大直径灌注桩土层交界面桩侧摩阻力集聚特性研究

韩高孝，钱重昌

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

目前采用单桩竖向承载力计算式所得的桩基承载力与静载试验所得结果往往存在一定误差。造成误差的原因是多方面的，其中桩侧摩阻力的取值是一个重要因素。众多学者对桩侧摩阻力进行了研究，张忠苗等[1]利用预埋钢筋应力计和滑动测微计进行强夯加固后软弱土地基的桩身应力应变测试，分析了弹性模量随桩身应变的变化关系，研究了不同荷载作用下的桩侧摩阻力分布规律、桩侧摩阻力随桩顶沉降的发挥性状；宋兵[2]总结了影响桩基侧摩阻力的因素：桩土界面强度、土体强度、土的剪胀、剪缩特性、桩土共同体的刚度、不同土层侧阻力及端阻力发挥不同步；王红梅等[3]研究发现不同含水率、不同土壤类型的土层都存在界面效应；袁时雨[4]在现场试验与室内试验的基础上，分析桩基础在不同入土深度工况下轴力、侧摩阻力的分布特征，发现桩侧摩阻力过渡带出现的位置恰好为挖填交界面处，过渡带上下侧的桩基侧摩阻力发生较大变化；耿功巧等[5]通过数值模拟方法，赋值上下土层不同的弹性模量，研究了在上软下硬和上硬下软地层条件下超前滞后深度的影响；王遇国等[6]研究了桩在不同荷载作用下的桩侧摩阻力及端阻力分布规律，桩侧摩阻力随桩土相对位移的发挥性状；赵春风等[7]研究了不同桩端注浆量对桩身侧摩阻力值大小的影响；王旭等[8]探讨了现场试验桩底持力层为砾卵石层时桩底灌浆钻孔灌注桩的承载特性，桩侧摩阻力较常规桩提高2 倍；陈维家等[9]通过静力触探对成层土进行模型试验，取得了成层土界面效应的规律性；高广运等[10]研究了大直径扩底桩承载力随持力层厚度的增加而增大，且在持力层厚度较小时持力层厚度的变化对承载力和桩端阻力影响显著；杨剑等[11]采用有限元法分别模拟了竖向和水平向荷载作用下单桩基础的承载性状；邹海峰[12]运用多功能孔压静力触探（CPTU）原位测试不同土体的桩基承载力；罗小艳等[13]基于统一强度理论和圆孔扩张理论对管桩的挤土效应进行分析，探讨了中间主应力对管桩挤土效应的影响程度；Ait 等[14]对桩基土体参数进行数值分析，得出土体对桩基承载力的影响规律；林骁骋等[15]采用有限元法建立三维数值模型，研究受边载和水平荷载共同作用下超长桩桩侧负摩阻力增强规律；何智敏等[16]针对CPTU 锥尖阻力与侧摩阻力数据与试桩资料中的单位桩端阻力与单位桩侧摩阻力进行对比分析，以修正后的参数为基础，更真实地预测了单桩承载力。

综上可见，土层交界面会影响侧摩阻力的分布，而现有计算方法中沿桩身方向桩侧摩阻力均按单层土条件进行取值，未考虑土层交界面的影响。因此，本文通过现场试验对桩在填土和原状土层交界处的侧摩阻力、原状土不同土层交界面的侧摩阻力进行分析，在此基础上利用有限元软件模拟“上软下硬”土层和“上硬下软”土层中桩侧摩阻力的变化差异，为进一步深入研究土层交界面对侧摩阻力的影响提供支撑。

1 工程概况

某新建物流园位于湿陷性黄土地区，场地以填方为主，填筑厚度为4～6 m，填筑完成后进行站场集装箱作业区场坪硬化，集装箱作业区内需设置起重设施，为保证起重设施安全、平稳运行，在其下方设置桩基础，采用机械钻孔灌注而成，桩径1.1 m（图1），桩长20 m，持力层为粗圆砾石土，桩端进入持力层2～3 m。

图1 桩基纵断面Fig.1 Vertical-sectional of pile foundation

桩身范围内土层（图1）从上往下依次划分为：人工填土，厚度4～6 m，以黄土、砂土为主，土壤湿润且密实，土工试验测得极限侧阻力标准值Pski=20 kPa；冲积黏质黄土，厚度12～13 m，土质较均匀，硬塑，测得的极限侧阻力标准值Pski=20 kPa；石英岩、花岗岩为主粗圆砾土，厚度7 m，稍湿～饱和，中密，极限侧阻力标准值Pski=135 kPa。

2 单桩竖向静载试验

对进行静载试验的桩基，从桩顶以下1m 起，沿钢筋笼两侧主筋对称布设钢筋计，间距1m，共布设19 层38 个（图2）。进行静载试验前，将4 个位移计对称安装在桩顶。试验采用分级加载、慢速维持荷载法，最大加载量为设计载荷量1 000 kN。采用RS-JYC 桩基静载荷测试系统自动加载记录，用钢筋应力计记录桩内主筋受力。试验平台见图3。

图2 钢筋应力计沿桩深布置Fig.2 Arrangement of reinforcement stress gauges along the pile depth

图3 桩基试验现场Fig.3 Pile foundation test site

2.1 静载试验测试结果

通过测得不同荷载下桩身的钢筋应力数据，计算不同位置的桩侧摩阻力（图4）。由图4 可知，在桩端附近和距桩顶4～5 m、17～18 m 处的桩侧摩阻力较大，这些位置存在土层交界面。在桩深10～11 m 处勘探得地下水位，此处同样有侧摩阻力急剧增大的现象，究其原因，是因为土层在受水浸润状态下会改变其物理力学参数和性能。摩阻力突变的范围均在桩身竖向1～2 m 范围内。在加载到最终设计荷载时，第1 个土层交界面处的侧摩阻力将桩身侧摩阻力提升了17%～20%，第2 个土层交界面处的侧摩阻力将桩身侧摩阻力提升了18%～20%。

图4 桩侧摩阻力分布规律Fig.4 Distribution law of pile side friction resistance

2.2 土层交界面应力集中现象理论分析

桩在承受竖向荷载后，桩体发生侧向挤压变形（测得试验桩压缩量占桩顶位移的46%），从而对土体施加水平力，土层交界面处土体同样也受到侧向压力（图5（a））。由于土层交界面两侧土体刚度不同（变形模量不同），根据材料在相同应力下不连续的应力集中理论，土层交界面及其附近会产生反向应力集聚现象（见图5（b）），即在软、硬土层交界（材料突变）处表现出局部应力急剧增大的现象，而在稍远的地方，应力迅速降低趋于平均。根据作用力与反作用力的关系，桩在土层交界面处所受水平向荷载也相应增大，从而导致桩侧摩阻力增大。试验测得桩在土层交界面间的摩阻力达到43 kPa，远大于通过静力触探试验得到的单一土质极限侧摩阻力（20 kPa），验证了上述理论分析。

图5 土层交界面土体应力分析Fig.5 Analysis of soil stress at the interface of soil layers

分析土层交界面应力集中的原因为：土层交界面处土层受到桩同等侧向挤压时，排除的空间必须被周围土体孔隙的减少（即压缩）所平衡。在土层弹性模量相对较小时，只须较小范围的弹塑性压缩就能补偿桩侧向挤压所排除的空间，故应力增幅影响范围h1较小。而在硬土层受到同等幅度挤压后，压缩补偿所需要的空间补偿大，故土层应力增幅影响范围h2较大。

2.3 土层交界面的侧摩阻力比较

统计两个土层交界面的平均侧摩阻力并进行比较。由图6 可知，随着荷载的增加，上下两个土层交界面处侧摩阻力比值呈减小趋势，并在最后一级荷载作用后，比值接近于1。

图6 两个土层交界面处侧摩阻力比值随荷载变化Fig.6 Ratio of lateral friction resistance at the interface of two soil layers varying with load

因为两个土层交界面处的侧摩阻力数值及变化几近相同，故选取桩顶以下17～18 m 处的土层交界面处的侧摩阻力与单一土体侧摩阻力进行对比（图7）。可见：在荷载施加过程中，土层交界面处的侧摩阻力和单一土体侧摩阻力的比值呈现阶梯式增长，土层交界面的侧摩阻力发挥效应能力不断增大。加载过程中，土层交界面附近的桩侧摩阻力约为单一土层桩侧摩阻力的2～6 倍。

图7 土层交界面侧摩阻力相比单一土层的增长Fig.7 Increase of the lateral friction resistance of the soil layer interface compared to a single soil layer

随着桩顶位移的增加，单一土层的桩侧摩阻力呈缓慢线性增长；而土层交界面的侧摩阻力急剧变化，呈指数上升趋势。在试桩桩顶竖向沉降量不到0.6 mm 时，桩顶位移与土层交界面侧摩阻力关系曲线斜率较小；在0.6～0.7 mm 处有应力上升的趋势，在0.7～0.8 mm 位移变化过程中应力曲线急剧上升。

试验数据上升趋势与应力集中理论相符，即随着荷载的不断施加，桩侧围压上升。材料突变处应力集聚上升，其他点的应力相对较小、增加缓慢。

3 桩静载试验数值模拟

由于现场试验的局限性，本文利用有限元软件进行现场试验数值模拟，通过改变土层交界面上下两侧土体参数进一步开展研究。模型采用同时关于x、y方向对称的1/4 模型，可有效减少运算时间，并对土体边界面分别添加对称边界约束。土层交界面采用上表面-下表面绑定约束。桩土接触面采用有限滑移的“硬”接触形式，桩侧为主表面，土层接触面为从表面。算法能够表现出每一步静载时的节点变化，从而能够直观地表现桩在静载位移过程中周围土体网格的变化。

3.1 “上软下硬”和“上硬下软”土层数值模拟

模型尺寸为10 m（长）×10 m（宽）×35 m（高），桩径1.1 m，桩长20 m，在桩顶以下5、17 m 处土体进行分层（见表1），土层采用摩尔库伦模型，土层参数见表1，桩身采用弹性模型。工况1 从上至下土层分别为：人工填筑黄土、黏质黄土、粗圆砾石黄土，用以模拟“上软下硬”地层，与现场实际情况一致；工况2 从上至下土层分别为：人工填筑黄土、粗圆砾石黄土、黏质黄土，用以模拟“上硬下软”地层。

表1 土层参数Tab.1 Soil parameters

桩在静载过程中数值的应力和剪力如图8 所示。工况1 计算结果如图9(a)所示。可见，在桩深4.8～6.4 m 处出现应力集聚现象，1.6 m 的应力集聚范围与现场静载试验相似，4.8～5.2 m 处为递增阶段，5.2～6.4 m 处为递减阶段。在桩深17.2～18.8 m 处亦出现应力集聚现象，范围也为1.6 m。桩侧摩阻力在17.2～17.8 m 为应力递增阶段，在17.8～18.8 m 处为递减阶段。工况1、工况2 计算结果对比如图9(b)所示。两种工况下第1 个土层交界面的桩侧摩阻力曲线几近相同。工况2 应力聚集位置较工况1 有所提升，在桩身15.2～17.0 m 处出现应力集聚现象，集聚范围1.8 m。桩侧摩阻力在15.2～16.6 m 为应力递增阶段，在16.6～17.0 m 处为递减阶段，应力值基本相等。

图8 数值模拟结果Fig.8 Numerical simulation result

图9 数值模拟的桩侧摩阻力分布Fig.9 Distribution of pile side friction by numerical simulation

在“上软下硬”土层交界处，侧摩阻力应力集聚主要在“硬”土层侧（弹性模量较大处），同理在“上硬下软”土层应力集聚也在“硬”土层界侧。

3.2 土层交界面软硬程度不同、埋深不同的数值模拟

在桩身5 m 处通过改变下层土弹性模量，模拟分析不同软硬程度土层交界面及不同深度处桩侧摩阻力的变化（见图10）。

图10 对土层交界面特性数值模拟Fig.10 Software simulation of soil numerical characteristics

图10（a）中5 m 以上土层的弹性模量均为4 MPa，5 m 以下土层弹性模量分别为10、20、30、40 MPa。可见，随下层土弹性模量增大，在相同荷载作用下土层交界面桩侧摩阻力最大集聚值略增，沿桩身方向应力集聚范围呈略微增趋势，变化相对较小。图10（b）为不同深度土层交界面的计算结果，工况1 在桩5 m 处有土层交界面存在，上层土弹性模量为4 MPa、下层土的为40 MPa；工况2 在桩17 m 处有土层交界面存在，上层土弹性模量为4 MPa、下层土的为40 MPa。工况1 在土层交界面的最大桩侧摩阻力为32 kPa，工况2 的最大桩侧摩阻力为39 kPa。工况2 中土层交界面埋置深度增加并靠近桩端，桩侧摩阻力集聚值较大、应力集聚范围也有所上升。

4 结 语

基于桩基静载试验，研究了竖向分层地基中桩侧摩阻力的分布规律，发现在土层分界面处存在侧摩阻力突变的现象，土层交界面附近的桩侧摩阻力约为单一土层桩侧摩阻力的2～6 倍，突变范围为交界面两侧1～2 m，并基于应力集聚的假设，进行了理论分析。在物理试验基础上，建立有限元模型进一步开展了土层界面对桩侧摩阻力影响研究，计算结果表明，侧摩阻力应力集聚主要在“硬”土层侧，土层分界面两侧土体弹性模量对侧摩阻力集聚有一定影响，随着两侧土体弹性模量差值的增大，该影响逐渐减小。