变截面桩承载特性及施工关键技术探讨

2022-05-07汪贵华黄俊光李伟科

广东土木与建筑 2022年4期

汪贵华，张恒，黄俊光，李伟科

（1、汤和控股有限公司广东珠海 519000；2、广州市设计院集团有限公司广州 510620；3、广州建筑股份有限公司广州 510030）

0 引言

随着大型桥梁、超高建筑、高速铁路的迅猛发展，对基础的承载、变形能力、功能性及经济效益提出了更高的要求，最大限度地发掘地基承载潜力，充分利用构件承载特性，成为时下研究的热点。在此背景下，各种异型承载构件层出不穷，其中异型桩因其独特的承载优势逐渐受到了工程技术人员的青睐，而变截面桩就是其中一种。古时候人们就曾将树干倒置作为房屋基础的主要支撑结构，这也是最早的变截面桩，到了现代，利用变截面桩的工程案例更是屡见不鲜。变截面桩是在传统等截面桩形式基础上研究发展起来的一种新型结构的桩型，与传统桩型有所不同，变截面桩的桩身截面尺寸或形状大小沿着桩身轴向发生变化，依据桩体构造形式可以分为楔形桩、扩底桩、阶梯型变截面桩、挤扩支盘桩等，而阶梯型截面桩由于更加符合轴力沿桩身向下传递呈现上大下小的特征，且制作施工方便可靠，因而在工程建设中得到了广泛的应用。本文首先从理论、数值、试验等方面论述了变截面桩承载特性的研究现状，然后重点分析了阶梯型变截面桩横向和竖向荷载作用下位移和应力变化特征，以及施工过程的关键影响因素，以期为实际工程中桩型选择与施工提供有益指导。

1 变截面桩承载特性研究现状

希腊工程技术人员将上部3 m范围内的桩径扩大一倍，使得单桩的竖向极限承载力提高了约30%［1］，这一试验结果引起了广泛的关注。后来，科威特大学的ISMAEL［2］对变截面桩在水平荷载下的承载特性进行了研究，发现随着桩体变截面段尺寸的增大，单桩的水平承载力增加而位移减小，这主要是因为横截面增大后桩身抗弯刚度加强。ISMAEL［3］还通过现场试验研究了变截面桩的水平承载特性。另外，PAIK 等人［4-5］也对变截面桩的承载特性进行了一系列研究。

相较于国外，国内对变截面桩的研究起步较晚，首次应用是在20世纪80年代广东省九江大桥主墩基础建造工程。经过几十年的发展，许多研究人员从理论分析、室内模型和现场试验、数值模拟等方面对变截面桩加以研究。

1.1 理论研究方面

方焘等人［6］分析了变截面桩承载特性及变形规律，并基于临界状态假设建立了变截面桩的容许承载力计算理论。王景梅等人［7］结合变截面桩横向静荷载作用下的变形及受力特性推导得出理论计算模型，并根据实际水平承载试验验证了理论的有效性。王小敏等人［8］采用地基反力系数对变截面桩桩径比、变截面位置的初步确定提供了理论依据。杨有莲等人［9］对比分析了变截面桩和等截面桩在竖向荷载作用下荷载传递机理的异同。

1.2 室内模型和现场试验方面

王骏炜［10］利用室内大比例模型试验对比分析了变截面桩和等截面桩竖向承载特性差异。罗照等人［11］采用自制试验装置对变截面桩沉降规律进行研究，发现最佳桩径比介于0.9～0.8 之间，这与王振波等人［12］的研究结论一致；刘新荣等人［13］研究发现当变截面段占整个桩长的40%～50%时效率最高，超过50%后，对提高横向承载力作用有限。黄礼胜［14］研究发现阶梯形变截面管桩桩端反力明显小于等截面管桩桩端反力，说明阶梯形变截面管桩与桩周土的相互作用明显强于等截面管桩。

1.3 数值计算方面

董琼英等人［15］运用有限元分析软件研究了竖向荷载下不同变形阶段，变截面桩与等截面桩的受力差异，发现在弹性变形阶段，等截面桩比变截面桩身沉降较小，在塑性屈服阶段，变截面桩与等截面桩的承载力几乎一致。王纬东［16］采用FLAC 3D 软件对不同变截面长度的变截面桩在横向荷载作用下位移及应力进行研究，认为当变截面位置在桩总长的47%左右时，桩身位移及应力差值较小。张龙等人［17］考虑了变截面桩几何尺寸和土层分布的影响，对变径比与竖向承载力关系进行数值分析。

2 阶梯型变截面桩承载特性分析

阶梯型变截面桩是指桩身截面沿轴向呈阶梯型逐渐减小的桩型，在受力特性方面，阶梯型变截面桩的受力更加合理，增大了桩身横截面积有利于达到提高承载力的效果，尤其是在层状土中，通过在良好土层中增大桩身截面，提升桩周侧摩阻力，充分发挥该层土的承载能力；而缩减桩身的横截面积，又可以节省工程材料及造价，从而获得较好的经济效益。

2.1 竖向承载特性

一般情况下，单桩竖向承载力可以根据桩端阻力、桩侧摩阻力和桩身自重按照静力学原理计算得到，如式⑴所示，而桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥过程也就是桩-土荷载的传递过程。当桩顶承受竖向荷载后，桩身产生压缩位移，桩侧土体对桩身产生向上的摩阻力，桩顶荷载通过摩阻力传递到桩侧土体。随着竖向荷载的加大，桩端产生竖向沉降和桩端反力，而桩端沉降加大了桩土相对位移，促使桩侧摩阻力的进一步发挥。O'NEIL［18］研究发现，当桩基沉降量达到5～10 mm 时，桩侧摩阻力即已达到极限，而桩端阻力通常在沉降量达到桩径的10%以上时才完全发挥，因而桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，且靠近桩身上部土层的侧摩阻力先于下部土层发挥。

式中：Qu为单桩竖向竖向承载力；Qpu为端阻力；Qsu为侧阻力；Wp为桩身自重；dz为桩长积分项；fpu、fsu分别为极限荷载作用下桩端土阻力和桩侧摩阻力；D为桩身直径；Ap为桩端面积。

对于阶梯型变截面桩，其桩端阻力包括桩尖阻力和变截面处端阻力，而变截面端阻力的发挥介于侧阻力和桩尖阻力之间，因而竖向荷载作用下，阶梯型变截面桩受力可以简化为3 种临界状态：变截面段桩侧阻力全部发挥为第一临界状态；变截面端阻力达到极值为第二临界状态；桩端阻力开始发挥为第三临界状态，具体如图1所示。

图1 阶梯型变截面桩受力简化图Fig.1 Simplified Diagram of Stepped Variable Section Pile under Vertical Load

在实际工程中，由于截面发生突变、地层复杂等原因，阶梯型变截面桩竖向荷载传递特性与理论有很大的差异，某实际工程中测得的阶梯型变截面嵌岩桩的竖向荷载传递分布规律［19］如图2所示，由图2可知，阶梯型变截面桩由于桩身断面发生突变而使荷载传递出现了更加复杂的情况。荷载传递规律图可以很好的说明该桩的荷载传递特性，由图2 可以简要得出阶梯型变截面桩竖向荷载传递的一些特性：

⑴变截面段的底面和侧面是竖向荷载传递的主要途径。当桩顶荷载增加时，变截面段的轴力变化最明显，而下部桩身和桩端轴力的变化则十分微弱，说明荷载首先通过变截面端底和桩身传递。同时，从图2 中还可以明显看出，通过利用上部较好土层的承载力，变截面段承担的荷载占总荷载的半数以上，从而可以有效缩短总桩长。

图2 变截面嵌岩桩竖向受力特征Fig.2 The Stress Pattern of Variable Section Rock-socketed Pile under Vertical Load

⑵变截面段底面与桩底面类似，也是竖向荷载的主要传递途径，并引起变截面段底面以下土体的压缩和沉降：①压缩后土体变得更加密实，物理力学性能增强，增强了桩土相互作用，有利于将荷载传递到桩周土；②当桩周土沉降量大于桩身沉降量时，局部桩身会产生负摩阻力，并影响下部桩身摩阻力的充分发挥。

⑶嵌岩段桩身与基岩之间具有很高的阻力，可以传递大量的荷载，但在变截面的情况下，由于上部桩身先于下部桩身已把大量荷载传递给性质较好的上覆土层，以致嵌岩段的阻力不能充分发挥，即只传递很少的荷载，因而阶梯型变截面桩是以摩阻力为主的摩擦支撑桩。

2.2 横向承载特性

相较于竖向承载特性，阶梯型变截面桩的横向承载特性更加复杂，与桩长、桩周土性质、变截面段长度、桩径比、横向荷载作用等多种因素相关。王景梅等人［9］基于winkler 假设和等截面桩水平承载力计算公式，建立变截面桩基的受力模型理论计算得到的变截面桩身弯矩和桩顶水平位移变化曲线如图3所示。

从图3可以看出，在桩顶施加横向荷载后，桩身弯矩先是随深度的增加而增大，然后随深度的增加而减小，并在变截面附近桩身弯矩减小到0 kN·m，也就是桩身的反弯点，随后桩身弯矩反向增加，对于变截面以下的桩身，弯矩变化并不十分明显。从总体来看，桩身弯矩最大值和大部分均由变截面以上桩体承担，增大变截面尺寸，可以提供更高的抗弯刚度，从而增加桩基的横向承载能力；而桩顶位移则随着荷载的增加呈明显的非线性变化，并随着荷载的增加，变形幅度逐渐增大。

图3 阶梯型变截面桩弯矩位移理论值Fig.3 Theoretical Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

同样，由于截面的突变，横向荷载作用下阶梯型变截面桩身应力和位移变化更加复杂，且变化规律与理论预测差别较大。方焘［20］基于室内模型试验测得的桩身弯矩和位移曲线如图4所示，可以看出，桩身弯矩分布规律复杂，随着变截面位置的下移，弯矩曲线逐渐由单峰曲线过渡到双峰曲线，然后又重新回归为单峰曲线，由此可见，变截面位置对桩身弯矩分布影响显著，优化变截面位置会使桩身受力更加合理。从桩身位移曲线可以看出，很小的横向荷载作用下，桩身位移表现明显的非线性，这与上述理论相似，而随着变截面的下移，桩身位移差值减小，即存在最佳变截面位置，超过此位置后，增加变截面段长度对提高横向承载力的作用不明显。

图4 阶梯型变截面桩弯矩位移实测值Fig.4 Measured Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

3 施工关键技术

阶梯型变截面桩施工通常采用沉井（护筒）、钻孔（挖孔）和桩端压浆等几种传统工艺相结合方式，而施工工艺的选择往往也是决定成桩效果的关键因素。

3.1 钢护筒措施

从阶梯型变截面桩承载特性可以看出，变截面段是荷载传递的主要途径，采用钢护筒方式可以更好地发挥变截面的承载效应，而钢护筒的埋置深度除了满足《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》要求外，其本身也要有一定的刚度，保证在埋设过程中不会发生变形，且钢护筒一般应打入相对稳定的土层，并进入一定的深度，能承受其上施工平台的荷载。

对于钢护筒的直径应按照式⑵计算确定：

式中：d为钻孔形成的桩径；α为护筒直径增大系数，建议取值为1.1～1.3，但考虑到施工需要，护筒直径增大值不宜小于20 cm。

钢护筒埋设可采用上埋式、下埋式和下沉埋设。埋设过程中应注意平面位置准确，护筒四周应夯填密实的粘土，护筒底应埋置在稳固的黏土层中，如无法实现，应换填粘土并夯实密度，其厚度一般为0.5 m。

3.2 钻孔设备及方法

阶梯型变截面桩施工的关键技术之一就是钻孔设备及钻孔方法，钻孔设备的选择应根据地质情况、水文条件、施工周期、场地环境等因素综合确定，同种设备在不同性质土体中的钻孔直径也有差异，因此应根据具体地质情况选择合适钻孔设备。

钻孔方法可采用高速、控压法，在等截面段正常钻进，变截面段时，吊紧钢丝绳，使钻具处于拉伸状态，让每根钻具充分伸展，高速钻进过程中切削孔壁，并利用泥浆旋流作用冲刷孔壁土层，等充分回转后，再缓缓松动钢丝绳，控制进尺速度，达到扩孔的目的；其次还可以采用变截面成孔器，通过控制扩径刀杆的收缩与舒张，从而在特定位置处形成不同直径的桩孔。此外，还可以采用预制桩拼接方法，然后压入土体中，但此种方法仅适用于强度较低的地层，且在压桩过程中在变截面处容易形成应力集中，造成桩体破坏。

3.3 护壁泥浆选择

护壁泥浆也是施工的关键影响因素之一，尤其对于大直径桩的钻孔施工，因泥浆选择不当造成的塌孔案例屡见不鲜。高效可靠的护壁泥浆能够保证复杂地层中孔壁的稳定性，确保成孔、成桩质量，提高施工效率。在变截面桩施工中，往泥浆里加入絮凝剂聚丙烯酰胺可以保持泥浆不分散、低固相、低密度、低粘度的性能，从而提高施工速度，降低扩孔率，并能在遇到渗透性较大地层时发挥防漏堵漏作用，有效降低钻孔成本。