桥梁工程钻孔灌注桩竖向承载力研究

摘要：一般情况下软土地层对桩形成的侧摩阻力比较低，且软土层厚度较大时还会对桩形成负摩阻效应，直接影响到桩基承载力，因此常常以提高桩径和桩长的方式来保证单桩有足够的竖向承载力。为了在初期设计阶段准确得出软土区域的桩长，通过建立数值模型，分析不同桩长、桩基附近土层不同时桩的荷载沉降曲线，同时研究了桩身侧摩阻力和轴力的变化趋势。结果表明：桩的单桩竖向承载力基本不会受到桩顶附近土层性质的影响。工程中只靠提高桩长并不是增大桩极限承载力的有效方法，确定出合理的桩长更加经济。桩长和桩的极限承载力表现为线性正相关关系；在桩长较短或较长时，单桩的极限沉降会增加，且增加速度较快；而在中等长度范围内，极限沉降相对较小，沉降变化趋势比较平缓。桩端支反力在桩长小于40m时占比较大，桩长超过60m时可不考虑桩端阻力的影响。

关键词：软土地层，桩基承载力，数值模型，桩身侧摩阻力

0" "引言

钻孔灌注摩擦桩具有桩基承载力可靠稳定、工艺成熟等优点，近年来已广泛应用于各类工程中[1]。为了保证桩基附近土层可以给桩基提供充足的竖向侧摩阻力来支撑上部荷载，需要对桩基极限承载力、土层各项参数指标、混凝土强度等进行综合考虑，以此确定桩长和桩基位置[3-4]。

相关研究人员发现，钻孔灌注摩擦桩桩端阻力未开始发挥作用时，桩侧摩阻力就提前开始作用。同时桩长、地质条件、桩径等因素，均会对桩基承载力造成较大影响。而对于桩基承载力，桩基规范中只给出了统一的计算方法[4]。所以在实际工程里，针对不同土层桩基竖向承载能力和其位置一般通过静载试验法进行确定。

张永等[5]研究了软土区域超长桩的承载性能，发现在软土区域较为适合的桩类型为摩擦桩，同时非渐进破坏为其破坏状态。周海华[6]结合了数值分析法和试验法，对大理某区域超长桩进行设计，发现桩沉降是影响桩基极限承载力的主要因素。李韬等[7]以某软土区域为例，对比分析了不同桩长对单桩承载力的影响，发现通过持续提高桩长来增大单桩承载力的方式并不合理。

基于此，为了进一步掌握桩长、土体类型对桩基沉降和承载力的影响规律，本文通过数值模拟，对比分析了不同桩长、桩基附近土层不同时桩的荷载沉降曲线，同时分析了桩身侧摩阻力和轴力的变化趋势，为软土地区钻孔灌注桩的设计提供了依据。

1" "工程概况

1.1" "工程基本情况

天津港集疏运专用货运通道工程包括5座桥梁，桥梁道路等级均为城市快速路，设计速度为80km/h，桥面宽度为35.55m。桥梁基础均采用摩擦型钻孔灌注桩，其中钻孔桩桩径分为1.2m、1.5、1.8m三种。桩基完成后进行桩基检测，其中桩长≤40m的采用低应变反射波法，桩长＞40m的采用波透射法检测，预埋声测管。

1.2" "地质状况

工程场地内从下至上依次为中风化砾岩、强风化砾岩、卵石土、粉质黏土以及淤泥质粉质黏土。其中风化砾岩特征为层状构造，呈紫红色，泥质胶结，有一定崩解性和软化性，砂砾状碎屑结构，有较完整的岩体，适合当作桩基持力层。强风化砾岩呈现紫红色，4m为其层厚，岩芯表现为碎石土状其结构大部分出现了破坏。粉质黏土属于青灰色硬塑土，韧性强，土质较好，切面光滑，6m为其层厚。卵石土大部分为白云岩与石英砂岩，中间填充有砂土，22m为其层厚。淤泥质粉质黏土土质较差，强度小，含水率和孔隙率较大，易变形易压缩，不能当作桩基持力层，9.3m为其层厚。

2" "建立有限元模型

通过有限元软件，构建各土层和桩基的数值模型，选择Mohr-Coulomb模型来对土层进行模拟，在摩尔库伦理论中，材料的剪应力最大值可由公式（1）表示：

τ=c+σtanφ" " " " " " " " "（1）

式中：σ和τ分别表示法向应力和剪应力；φ表示内摩擦角；c表示粘聚力。

在模型中只将单桩的竖向承载力考虑在内，未将土层受到桩基施工的影响考虑在内。选择Embedded桩模型来对桩基进行模拟。在模拟软件中以设置“图层相关”的方式来模拟桩侧摩阻力，之后软件会通过录入的土层相关参数对侧摩阻力进行计算。选择刚性连接作为土层和桩底的连接方式。

根据平面应变模型选择15单元节点进行模拟，土层整体范围竖向×水平向定为100m×120m。保证边界足够大，以便准确的对土层里桩基的受力情况进行模拟。施加荷载的方式为在桩基顶部逐级加载点荷载。

3" "关键参数影响分析

本文对比分析单桩承载力受桩身长度变化和桩顶周围土层的影响趋势，并对桩承载传力规律进行了归纳与总结。

3.1" "单桩竖向承载力受桩顶周围土层的影响

3.1.1" "工况设置

根据项目实际情况可知，场地内距离桩顶9.2m位置有一土层，为极软土层。为了分析单桩承载力受桩顶周围土层的影响，通过在二维平面应变有限元模型中设置两种工况，即距离桩顶9.2m位置存在卵石土与淤泥质粉质黏土。单桩沉降随着加载荷载的变化而变化的规律如图1所示。

3.1.2" "单桩沉降和荷载曲线总体趋势

从图1中能够看出，桩顶周围土层不同时，其单桩沉降和荷载间的变化关系大致相同，即无论土层类型如何，当桩顶荷载从零逐渐增加时，桩沉降量也随之增加，但增长速度并不是一直保持稳定。

当施加在桩顶的荷载值较低时，桩体工作状态为弹性阶段，沉降量相对较小且沉降速率较慢。在继续增大桩顶荷载且出现突变（拐点）时，桩顶沉降值迅速变大，沉降速度也得到大幅度提高。当再次提高桩顶荷载时，桩将逐渐接近破坏状态，此时即便荷载增量比较小，桩身沉降也有较大的变化。

3.1.3" "单桩沉降拐点分析

在桩顶周围土体为淤泥质粉质黏土情况下，FgA加载力等于11.1MN时沉降出现拐点，3.1mm为此时的桩沉降；在桩顶周围土体为卵石土的情况下，FgB加载力等于11MN时沉降出现拐点，2.6mm为此时的桩沉降。通过比较能够看出，无论是卵石土还是淤泥质粉质黏土，两者拐点加载力的数值大致相同，但桩沉降在桩顶周围土层类型为卵石土时的值略小一点。

在桩顶周围土体是淤泥质粉质黏土的情况下，8.7mm为FuA极限加载力等于11.4MN时的桩沉降值；在桩顶周围土体是卵石土的的情况下，3.05mm为FuB极限加载力等于11.3MN时的桩沉降值，无论是卵石土还是淤泥质粉质黏土，两者极限加载力的数值大致相同，但桩沉降在桩顶周围土层类型为卵石土时的值仅有土层类型为淤泥质粉质黏土时的35%。

3.1.4" "总体影响

从以上分析可以看出，桩顶周围的土层类型对单桩承载力的影响非常小，几乎不会影响桩的加载力极限值和桩拐点。即使桩顶附近的土层质量较差，单桩的负载容量也不会受到太大影响。但桩身极限沉降在桩顶周围土层为卵石土时的值，要比桩顶周围土层为淤泥质粉质黏土时的值小得多。这表明单桩的承载力的塑性发展，会受到土层的性质较大的影响，具有更高弹性模量或更高硬度的土层，其沉降塑性性能也会越差。

3.2" "单桩竖向承载力受桩长的影响

桩体长度和单桩极限沉降值、极限承载力间的关系反映了关键控制参数受到桩长的影响。不同桩长下，桩顶周围土体是淤泥质粉质黏土时桩的沉降变化趋势如图2所示。

从图2中能够看出，桩的长度不同时，其荷载和位移之间的关系曲线大致相同，都表现为倒L形，说明在荷载作用下，桩长不会对桩整体的荷载沉降规律造成较大影响，且桩荷载和位移之间的关系曲线在线弹性阶段基本重合，只在拐点部位发生了分支平衡。这意味着桩基弹性受力情况基本不会受到桩长的影响。随着桩长的增大，桩的极限承载力也随之增大，两者表现为线性正相关关系。

3.3" "沿桩长传力规律

在桩长分别为80m、60m以及40m时，在桩顶施加6000kN的荷载，分析桩顶周围土层为淤泥粉质黏土时的桩身荷载传力趋势，同时研究了沿桩身侧摩阻力和桩身各部位轴力的分布情况。

3.3.1" "各桩长桩身轴力对比

各桩长桩身轴力对比如图3所示。从图3中能够看出，桩长为80m和60m时，桩身同样部位各点轴力基本相同，而对于40m桩长同样部位的轴力则要小一点。这表示桩长范围在40～80m时，状长的变化不会对桩身轴力的分布情况造成较大的影响。

153kN、246kN以及1455kN分别为桩长在80m、60m和40m时的桩底反力值，与桩顶荷载相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。这表明柱底反力的占比会受到桩长的影响，在桩长超过60m时，可忽略柱底反力。

3.3.2" "各桩长桩侧摩阻力对比

各桩长桩侧摩阻力对比如图4所示。从图4中能够看出，桩长为80m和60m时，桩身同样部位各点侧摩阻力，这表明桩长范围在40m至80m时，状长的变化不会对桩身侧摩阻力的分布情况造成较大的影响。

桩长在80m与60m时，桩底侧摩阻力变化较为平缓，没有发生较大突变，而对于40m桩长发生了明显突变。综合桩底支反力分布情况能够得出，桩底支反力占比较大是导致40m桩长桩底侧摩阻力突变的主要原因。

4" "结束语

本文通过数值模拟，对比分析了桩长不同、桩基附近土层不同时桩的荷载沉降曲线，同时分析了桩身侧摩阻力和轴力的变化趋势，得出了桩长和土层类型对钻孔灌注桩承载力的影响规律。得出主要结论如下：

当桩顶荷载从零逐渐增加时，桩沉降量也随之增加；桩沉降在桩顶周围土层类型为卵石土时的值仅有土层类型为淤泥质粉质黏土时的35%；桩顶周围的土层类型对单桩承载力的影响较小。

在荷载作用下，桩长不会对桩整体的荷载沉降规律和弹性受力情况造成影响；随着桩长的增大，桩的极限承载力也随之增大，两者表现为线性正相关关系。

桩长范围在40～80m时，桩长的变化不会对桩身轴力的分布情况造成较大的影响；153kN、246kN以及1455kN分别为桩长在80m、60m和40m时的桩底反力值，与桩顶荷载相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。

参考文献

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