩擦系数μ 可取tan(0.75～1)φ′，当微型桩二次注浆时取较大值[15]。

1.2 桩端土的端阻力极限强度

β 方法中单位面积上的端阻力极限强度fb计算公式为

其中η 为控制桩端破坏面性状的角度(如图1)，在0.33π(黏土)至0.58π(紧砂)之间变化。

2 模型的建立

2.1 工程概况与模型

某桩基工程位于阿坝藏族羌族自治州松潘县境内，海拔高度在3 000 m 左右。据钻探揭露，0～4 m 为粉质黏土，4 m 以下为碎块石，场地地层结构简单，地层变化较小，第四系土层主要为含碎石粉质黏土和含粉质黏土碎块石，未见地下水。根据桩基工程概况，利用对称性建立桩基轴对称模型，如图2。

图1 桩端剪切破坏面Fig.1 Shear failure surface of pile tip

图2 数值分析计算模型Fig.2 Numerical analysis and calculation model

2.2 边界条件与计算参数

根据地质分析，模型两侧边界约束其水平位移，底边界为全约束，顶边界为自由边界。桩身采用弹性模型，地基土采用M-C本构模型[16]。在试验场地钻孔取样，对钻孔样进行室内土工试验，地基土物理力学参数如表1。实际工程中，对于较硬的土，常取土体弹性模量E0为压缩模量Es的2～8倍[17]，土越坚硬，倍数越大。除容重γ、弹性模量E0、泊松比υ、内聚力C 以及内摩擦角φ 外，还需考虑桩-土接触时的摩擦系数μ。文中选取面-面接触作为桩-土接触的形式，在2个接触面产生相对滑动之前，接触面上会产生剪应力，这种状态为黏合状态；在剪应力超过桩-土界面的摩阻力极限强度后，2个接触面会产生相对位移，这种状态为滑移状态。对于黏合至滑移状态的桩-土，其相对位移在一定范围内，黏性土一般为5～10 mm，砂土等非黏性土一般为10～15 mm。桩-土接触面的摩擦系数受土体性质与施工工艺的影响，一般情况下，取0.75～1倍土体有效内摩擦角的正切值为桩壁与土之间的摩擦系数μ[18]。

根据工程区输电线路设计资料，输电铁塔受到的下压荷载为600～1 500 kN，受到的上拔荷载为550～1 200 kN，微型桩基础多为群桩。因此，输电线路中微型桩单桩受到的下压荷载一般为150～375 kN，上拔荷载一般为100～300 kN。桩基础承载力分析属于静力分析，故数值计算中不考虑时间效应[14]。参考承载力静载试验的分级加载要求[19-20]，文中对抗压桩采用逐级加载的方式，第一级加载60 kN，之后每级加载30 kN；对抗拔桩每级加载25 kN，加载步骤如表2～3。

表1 地基土物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parametersof foundation soil

表2 抗压桩加载步骤Tab.2 Loading steps of compressive pile

表3 抗拔桩加载步骤Tab.3 Loading steps of pile pulling resistance

3 数值计算结果与分析

3.1 桩长对微型桩承载性能的影响

3.1.1 桩长对抗压桩承载性能的影响

为分析微型桩的承载性能，根据数值计算的结果提取微型桩桩顶截面与桩端截面的轴向力和轴向荷载。4种桩长L的单桩荷载-位移曲线如图3。由图3可看出：桩顶位移随桩顶下压荷载的增加而增大，随桩长的增加而减少；桩长越短，桩顶位移增长率越大；在桩顶下压荷载小于180 kN时，各桩长的荷载-位移曲线呈近水平状，随着桩顶下压荷载的增加，荷载-位移曲线出现拐点，拐点后位移增量明显增加；同一荷载作用下，桩顶的位移着桩长的增加而减小。

桩的摩阻力和端阻力的荷载分担比是衡量桩基承载性能的重要指标，是划分桩基类型的重要参考。不同桩长抗压桩端阻力与摩阻力荷载分担比分别如图4，5。提取各桩长达到极限承载力时的桩顶下压荷载及端阻力承载和摩阻力承载，结果如表4。

图3 不同桩长抗压桩桩顶荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curves of pile top of compressive pile of different pile lengths

图4 不同桩长抗压桩端阻力分担荷载曲线Fig.4 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile lengths

图5 不同桩长抗压桩摩阻力分担荷载曲线Fig.5 Load sharing curves of friction resistance of compressive piles with different pile lengths

表4 基桩荷载分担比例Tab.4 Load sharing ratio of foundation piles

由图4，5 及表4 可知：摩阻力与端阻力同时发挥作用，不同情况下荷载的主要承担对象不同，桩顶下压荷载为0 时，桩端地基土由于桩身自重受到8～20 kN的下压力；桩顶下压荷载较小时，端阻力分担的荷载较小，此时桩顶下荷载主要由摩阻力承担，端阻力发挥的作用很小；随着下压荷载的增大，端阻力开始逐渐增大，分担的荷载随之增加；随着桩长的增加，端阻力的分担比逐渐减小，根据受力类型划分桩长较短时微型桩属于摩擦端承桩，桩长较长时微型桩属于端承摩擦桩。

3.1.2 桩长对抗拔桩承载性能的影响

图6 不同桩长时抗拔桩荷载-位移曲线Fig.6 Load displacement curves of unpulled pile of different pile lengths

图7 不同桩径时抗压桩荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of compressive pile of different pile diameters

单桩在上拔荷载作用下的荷载-位移曲线如图6。由图6 可看出：随着桩长的增加，各桩的极限抗拔承载力分别为75，125，200，275 kN；同一荷载作用下，随着桩长的增加，桩顶的位移明显减小。

3.2 桩径对微型桩承载性能的影响

3.2.1 桩径对抗压桩承载性能的影响

不同桩径D 下微型桩单桩的荷载-位移曲线如图7。由图7可看出：桩顶位移随桩顶下压荷载的增加而增大；各桩径的荷载-位移曲线均有较为明显的转折点，桩顶下压荷载小于转折点荷载时，桩顶位移增加较小，桩顶下压荷载大于转折点荷载时，桩顶位移增量明显增大，且拐点的出现随桩径增大而延后；同一荷载作用下，桩径较小时桩顶的位移较大，随着桩径增加桩顶位移明显减小，桩的承载性能显著提高。

不同桩径的抗压桩端阻力与摩阻力分担荷载曲线分别如图8，9。提取各桩径达到极限承载力时的桩顶下压荷载及端阻力承载和摩阻力承载，结果如表5。由图8，9 及表5 知：小于极限抗压荷载时，随着桩径增大，端阻力分担比逐渐减小，即端阻力的发挥作用变小，但随着荷载的增大，端阻力呈增大趋势；桩径不同，端阻力与摩阻力最先充分发挥作用的情况不同，桩径较大时端阻力先充分发挥，桩径较小时摩阻力先充分发挥。因此，根据受力类型划分桩径较大时微型桩属于摩擦端承桩，桩径较小时型桩属于端承摩擦桩。

图8 不同桩径抗压桩端阻力分担荷载曲线Fig.8 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile sizes

图9 不同桩径抗压桩摩阻力分担荷载曲线Fig.9 Load sharing curves of pile friction resistance of different pile diameters

表5 基桩荷载分担比例Tab.5 Load sharing ratio of foundation piles

3.2.2 桩径对抗拔桩承载性能的影响

单桩在上拔荷载作用下的荷载-位移曲线如图10。由图10可看出：同一荷载作用下，桩顶位移随着桩径的增加减小；各桩径均可满足75 kN的上拔力；各桩径均有拐点，且拐点对应荷载均小于300 kN，桩顶上拔荷载为300 kN 时，桩体被拔出；随着桩径增加，桩顶极限抗拔承载力相应增加，即桩径为200，250，300，350，400 mm时对应的极限抗拔承载力分别为75，100，125，150，175 kN。

3.3 桩基础的工程性能

桩基础的工程性能包括基础的稳定性及经济性，稳定性用桩基础的承载力来衡量，经济性用桩承载力与桩身体积比来衡量，即用单位体积混凝土承载力来衡量。对计算结果进行整理，得到桩长与桩径对微型桩工程性能的影响，结果如图11，12。由图11，12 可知：随着桩长增大，桩的承载力增加，单位体积混凝土承载力降低，桩稳定性提高，经济性降低；随着桩径增大，桩的承载力增加，单位体积混凝土承载力降低，桩稳定性提高，经济性降低。

图10 不同桩径时抗拔桩荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves of tensile pile of different pile diameters

图11 桩长对微型桩工程性能的影响Fig.11 Influence of pile length on engineering performance of micro piles

图12 桩径对微型桩工程性能的影响Fig.12 Influence of pile diameter on engineering performance of micro piles

结合工程实际承载要求，工程基础的抗拔承载力设计值为550 kN，抗压承载力设计值为1 000 kN。考虑到桩长较大时，施工难度大，结合数值计算的结果，选取桩长8 m、桩径300 mm的微型桩组成2×2的群桩基础作为工程的试验基础。

4 结 论

1)桩顶位移随桩顶下压荷载的增加而增大，随桩长的增加而减少；根据受力类型，桩长较短时微型桩为摩擦端承桩，桩长较长时微型桩为端承摩擦桩；对于抗拔桩，随着桩长增加，各桩的极限抗拔承载力逐渐增大。

2)桩顶位移随桩顶下压荷载的增加而增大，随桩径的增加而减小；各桩径的荷载-位移曲线均有较明显的转折点，桩顶下压荷载小于转折点荷载时桩顶位移增加较小，桩顶下压荷载大于转折点荷载时桩顶位移增量增大，且拐点的出现随桩径增大而延后；根据受力类型，桩径较大时微型桩为摩擦端承桩，桩径较小时微型桩为端承摩擦桩。对于抗拔桩，各桩径均可满足75 kN的上拔力，均有拐点，且拐点对应荷载均小于300 kN，即桩顶上拔荷载为300 kN时，桩体被拔出；随着桩径增加，各桩的极限抗拔承载力逐渐增大。

3)随着桩长与桩径的增大，桩的承载力增加，单位体积混凝土承载力降低，也即桩稳定性提高、经济性降低。结合工程的实际承载要求与施工难度，选取桩长为8 m、桩径300 mm的微型桩组成2×2的群桩基础作为工程的试验基础。