扩缩径对灌注桩承载性能影响数值模拟分析

黎 辉，郑伟文，朱启银，官大庶，3，况联飞

（1、中煤江南建设发展有限公司 广州 510170；2、中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州 221116；3、广东水利电力职业技术学院 广州 510610）

0 引言

桩基础作为一种重要的深基础形式，具有整体性好、承载力高、沉降小和有效改善基础强度等优点，在国家基础建设中得到广泛使用。在实际工程中，由于施工技术水平不稳定、混凝土和易性差、泥浆密度设计不合理、地层存在未知土层及地下水等不利因素的影响，桩在施工过程中易产生各种各样的缺陷，而扩径或缩径是桩基础常见缺陷［1-2］。灌注桩出现扩径或缩径缺陷，是指在桩长范围内，部分桩体直径大于或小于设计直径［3-5］。扩径、缩径缺陷桩的形成多是由于施工失误、混凝土和易性差、泥浆密度设计不合理或地层存在未知土层及地下水等情况。钻孔灌注桩钻进大多采用正循环或反循环泥浆护壁，如果泥浆密度过大，孔壁会产生较厚泥皮而缩径。泥浆密度过小，由于地层强度较低或泥浆护壁失败，容易因塌孔而扩径。对于沉管灌注桩，当桩施打完成，浇注混凝土后，如果拔管过快，拔管过程中锤击次数不够，混凝土和易性差，在软硬交界的土层中，也容易形成缩径缺陷甚至断裂［6-8］。

目前，对于缺陷桩基础承载性状的研究已引起越来越多的重视。研究发现，扩径对桩体承载力影响较小，或在一定程度上增大竖向承载力；缩径却相反，随着缩径程度加大，桩基竖向承载力急剧减小，如果缩径出现在桩体浅部，桩体横向承载力也会减小［9-11］。针对扩径和缩径缺陷桩基础，国内外学术界的研究，无论是实验观测还是数值模拟，均不成熟。此外，对于桩周土体为成层土时含有缺陷桩的桩基础承载性状的研究仍然匮乏，桩基工作过程中桩-土相互作用机理的理论尚不成熟，这些问题均有待探讨和研究［10］。

粤港澳大湾区深厚软土分布广泛，钻孔灌注桩施工极易引起桩体缺陷。鉴于此，本文基于珠海横琴某工程实际桩基设计工况，采用PLAXIS 有限元计算软件，通过参数分析研究正常桩、扩径桩、缩径桩的竖向承载性状特点，以及扩缩径部位所处地层位置对桩体承载性状的影响规律。

1 工程概况

某项目位于广东省珠海市横琴保税区内，总用地面积约4万m2。项目一期拟建建（构）筑物共6栋超高层（20～42层，100～200 m），主要为办公楼、酒店及商业楼，拟采用框架结构、剪力墙结构及框筒结构。

1.1 场地岩土层分布特征

根据岩土工程勘察报告和详勘资料，场地钻孔表明，地面以下依次为人工填土层、20～28 m厚的淤泥和淤泥质土层、约20 m厚的粉质粘土层、砂质粘土层、全风化石英二长闪长岩、强风化石英二长闪长岩、中风化石英二长闪长岩层。其中淤泥层呈流塑状，为高压缩性土，是场地内主要软土层；粉质粘土层由粘土及少量粉砂组成，呈可塑～硬塑状。各土层厚度差异较大，其物理力学性质差别也较大，场地地基综合判定为不均匀地基。

1.2 场地工程地质评价与桩基设计情况

场地工程地质条件评价为一般～较差，需采用适当的基础型式或地基处理后方可作建筑场地。综合地层条件与拟建建（构）筑物荷载特点、经济性及当地工程经验，本工程基础类型最终选用旋挖灌注桩，为摩擦端承桩，桩端持力层为中风化石英二长闪长岩层号。

钻孔灌注桩设计桩径1.2 m，桩长48～95 m，桩身混凝土强度为C40。但实际施工中由于工程地质复杂，深厚淤泥分布广且厚度变化幅度大，实际施工桩长最大接近100 m，部分楼栋平均桩长90 m，施工难度极大，极易产生桩基础缺陷问题。

2 数值建模

2.1 正常桩模型概况

基于实际地层条件，采用PLAXIS 2D 软件对正常直径无缺陷单桩进行建模，钻孔灌注桩桩长84.6 m，桩体直径1.2 m，嵌入中风化岩层0.6 m。桩体和土层单元情况如图1⒜所示，几何模型为轴对称，对称轴沿着桩土中轴，桩土和土体均采用15 节点单元模拟，模型总单元数为1 429，节点数为12 099。

桩体周围设置界面单元，模拟桩和土体的相互作用。每个界面单元有一个“虚拟厚度”，用来定义界面材料性质的假想尺寸，虚拟厚度等于虚拟厚度因子乘以平均单元尺寸，平均单元尺寸取决于二维网格生成的整体粗疏度设置，虚拟厚度因子默认值为0.1，桩体和土体的相互作用，通过给界面选取合适的界面强度折减因子的值来模拟，该因子把界面强度和土体强度联系在一起。整个模型选用标准固定边界。

桩端与土的接触界面向下延伸1 m，如图1⒝所示，以免桩体材料刚性过大而在角部引起应力和应变集中，使模型计算结果超出实体单元表示能力范围而产生应力的非物理震荡。延长界面并不模拟土体-结构间的相互作用，界面强度折减系数设置为刚性。

图1 正常桩网格划分及桩端角点处理Fig.1 Mesh for Normal Pile

2.2 扩径和缩径桩模型

对含有扩径、缩径的缺陷桩基础进行数值建模，缺陷桩长与正常桩相同，如图2 所示。缺陷位置为距地面20 m处，所处地层为淤泥质黏土层。缺陷长度为2 m。扩径处桩径为2 倍正常桩直径，缩径处桩径为0.5 倍正常桩桩径。为增加对比，模型对缺陷位置距地面40 m（所处地层为粉质黏土层）的扩缩径桩进行了模拟，研究扩缩径所在地层差异对桩基承载特性的影响。扩缩径桩与土的接触面设置与前述正常桩模型相同。

图2 扩径桩和缩径桩尺寸示意图Fig.2 The Size for Expansion and Necking Pile（m）

2.3 模型参数设置

数值分析中，土体采用摩尔库伦强度破坏准则，根据勘察报告结合工程经验，土层参数取值如表1所示。桩体参数采用线弹性模型，弹性模型3.25×107kPa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3。计算分析由2 个计算步完成：第一步生成桩；第二步通过激活桩顶荷载给桩施加竖向应力。采用逐级加载法计算不同桩顶荷载下的桩体位移和应力分布特征。

表1 土层参数Tab.1 Material Parameters for the Soil Layers

3 结果分析

3.1 Q-s曲线分析

淤泥层扩缩径桩、正常桩荷载-沉降关系如图3⒜所示，可以看出缩径缺陷桩的极限承载力与正常桩并无太大差异。扩径桩的承载力稍有增加，说明扩径段桩体在承载过程中发挥了一定的端阻作用，提高了桩基承载力，但提高的承载力值较小。扩缩径桩和正常桩承载力计算值与单桩原位测试值相差不大。

粉质黏土层扩缩径桩和正常桩荷载-沉降关系如图3⒝所示。可以看出，缩径桩的极限承载力同样与正常桩无差异，而扩径桩的承载力提高较为明显，可以理解为粉质黏土层土体抗剪强度优于淤泥层。

图3 不同缺陷地层扩缩径桩和正常桩荷载-沉降关系曲线Fig.3 Load-settlement Relationships for Different Piles at Different Soil Layers

淤泥层和粉质黏土层中扩径和缩径桩的荷载-沉降特征如图4所示，如前所述，粉质黏土层中扩径桩承载力相对于淤泥地层有显著的提升。粉质黏土层中缩径桩承载力增加不大。可能的原因为桩缩径部位周围为强度较低的松散杂土，而杂土切向弹性系数很低，且法向位移为拉开的趋势，使该部位桩侧摩阻力极低，从而使缩径部位承担的荷载减小。

图4 地层影响扩缩径桩荷载-沉降关系Fig.4 The Influence of Soil Layers on the Load-settlement Relationship

3.2 桩身轴力分析

正常桩和缺陷桩在不同桩顶荷载作用下的桩身轴力响应如图5⒜所示。桩的轴向荷载传递为自上而下逐渐减小，呈平滑曲线分布，随着桩顶荷载的增大，桩身下部轴力减小明显，说明桩基下部承受更大的桩侧阻力，淤泥地层对承载力贡献较低。扩径桩在桩顶荷载逐渐增大过程中桩身轴力分布特性如图5⒝所示，可以看出，桩的扩径部位应力减小。

缩径桩的轴向应力分布曲线如图5⒞所示，缩径部位桩轴向应力急剧增大，当桩顶荷载仅为6 000 kN时，缩径部位的桩轴应力即达到24 MPa；而当桩顶荷载加载至36 000 kN 时，缩径部位的桩轴应力达到144 MPa，远将超过混凝土材料的抗压强度，从而桩基缩径部位实际工程经常出现的断裂情况。因此，缩径桩更应关注其应力集中问题。

图5 不同加载阶段桩身应力Fig.5 Stress Distribution of Pile at Different Loading Stages

4 结语

⑴扩径桩的扩径部位受桩身面积增大作用使得轴向应力减小。扩径能够提高桩基承载力，但提高的程度受扩径周围土体影响，粉质黏土层扩径桩承载力明显大于淤泥地层。

⑵ 缩径桩的极限承载力与正常桩并无太大差异。缩径桩在缩径部位受桩身面积减小作用使得轴向应力急剧增大，从而极易引起桩身材料承载力破坏，需重点关注缺陷位置应力集中现象。而本文桩基础的材料模型为线弹性模型，并不能体现缩径桩在缩径部位发生断裂的现象。

⑶桩身缺陷部位所处地层差异影响桩基承载力特性。扩径缺陷位于粉质黏土层时，其承载力优于淤泥地层。由于缩径部位周围为强度较低的松散杂土，地层特征对缩径桩的承载力影响较小。