成桩方式对桩基承载特性影响的试验研究

成桩方式对桩基承载特性影响的试验研究

黎志煜

广州增城正源建设工程检测中心有限公司

摘要：桩基多年来一直用于建筑和桥梁结构中，以用于支撑竖直荷载和水平荷载。因而可以将这些基础的研究划分为竖向荷载作用下桩基行为的研究和水平荷载作用下桩基行为的研究。以往桩基设计中竖直和水平荷载作用往往是被分开成独立的作用力来看待的，但是在实际工程中桩基往往同时受到竖直和水平荷载的作用力。传统方法将桩顶竖直荷载和水平荷载分开考虑，而不考虑不同方向荷载同时作用下的作用效应，仅根据叠加原理计算桩的位移和内力。该方法仅适用于桩基弹性变形较小的情况，具有一定的局限性。

关键词:成桩方式;承载性能;自平衡法;干作业成孔桩

引言

软土地基一般具有孔隙率大、抗剪强度低以及承载力低等特点，在此类地基上的建筑基础型式通常采用桩基础，桩基础可以将上部竖向荷载直接传递给深层的较坚硬土层，但软土地基中桩基水平承载力一般相对较低，如何提高超软黏土中桩基水平承载力是软土地区工程建设过程中经常需要面对的一个严峻问题。

1工程概况及地质条件

某项目位于广东省珠海市横琴保税区内，项目总用地面积约4万m2。项目一期拟建建（构）筑物共6栋超高层（20~42层，100~200m），主要为办公楼、酒店及商业楼，拟采用框架结构、剪力墙结构及框筒结构，设地下室1层（基坑底绝对标高为-0.25m，电梯井承台底标高-6.00m）。

1. 1. 地岩土层分布特征

根据野外钻探揭露及参考区域地质资料，场地岩土层按其成因自上而下划分为：人工填土层（Qml4）、海相沉积层（Qm4）、海陆交互相沉积层（Qmc4）、残积层（Qel）和石英二长闪长岩风化层（ηδo2-2a5），各岩土层还可进一步细分为若干亚组，如表1所示。

表1场地岩土单元（层）一览

1. 2. 试桩参数

根据国家规范和建设单位要求，在桥墩线内线外选取两根试桩(分别编号线内,RV桩和线外试桩进行自平衡静载试验，试桩位置分布如图2所示。

图2试桩分布位置

2场地地下水情况

场地地下水主要赋存于砂层（③3、③4）孔隙中及石英二长闪长岩风化裂隙中，所赋存的地下水均具有承压性。此外，场内填土（①1、①2、①3）孔隙中局部赋存上层滞水。勘探期间各含水层的混合地下水稳定水位埋深0.00~2.50m，平均0.28m，地下水位标高1.95~6.17m。可见，场地内砂层的承压水可能会对桩基施工造成一定的影响，如塌孔等。同时，由于地下水位较高，基坑开挖需进行地下水止水帷幕控制。

3有限元建模分析

借助PLAXIS有限元软件建立平面单桩模型，对上述工程进行模拟分析. 模拟选用的在役桩直径为800 mm，桩长为35 m，桩身混凝土强度为C30，本研究既有桩顶荷载取1 000~1 400 kN. 新增管型桩采用敞口钢管桩，桩直径500 mm，壁厚为10 mm，分段桩长为3~5 m，总桩长为25 m. 为了减小边界效应，有限元建模边界宽度为100 m，高度为50 m，由于模型对称，本研究仅计算一半. 采用土体硬化模型，既有桩周添加界面，能够更好地反应桩土界面的作用机理，用于模拟在役桩的侧摩阻力，同时使用强度折减因子反映桩土界面的疲劳，敞口管型桩使用嵌固梁模拟.相比实心预制桩，敞口管型桩的主要区别在于有明显的土塞效应. 薄壁管型桩的挤土效应在压入初期一般很小，可不计，因此对于浅部桩周土的扰动较小. 随着管型桩的不断贯入，管型桩趋向部分闭塞甚至完全闭塞，挤土效应逐渐增大。

4有限元计算方法

近年来，对于有限元桩基水平承载力通常采用有限元模拟的计算方法，可以大大加快桩基承载力的计算效率。HarnediMaizir采用人工神经网络方法对动载试验数据进行承载力估计，并且将有限元模拟的结果与一种成熟的估计桩极限轴向承载力的经验方法进行了比较，结果表明有限元法和人工神经网络法对极限荷载百分比的预测比较接近。Józefiak利用利用Abaqus软件中实现的有限元法对土桩系统进行建模，采用简单本构模型和参数估计的有限元分析表明，加载部分的现场试验沉降与有限元分析结果吻合较好。HosseinMoayedi评价了优化人工神经网络（ANN）、用ANN优化的遗传算法（GA-ANN）和用ANN优化的粒子群算法（PSO-ANN）、差分进化算法（DEA）、自适应神经模糊推理系统（ANFIS）、通用回归神经网络（GRNN）和前馈神经网络（FFNN）等桩基承载力新的计算方法，但通过对比得出，粒子群-神经网络模型在预测高度复杂的实际工程问题中具有更高的准确度。

5结论与建议

针对目前置换硬壳层法提高软土中桩基水平承载力的定量计算研究不足的问题，文中基于线弹性理论，对成层软土地基采用置换硬壳层法处理后桩基水平承载力提高影响进行深入研究，主要结论与建议如下：（1）推求了根据地基土抗剪强度指标计算其水平抗力参数的公式，基于线弹性理论，对成层软土地基采用置换硬壳层法处理后桩基水平承载力提高影响进行深入研究，利用微分方程幂级数解法推求了成层土地基中桩基水平承载力的解析计算式。（2）厚淤泥地层中大直径灌注桩早龄期温度在浇筑后31h内持续升温，最高可达65.3℃。且同一时刻越深位置温度越低，水化温度场呈现出自上而下矢量方向的放热热流。由此建议大直径混凝土灌注桩应关注桩芯与表面的温差，避免应内外温差过大出现温度裂缝，或引起桩基的约束内应力，影响后续桩基承载力的发挥。（3）基于成层土地基中桩基水平承载力计算方法，在桩顶自由、嵌固条件下，对置换硬壳层厚度与软土中桩基水平承载力提高影响关系进行了深入计算分析，认为硬壳层内摩擦角越大(水平抗力系数越大)、厚度越厚，则在相同荷载情况下则桩基水平承载力提高越大、桩顶水平变位越小。（4）通过于桩身不同土层界面深度位置埋设钢筋计的方式，实测获得了厚淤泥地层灌注桩静载压缩变形一般特征。实测基桩静载Q-s曲线表现为典型的陡降型特征，该桩竖向抗压极限承载力为12800kN，满足单桩承载力设计要求。但该桩静载过程中桩的沉降位移偏大，桩体发生了刺入变形，初步分析认为与桩底沉渣处理效果欠妥有关系，由此提出厚淤泥地层灌注桩施工应注意沉渣处理等质量控制关键措施。（5）本研究采用的有限元模拟方法，可以在机理上清晰的阐述小挤土管型桩的挤土效应对在役桩的影响，限于PLAXIS有限元分析软件，在仿真模拟过程中不考虑土塞效应，导致模拟结果更加明显，但在总体上不影响结论的准确性。

结束语

实际工程中，需要考虑桩侧摩阻力的发挥程度。当施加荷载较小时，桩体之间基本无相对位移，桩侧摩阻力几乎不发挥，承载力主要以桩端阻力为主;随着施加荷载的逐级增加，桩土之间产生相对位移，此时的桩侧摩阻力得到充分发挥，桩侧摩阻力占主要部分。成桩方式对桩体的承载能力的影响十分显著，干作业成孔方式有利于提高桩体的承载力，而泥浆护壁方式不利于桩体承载力的发挥。

参考文献

[1]李洪江.软弱地层桩基水平承载特性分析与卸荷响应研究[D].东南大学,2019.

[2]郭佳乐.含沉渣缺陷桩基竖向承载特性研究[D].湖南科技大学,2019.

[3]赵迪.库岸砂泥岩填方区框架码头桩基受力特性模拟研究[D].重庆交通大学,2019.

[4]王伟.岩溶区溶洞型桩基承载机理及溶腔整治技术研究[D].北京交通大学,2019.

[5]梁发云,增层开挖工程桩基承载特性计算分析.上海市,同济大学,2019-09-01.