预钻根植竹节桩的抗压承载特性研究

方灵灵

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

桩基础有承载力高、稳定性好、适用性广等众多优点，已成为工程建设中常用的地基处理办法之一[1]。

目前，预制管桩和钻孔灌注桩是国内常用的桩基础，但均存在施工速度慢、环境污染严重和噪声大等问题。预钻根植竹节桩作为一种新型桩，是由传统桩型发展演变而来，其承载性能好且施工过程几乎不会对周边环境产生影响[1-2]。

为了改进传统桩基础承载性能，诸多学者对新型桩基础的抗压承载力性能进行了一系列探索研究。杨淼[3]发现预钻根植桩抗压极限承载力不低于相同成孔直径钻孔灌注桩极限承载力，且比普通管桩极限承载力大很多，并提出该种桩基的抗压承载力计算公式。Horiguchi和Karkeepl[4-5]提出了取决于桩周土体及桩端土体强度的竹节桩承载力计算公式。

由于竹节桩的特殊构造，其桩径、竹节尺寸、竹节间距等对其承载特性均存在不同程度的影响，目前已有文献通过仿真模拟探究了不同竹节尺寸、桩周和桩端水泥土参数等因素与预钻根植竹节桩的抗压承载特性的关系，但对于桩端扩大头的尺寸影响研究较少，未有系统的试验或模型研究涉及。

本文结合实测数据分析预钻根植桩的单桩竖向承载力，并通过指数拟合的方法来预测桩基的极限抗压承载力[6]。同时基于ABAQUS软件建立不同扩大头尺寸的预钻根植竹节桩模型，将模型计算结果与试验结果比对分析，以验证模型的准确性，计算不同扩径率下桩基的抗压承载力，并分析桩端扩径率对预钻根植竹节桩抗压承载特性的影响机制。为根植桩的设计提供理论支撑[7-10]。

2 竖向抗压静载试验及分析

现场用于试验的3根预钻根植抗压桩试桩钻孔直径均为650 mm，预制桩由直径500 mm管桩和550(400)mm(竹节处直径为550 mm，桩身直径为400 mm)竹节桩组成。其中管桩长15 m，竹节桩长为15 m，试桩总长30 m；桩端水泥土扩大头直径为1 000 mm，高度为2 000 mm。桩设计单桩竖向抗压极限承载力2 500 kN。现场试验如图1所示。

表1为试验场地土层分布情况及土体性质。表中包含了本试验场地内预制桩的桩侧极限摩阻力标准值、桩端极限端阻力标准值以及抗拔系数。桩尖持力层为粉质黏土层。采用压重平台反力装置进行承载力试验。

表1 试验场地土层分布情况及土体性质

本试验加载方式为慢速维持荷载法，加(卸)载分级如表2所示。

表2 加(卸)载分级 kN

2.1 试验结果分析

主要技术资料如表3所示。

表3 主要技术资料

当施加至最大桩顶荷载时，桩基产生最大桩顶沉降量。经过卸荷回弹后，桩顶残余沉降量分别为:36＃残余 4.36 mm，101＃残余 10.34 mm，125＃残余4.5 mm。回弹率均大于50%。

根据荷载沉降数据，可得出单桩抗压静载试验曲线，如图2所示。

图2 桩顶荷载-沉降曲线

从图2可以看出:三根试验桩的桩顶荷载-沉降曲线变化趋势相似，但具体沉降数值有略微差异。三根试验桩的最大沉降量相差10 mm之内，差异较小，考虑为试验误差引起，同时说明试验数据可信度高；三根桩的沉降曲线均未出现明显的陡降拐点，且卸荷后回弹均匀，总沉降量都小于40 mm(当试桩位移超过40 mm时认为桩基发生破坏)，据此可以判断桩没有发生破坏，认定桩的竖向抗压极限承载力均大于其最大竖向试验静荷载。

2.2 试桩荷载-位移曲线拟合

由于试桩要作为工程桩使用，在加载到设计要求极限承载力时停止加载，未加载至破坏状态。文献[5]中指出:描述桩基荷载-位移曲线常用的非线性数学模型有双曲线模型、指数模型和幂函数模型。为了预测试桩的极限抗压承载力，用指数函数对试桩荷载-位移曲线进行拟合，如图3所示。当试桩位移超过40 mm时认为桩基发生破坏，从图3中的荷载-位移拟合公式可以计算出试桩36＃的抗压极限承载力为3 381 kN，试桩101＃的极限抗压承载力为2 742 kN，试桩125＃的抗压极限承载力为3 055 kN。考虑到试验误差影响，保守认为试桩的极限抗压承载力为2 800 kN[11-13]。

图3 试桩荷载-位移拟合曲线

3 有限元模拟分析

预钻根植桩是一种材料组成与工作机理复杂、影响因素众多的新桩型，通过现场载荷试验与室内模型试验可对在一定条件下的预钻根植桩的承载性能有初步的认识。采用有限数量的现场或室内试验研究，难免会产生以偏概全的局限性。另外采用现场试验或模型试验成本高、周期长、受场地等外部环境影响大，进行对比分析或影响因素分析难度很大。通过数值模拟方法可高效研究预钻根植竹节桩的多组交叉因素影响，指导试验研究，与工程试验分析相互验证[14-17]。

3.1 模型建立

为便于更为直观地对预钻根植桩进行数值模拟，本模型采用了ABAQUS三维模型。

有限元计算结果精度与本构模型及模型参数的选取密切相关。预钻根植桩荷载作用时存在三种材料相互作用:混凝土预制桩、水泥土、桩周土体。分别选取三种材料的本构模型:预制桩选用线弹性模型，水泥土、土体均选用摩尔-库仑弹塑性模型。

根据材料属性不同，本模型物理接触面分别为预制桩-水泥土接触面、预制桩桩端混凝土-土的接触面、水泥土-土的接触面。三个接触面切向均定义为库伦剪切模型，法向定义为硬接触。

预制桩及水泥土参数如表4所示。

表4 预制桩及水泥土参数

网格划分后模型部件如图4所示。

图4 网格划分后的模型

3.2 计算结果分析

图5为ABAQUS模拟结果与现场试验数据对比曲线。可以看出，三根试验桩的实测结果与模型计算结果存在些许偏差，但整体变化趋势基本一致。考虑到试验误差的影响以及模型本身的局限性，认为此三维模型能较准确地模拟工程预钻根植桩单桩承载特性，可用于研究预钻根植桩的承载性能。

图5 模拟结果与现场试验数据对比曲线

3.3 桩端扩大头扩径率对抗压承载力的影响分析

扩径率w定义为扩大头直径Db与桩身钻孔直径D的比值。根据以往工程应用经验，扩径率w一般不宜大于1.6。为了研究桩端扩大头直径对抗压承载性能的影响，将桩端扩径率w定为1.0、1.3和1.6进行建模计算(w＝1.0即不存在扩大头)，不同扩径率w下桩端扩大头如图6所示。

图6 不同扩径率下的桩端扩大头

数值计算得到的不同扩径率下预钻根植桩桩顶轴心受压荷载-位移曲线见图7所示。

图7 桩顶轴心受压荷载-位移曲线

桩顶位移超过40 mm时，为其极限承载状态，桩端扩大头直径越大，桩基极限承载力越大。当扩径率等于1.0时(不扩径)极限承载力仅为2 640 kN，当扩径率w＝1.3、1.6时，极限抗压承载力有较大幅度提高，分别为2 865 kN、3 050 kN，相比于无扩大头的预钻根植桩的抗压极限承载力分别提高了8.5%、15.53%。不同扩径率w条件下抗压极限承载性能对比分析见表5。另外，相同荷载条件下，扩大头直径越大，其位移越小。因此，预钻根植桩桩端直径增大，既可以提高桩基极限承载力，还可以改善桩端承载变形性能。

4 结束语

为了了解预钻根植竹节桩的竖向抗压承载性能，进行了相同规格、相同持力层的3根工程桩现场测试试验，获得在设计预估最大试验荷载范围内的桩顶荷载-沉降曲线，并通过指数拟合获取各桩的极限抗压承载力。同时，基于ABAQUS建立预钻根植竹节桩的三维模型研究桩端扩径率对抗压承载力的影响，得到以下结论:

(1)在施加到最大桩顶荷载时，桩顶沉降量最大。经过卸荷回弹后，桩顶残余沉降量均小于20 mm，且回弹率均大于50%。可以认为桩的竖向抗压极限承载力大于各桩的最大竖向试验静载荷。

(2)通过指数函数拟合方法对试验桩的极限抗压承载力进行预测分析，考虑到试验误差的影响，保守认为试验桩的极限抗压承载力为2 800 kN。

(3)根据不同扩径率下的预钻根植桩抗压承载力计算结果，认为预钻根植桩桩端扩径率和桩基极限承载力成正比；同时，扩径率越大，桩端承载变形性能越好。