灌注桩的承载性状分析研究

2024-01-29张召彬韩文永赵海超李汇丽

西部探矿工程 2024年1期

王昆，张召彬，韩文永，赵海超，李汇丽

（河北双诚建筑工程检测有限公司，河北石家庄 050221）

桩土受力传递关系遵循力的平衡性质，在桩头受力过程中，荷载的传递受桩周地层的分布与特性、桩身设计参数、施工条件与工艺等不确定因素的影响而发生变动。进行桩土荷载传递体系的研究目的，是分析桩身截面位移变化和桩身内力的分布情况或者桩侧摩阻力与桩端承力的发挥特征。研究桩土受力传递体系的数值模拟分析方法，主要包括弹性理论模拟法、有限元数值法、土的剪切变形传递荷载法、荷载传递因数法等[5，10]。国内专家学者利用测试位移和内力的数据总结得到许多基于荷载—沉降曲线分析桩的承载性状方法[3，7-8]；利用S-lgQ 法分析桩的端承力与摩擦力发挥情况；基于Q-S曲线辅助分析桩身压缩量[6、10]、桩身变形[9]、桩身极限摩阻等方法[7]；单桩受力与沉降曲线特征分析[1-2]。

基于分析桩体与桩周土体的受力发挥过程（包括桩侧摩擦力和桩端承力的发挥性状与桩体破坏方式）是单桩承载力确定与分析必不可少的内容之一，为桩基设计提供可靠、准确的证据。

1 桩土关联机理分析

桩基础设计中单桩是最重要的受力单元，作为杆件状受力单元，桩与桩周土的结合面以桩侧接触为主，桩底截面仅为桩和桩周土接触部分不高于低于1%的占有比例。桩体上段结构由于受力进行桩体压缩变形引起相对桩周土体的竖向沉降，因此桩周土与桩的外表面上呈现为竖直向上的摩擦力；桩身轴力沿桩体向下递减传送至桩底的方式即为连续分解这种摩擦力并基于它向桩周土中分散的过程[11]。

桩体侧向摩阻与桩底端阻的发挥进程就是桩体与土体荷载系统的传递过程[1]，当垂向集中载荷逐渐作用于基桩顶部时，桩身受外力作用引起垂直向下的沉降，并同步发生桩周土产生的负摩擦力作用于桩体侧界面上，导致桩体内力和桩身压缩量随桩体埋深增加而减小。由于桩顶受力递增，桩身变形压缩和沉降量累积变大，桩体下段的摩擦力进一步不同发挥出来，桩底产生桩端沉降而引起桩端承力出现并增大。桩底沉降增加了桩体与桩周土相对移动，因此致使土体摩阻不断充分调动；当桩侧摩擦力已充分调动并发挥到最大时，如果增加受力，则变大部分受力，基本上由桩底端承力分担。

2 桩的承载性状分析

桩的承载性状即达到极限受力时侧摩擦力与端承力的比例，通过分析各自比例判定桩的承载力，确定桩的类别。根据摩擦力和端承力的占比关系，将桩的承载性状划分为摩擦型桩、端承摩擦型桩、摩擦端承型桩、端承型桩。

（1）摩擦型桩是侧摩擦力占桩身总荷载的95%～100%，端承力占桩身总荷载的0%～5%；

（2）端承摩擦型桩是侧摩擦力占桩身总荷载的50%～95%，端承力占桩身总荷载的5%～50%；

（3）摩擦端承型桩是侧摩擦力占桩身总荷载的5%～50%，端承力占桩身总荷载的50%～95%；

（4）端承型桩是侧摩擦力占桩身总荷载的0%～5%，端承力占桩身总荷载的95%～100%。

3 荷载—沉降曲线分析桩的承载性状方法

3.1 S-lgQ法

本方法假设条件：桩身受力达到极限条件时，桩侧摩擦力已充分调动并发挥到最大。S-lgQ 法划分端承力与侧阻力示意图，如图1所示。在任一级荷载下，存在下式关系：

图1 S-lgQ法划分端承力与侧阻力

式中：Qi——任一级桩顶受力；

Qsbi——任一级受力下的桩端承力，Qsbi=Qi-Qsfi；

Qsfi——任一级受力下的桩侧摩擦力；

Si——任一级受力下的桩顶沉降；

K——S-lgQ曲线末段的直线段的斜率。

3.2 Q-Sb法

该方法适用于有实测桩底沉降情况下分析桩侧摩擦力与桩端承力。从理论分析角度假定，桩侧摩擦力达到最大条件后其值恒定不变且桩端承力及桩底沉降呈现线性比例特征关系。

基于上述假设，对Q-Sb（荷载—桩底沉降曲线）曲线绘制特征曲线线来解析计算不同载荷下桩的侧摩擦力Qsf、桩端承力Qb以及各自的占比关系。

如图2 所示，解析计算某级载荷Qt受力下的桩侧摩擦力和桩端承力。首先，在Qt点处绘制OQ坐标轴的垂直线交Q-Sb曲线于D 点；其次，在D 点绘制与BC 线的平行的斜线与OQ坐标轴的交点为E。由于QtD表示Qt受力作用下实际的桩底位移Sb；假定Qb-Sb具备线性特征关系，因此，QtE 表示桩的端承力Qb，OE 表示桩侧摩擦力Qsf，所以QtE=Qb，OE=Qsf。

4 案例分析

4.1 工程概况介绍

以某地地铁试桩工程为例，该工程桩基施工工艺为复合式后注浆成孔灌注桩，桩体混凝土强度C30，设计桩长25.0m，桩身直径800mm，桩周持力层为①2素填土、③1黄土状粉质土、③2黄土状粉质土、⑤1粉质粘性土、⑥4粉质粘性土、⑥1致密细中砂，桩端持力层位于⑥1致密细中砂；根据地层资料分层安装振玄式钢筋计，并在桩底安装位移丝沿桩身传至桩顶，跟随单桩竖向抗压静载试验测桩底沉降量，用于基桩承载性状分析（如有条件可以在不同深度安装沉降杆测试桩身变形）。

4.2 实测内力测试分析桩的承载性状

根据实测桩身内力资料，经计算、分析、成图，得到试桩SZ3-B 桩身轴力图3、桩侧摩阻图4、桩身压缩量图5。

图3 SZ3-B桩身轴力分布图

图4 SZ3-B桩侧摩阻分布图

图5 SZ3-B桩身压缩量分布图

根据成果图3、图4、图5，分析得到受力变大桩身变形压缩累积，导致上部桩身的沉降总是不小于下部沉降，桩体内力受到桩侧摩擦力的影响，越往下，桩体内力不断递减，符合桩体与土体荷载传递规律，且上部的摩擦力总是先于下部发挥出来；随着荷载的增加，上部桩身桩侧摩擦力达到极限之后出现软化现象，下部桩侧摩擦力被逐渐调动出来。根据曲线的斜率变化不同，说明不同荷载下，受桩周土体的影响，桩侧摩擦力与桩端承力两者相互干扰影响；且上部斜率变化快，下部斜率变化慢，结合侧摩擦力先达到极限状态，说明基桩的Q-S 曲线前段主要受侧摩擦力作用的影响，后段曲线基本受端承力作用的影响较大。

根据表1统计分析，桩侧摩擦力和桩端承力不是同时达到极限状态，桩侧阻力比桩端承力先达到极限状态。另外单桩竖向抗压承载特征值取值时，采用2倍的安全系数考虑，但是通过实际资料端阻与摩阻的安全系数不是2倍，端阻的安全系数为5.2倍，侧摩阻的安全系数为1.7倍。

表1 不同受力状态下的侧摩阻与端阻所占比例统计表

4.3 荷载—沉降曲线分析桩的承载性状及比对分析

采用S-lgQ 法分析试桩SZ3-B 的荷载—沉降曲线（Q-S曲线）得到图6成果。

图6 S-lgQ法承载性状结果图

采用Q-Sb法分析试桩SZ3-B 的荷载—沉降曲线（Q-Sb曲线）得到图7成果。

图7 Q-Sb法承载性状结果图

综合分析，桩身内力测试与荷载—沉降曲线分析桩的承载性状，都可以判定该桩为端承摩擦桩，具体详见表2。但是S-lgQ法和Q-Sb法计算得到的侧摩擦力和端承力，与桩身内力测试得到的侧摩擦力和端承力存在一定的差异。S-lgQ 法是采用桩顶荷载—沉降曲线划分桩的承载性状，Q-Sb法是利用桩顶荷载—桩底位移曲线划分桩的承载性状。从偏离桩身内力测试结果来分析，Q-Sb法比S-lgQ法更加接近实测结果。