螺锁式异型复合桩承载力试验分析

朱 正

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

螺锁式异型复合桩(以下简称异型复合桩)是水泥土桩与植入的螺锁式异型管桩复合而成的桩型。近年来，在沿海软土地区逐步推广和应用，该桩同时具备异型管桩和水泥土桩的优点，既利用了异型管桩高强度、低压缩模量来承担荷载，又利用异型管桩与水泥土桩接触面的强黏结力、异型管桩桩身带肋的特点增大桩土接触面积来提高侧摩阻力。

目前国内不少学者对异型管桩及水泥土复合桩承载特性展开研究。吴迈等[1]通过模型试验提出芯桩承担大部分荷载，并通过桩侧和桩端阻力传递给水泥土，水泥土进一步通过桩侧和桩端阻力传递给桩周土。董平等[2]通过对混凝土芯水泥土桩进行有限元分析，提出上部荷载基本由混凝土内芯承担，该复合桩的工作特性与单桩相似，而不是复合地基的性状。陈颖辉等[3]通过现场试验提出芯桩侧面积过小和水泥土桩强度过低时，芯桩与水泥土之间摩阻力、端阻力先进入极限状态，从而引起桩身破坏。钱于军等[4]主要通过对现场管桩及水泥土-管桩复合桩进行试桩试验，测试桩身轴力分布，提出复合基桩桩土界面的侧摩阻力较PHC管桩与钻孔灌注桩均有大幅度提高。龚晓南等[5]通过对现场静载荷试验及有限元分析提出竹节桩桩周水泥土可以增大桩-土接触面积从而增大桩侧摩阻力。李立业[6]通过试验提出混凝土预制桩植入水泥土搅拌桩的过程对水泥土有一定的挤密作用，可以减小水泥土的总变形，但在排水条件较差的土层中，水泥土的强度和模量增加不明显。

通过对上海某工程异型复合桩试桩和工程桩进行静载荷试验，分析异型复合桩的抗压和抗拔承载特性。

1 工程地质条件

表1 土层分布情况与土体力学指标

2 试桩情况及试验结果分析

2.1 承载力估算

在试验场地南区、北区各进行6根异型复合桩破坏性竖向抗压静载荷试验和6根异型复合桩破坏性竖向抗拔静载荷试验。异型复合桩施工过程：先施打直径700mm的水泥土搅拌桩(外芯桩)，6h内植入异型管桩(内芯桩)，外芯桩和内芯桩等长，异型管桩采用的型号：抗压试桩为T-PHC C500-460(110)-15，15，12，抗拔试桩为T-PHC D500-460(130)-10，10，11，支撑桩为T-PHC C500-460(110)-10，10，11。桩顶标高均为4.300m，异型复合桩如图1所示。根据JGJ/T405—2017《预应力混凝土异型预制桩技术规程》[7]中异型复合桩承载力计算公式，参考表1中各土层物理力学指标，初步估算本场地试桩在3种破坏模式下抗压及抗拔极限承载力标准值，其中抗拔桩只考虑群桩呈非整体破坏，极限承载力估算结果如表2所示，异型复合桩竖向抗压和抗拔极限承载力取估算结果的小值。

表2 极限承载力估算结果 kN

根据表2中承载力估算结果可知，一般情况下，异型复合桩的外芯与桩周土界面先出现破坏。本工程抗拔桩不允许出现裂缝时轴心抗裂拉力为1 466kN以及抗压桩不考虑压曲影响下桩身轴心受压承载力为3 691kN。本次试验抗压试桩竖向抗压极限承载力标准值取3 600kN，抗拔试桩竖向抗拔极限承载力标准值取1 450kN。

表4 抗拔试验结果

2.2 试桩概况

试桩达到28d龄期后进行破坏性静载荷试验。采用慢速维持荷载法，抗压静载荷试验采用压重平台反力装置，压板尺寸与复合桩的截面尺寸一致，抗拔静载荷试验采用支撑桩提供反力。加载按极限承载力标准值的1/10为加载极差，直到加载至破坏。抗拔试桩累计上拔量超过30mm时终止加载，其余桩顶位移观测量、试验终止标准及极限承载力判定等均参照DG/TJ08—218—2017《建筑地基与基桩检测技术规程》[8]、JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》[9]执行。

2.3 试验结果及分析

北区6根抗压试桩编号为NY1～NY6，6根抗拔试桩编号为NB1～NB6。南区6根抗压试桩编号为SY1～SY6，6根抗拔试桩编号为SB1～SB6，试验结果如表3，4所示，抗压桩曲线如图2所示，抗拔桩曲线如图3所示。

表3 抗压试验结果

图2 抗压桩Q-s曲线

图3 抗拔桩U-δ曲线

2.3.1承载力分析

1)北区NY6抗压桩因桩顶混凝土压碎停止试验，桩土界面未发生破坏，其余5根抗压桩的竖向抗压极限承载力实测值为估算值(4 053.0 kN)的1.15～1.24倍；南区6根抗压桩的竖向抗压极限承载力实测值为估算值(4 053.0kN)的0.98～1.07倍。

2)北区6根抗拔桩的竖向抗拔极限承载力实测值为估算值(1 905.8 kN)的0.91～1.06倍。南区6根抗拔桩的竖向抗拔极限承载力为估算值(1 905.8kN)的0.61～0.68倍。

3)仅南区6根抗拔试桩承载力不满足设计要求，根据表2承载力估算，水泥土与管桩界面的侧阻力比外芯水泥土与桩周土界面的侧阻力大得多。水泥土与管桩界面提前破坏，文献[10]提出水泥土与混凝土芯体的黏结强度随水泥土强度的增加而增大，在水泥土质量有保证的情况下不易出现水泥土与管桩接触面的破坏，能够保证水泥土与管桩协同工作。说明该6根试桩水泥土与管桩的凝结力差，水泥土强度低。

2.3.2破坏特征分析

图2，3说明：与南区相比，北区试桩整体上沉降量或上拔量均较小。破坏面位于外芯与桩周土界面时，破坏前一、二级的s-lgt，δ-lgt曲线均出现轻微弯曲，桩顶位移达到稳定标准时间明显较长，均超过360min，破坏趋势呈缓变型。破坏面位于内芯与外芯界面时，破坏前一级、二级的δ-lgt曲线无弯曲，桩顶位移达到稳定标准时间为210min以内，破坏趋势呈突变型。

2.3.3不同破坏模式下承载力恢复情况

在NY1，SY5抗压试桩完成第1次破坏性抗压静载荷试验结束28d后，再进行第2次破坏性抗压静载荷试验。在NB2，SB4抗拔试桩进行第1次破坏性抗拔静载荷试验结束28d，90d后，再进行第2次、第3次破坏性抗拔静载荷试验，试验结果如表5，6所示。

表5，6结果说明，抗压试桩NY1，SY5第2次破坏试验(28d后)的抗压极限承载力实测值和第1次破坏试验相同，对应的沉降量减少。抗拔试桩NB2第2次破坏试验(28d后)的抗拔极限承载力实测值和第1次破坏试验相同，第3次破坏试验(90d后)的抗拔极限承载力为第1次破坏试验的1.07倍。抗拔试桩SB4第2次破坏试验(28d后)及第3次破坏试验(90d后)的抗拔极限承载力均是第1次破坏试验的0.56倍。

表5 抗压桩试验结果对比

当破坏面位于外芯与桩周土界面时，破坏模式为塑性破坏，随着桩周土体恢复和重新固结后，承载力能恢复或增长。当破坏面位于内芯和外芯界面时，破坏模式为脆性破坏，水泥土与桩侧表面黏结力破坏，桩侧极限摩阻力大大降低，且不能恢复。

2.4 试桩承载力差异性原因分析

针对南、北区试桩承载力差异性较大，从工程地质条件、水泥土搅拌桩质量、异型管桩接桩质量展开分析。

1)地质条件

对试桩范围内原状土进行静力触探试验，土层分布参考试桩范围内详勘孔，统计各土层比贯入阻力平均值，南区、北区试桩范围地层对比如表7所示。

表7中数据说明：南区、北区土层分布情况基本一致，②3-1，②3-2层原状土静力触探Ps值有所差别。北区②3-1层土静力触探Ps平均值是南区的1.33倍，北区②3-2层土静力触探Ps平均值是南区的1.86倍。在桩身0～1.8m范围内土层为①1-1层杂填土，杂填土中含有碎石等，在桩身1～10m范围内土层为②3-1黏质粉土和②3-2砂质粉土，水泥土搅拌桩施工及异型管桩植入过程中，因①1-1，②3-1，②3-2土层中排水条件好，挤密效果好，水泥浆液与碎石、粉土、砂土结合形成素混凝土、强度高的水泥土加固体，对提高抗压、抗拔承载力均有利。

2)搅拌桩施工质量

对7d龄期的异型复合桩外芯水泥土搅拌桩进行静力触探试验，测试深度为桩长范围内，南、北区抗压试桩和抗拔试桩各检测3根，统计不同土层静力触探Ps的平均值，静力触探测试结果如表8所示。

表6 抗拔桩试验结果对比

表7 土层对比

表8 试桩静力触探测试结果

表8结果说明：在①1-1，②3-1，②3-2层土中，南、北区水泥土搅拌桩Ps值均较高，土体加固效果明显；在③，④，⑤1层土中，南区水泥土静力触探Ps值相对于原状土提高2%～7%，提高不明显，北区水泥土静力触探Ps值相对于原状土提高31%～56%；在⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1层土中，南区水泥土静力触探Ps值相对于原状土提高21%～34%，北区水泥土静力触探Ps值相对于原状土提高45%～85%；在①1-1，②3-1，②3-2层土中，南区、北区水泥土静力触探Ps值相差不大，排除该土层对承载力差异的影响；在③，④，⑤1，⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1层土中，北区水泥土静力触探Ps值是南区水泥土静力触探Ps值的1.21～1.38倍。

3)异型管桩接桩质量

在试桩前后均对试验桩进行低应变及孔内摄像检测，桩身均无缺陷，排除接桩位置脱开对承载力的影响。分析可知，南北区异型复合桩试桩结果差异性原因主要为水泥土搅拌桩的施工质量。

抗压试桩和抗拔试桩顶标高相同，抗压桩桩长42m，抗拔桩桩长31m，抗压桩及抗拔桩桩身0～10m范围内土层为①1-1，②3-1，②3-2；抗压桩及抗拔桩桩身10～31m范围内土层为③，④，⑤1；抗压桩桩身31～42m范围内土层为⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1。

南区③，④，⑤1层土中水泥土成桩质量差，内芯与外芯界面黏结力小且接触面积较外芯与桩周土的接触面积小，南区抗拔试桩在内芯与外芯界面先达到极限破坏状态。

从荷载传递规律来看，荷载是先从内芯向外芯扩散，进一步从外芯向桩周土体扩散，使得抗压桩上部荷载有效扩散到影响范围大的深层土体中。南区抗压桩穿透③，④，⑤1软弱土层，进入⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1土质较好土层，水泥土强度较高，抗压试桩在外芯与桩周土界面先达到极限破坏状态。因北区水泥土质量整体较南区好，北区抗压桩承载特性优于南区。

3 工程桩试验情况

本工程异型复合桩桩顶标高为-10.000～-12.000m，桩长为18～28m，均为两节桩，上节桩桩周土层主要为③，④层淤泥质土黏土，设计要求工程桩静载荷试验检测比例为1%，经低应变和孔内摄像法检测，有严重接桩缺陷的桩(如脱开、错位)，均须进行静载荷试验。

经检测，承载力不合格的工程桩均由上、下节桩接桩处脱开引起，抗压破坏荷载和抗拔破坏荷载试验主要为第5，6级荷载，破坏面均位于内芯与外芯界面，破坏模式为脆性破坏，主要因上节桩桩周土质差、水泥土强度低。

根据试验结果统计，抗压承载力满足设计要求的桩，在第5级荷载作用下，累计沉降量均不超过6mm，在最大加载量作用下，累计沉降量均不超过30mm；抗拔承载力满足设计要求的桩，在第5级荷载作用下，累计上拔量均不超过4mm，在最大加载量作用下，累计上拔量均不超过15mm。为避免因试验过程造成过工程桩的脆性破坏，因此要求对抗压静载荷试验，累计沉降量超过30mm或第5级荷载作用下，累计沉降量超过6mm作为试验终止条件；对抗拔静载荷试验，累计上拔量超过15mm或第5级荷载作用下，累计上拔量超过4mm作为试验终止条件。满足上述试验终止条件的桩，须进地基加固或补桩处理。

4 结语

1)异型复合桩破坏面位于内芯与外芯界面时，界面破坏剪应力小于水泥土剪应力，破坏模式为脆性破坏，水泥土与桩侧表面的黏结力破坏，导致桩侧极限摩阻力大大降低，承载力不易恢复；破坏面位于外芯与混凝土界面时，破坏模式呈缓变型，属于塑性破坏，随着桩周土重新固结，承载力能恢复破坏前状态。

2)影响异型复合桩承载力的主要因素有水泥土的均匀性、强度、异型管桩的接桩质量；工程桩施工前应进行工艺性试桩，确定水泥土搅拌桩施工参数，严格控制异型管桩的接桩质量，确保工程桩的承载安全。

3)异型复合桩设计时，需考虑软土地区淤泥质土对水泥土桩成桩质量影响，桩长设计时应穿透淤泥质土层，进入较好的持力层。

4)在施工过程中，对水泥土搅拌桩采用静力触探测试，能有效反映异型复合桩的施工质量。

5)对工程桩采用静载荷法进行承载力验收试验时，应避免因试验造成工程桩的脆性破坏，可根据检测成果设计合理的抗压、抗拔静载荷试验终止条件。