静钻根植竹节桩竖向承载力计算方法研究
郭晶; 戴国亮
【期刊名称】《《特种结构》》
【年(卷),期】2019(036)005
【总页数】7页(P44-50)
【关键词】静钻根植竹节桩; 破坏模式; 桩侧摩阻力; 桩端阻力; 自平衡法
【作 者】郭晶; 戴国亮
【作者单位】东南大学土木工程学院 南京210096; 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室(东南大学)南京210096
【正文语种】中 文
静钻根植竹节桩是由预应力竹节桩、管桩和桩周水泥土组合而成的一种新型组合桩基，结合
了钻孔桩、预制桩和深层搅拌桩的优点，施工过程中对周围环境的扰动小并且能够保证桩身完整性。 静钻根植竹节桩上段桩身采用复合配筋预应力高强混凝土桩或高强预应力混凝土管桩(PRHC或PHC)，下段桩身采用预应力高性能混凝土扩径竹节桩(PHDC)，其下端常采用扩底方式以改善组合桩的桩端受力性能。
静钻根植竹节桩是近年从日本引进的新型桩，对其单桩极限承载力的设计计算理论尚未统一。 许多学者对其竖向受压承载特性进行了一系列研究，侧重于采用现场试验和数值模拟手段，研究静钻根植竹节桩的竖向荷载传递机理[1-3]，并与钻孔灌注桩进行对比[3-6]。 除此之外，还研究了竹节桩和水泥土性质对竖向承载特性的影响[1-3，5，7，8]，但较少涉及抗压破坏模式及承载力计算方法的研究。
本文基于静钻根植桩承载机理和类似组合桩的计算方法，提出考虑静钻根植竹节桩破坏模式的极限承载力计算方法，并通过宁波轨道交通工程1 号线静钻根植竹节桩现场静载试验数据验证了其计算方法的合理性。
1 静钻根植桩承载机理及计算方法
竹节桩单桩竖向极限承载力由极限侧阻和极限端阻组成，其中极限侧阻由上段PRHC 或PHC桩和下段PHDC 桩组成。
1.1 桩侧承载机理
当承受竖向荷载时，上段桩的荷载主要作用于预制桩，荷载在沿桩身向下传递的过程中通过桩周的水泥土传递到桩周土中，即产生荷载双层扩散模式。 水泥土不直接分担桩顶荷载，只起到了应力传递的作用[9]； 下段桩由于竹节的存在使得竹节桩与桩周水泥土粘结效果更好，近似变形协调[6]。
1.2 桩端承载机理
静钻根植竹节桩端部的扩底固化性能影响承载力的发挥。 通过现场试验[6]和数值模拟[8]发现在荷载作用下，管桩轴力在桩端水泥土扩大位置减小速度明显加快，水泥土的轴力明显增大，桩-水泥土相对位移很小。 表明桩端水泥土不仅可以增大桩土接触面积，而且还可以分担桩端阻力。 在施工过程中为了确保扩底部的强度以及预制桩身和扩大部分共同受力，会根据持力层土体的强度选择注入水泥浆的强度。
1.3 现有的静钻根植桩承载力计算方法
《静钻根植桩基础技术规程》(Q/NZD 002 -2011)[10]中单桩竖向抗压极限承载力标准值的计算公式：
式中： Quk为单桩竖向极限承载标准值； Qsk 为桩身极限承载标准值； Qpk为桩端极限承载标准值；ui 为桩身周长(竹节桩按桩节外径计算，其他类型桩按桩身外径计算)； qsik为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，按预制桩实测值取值； li 为桩穿越第i 层土(岩)的厚度(桩端2m 范围不计算侧阻力)； qpk为极限端阻力标准值，按预制桩实测值的三分之二取值； Ap 为桩端扩底部投影面积。
该公式认为在上段PRHC 管桩或PHC 桩的侧阻力破坏可能会发生在桩身与水泥土之间，而在下段PHDC 桩的侧阻力破坏发生在竹节外侧的水泥土或水泥土和钻孔孔壁土之间。
2 静钻根植桩破坏模式
静钻根植桩侧存在三对接触面，分别为：芯桩与水泥土内芯、芯桩与水泥土外壳以及水泥土外壳与桩周土，由于芯桩与水泥土内芯接触面高粘结强度，可将芯桩与内芯视为整体[4]。
因此侧阻力有两种破坏模式，一种是破坏面出现在芯桩与水泥土外壳之间，另一种是水泥土与桩周土之间。 两种破坏模式均有各自的理论和试验依据。
2.1 水泥土-土界面破坏模式
不少学者通过现场试验和模型试验研究静钻根植桩的破坏形态，当桩周水泥土厚度在一定范围内[4，7]：1.175r≤R≤2r +75mm(R 为水泥土桩半径， r 为竹节桩桩身半径)，通常会发生水泥土-土界面破坏。 徐礼阁[1]通过剪切试验发现，混凝土-水泥土接触面的极限侧摩阻力远大于水泥土-砂土接触面的极限侧摩阻力，可认为桩侧承载性能主要由水泥土-桩周土接触面摩擦性质控制。 周佳锦等[6，11]在现场试验和模型试验中与钻孔灌注桩对比发现，静钻根植竹节桩侧摩阻力同样由水泥土-桩周土界面提供，如图1a 所示。
2.2 芯桩-水泥土界面破坏模式
原位试验和模型试验研究表明[4]，若水泥土桩径过小或者过大，均会发生芯桩-水泥土界面破坏。 原因是：过薄的水泥土外壳会导致相对于桩端扩径处，桩周部位掺加的水泥浆量较少，且由于上部软弱土层的含水率较高，所形成的水泥土强度较低，桩与水泥土的刚度差
异比较大，剪切会发生在二者的交界面上[9]，并沿桩身向下发展。 同样，在相同的外芯水泥土桩径条件下，过厚的水泥土外壳会降低抗压刚度，使得竹节桩与水泥土之间的摩阻力大于桩与水泥土之间的粘结力，从而发生芯桩-水泥土界面破坏[2]。
杨淼[5]由ABAQUS 模拟发现，下部PHDC 桩在竹节上下存在2 到3 倍桩径的应力影响范围，并且在水泥土挤压处由于水泥土微变形形成的空壳区导致桩与水泥土接触长度减少，不利于桩与水泥土的剪切，提出竹节影响系数 ηz 考虑竹节对水泥土侧摩阻力发挥的影响。因此桩侧阻破坏可能会发生在桩身与水泥土之间，即由桩-水泥土界面承载，如图1b 所示。
图1 静钻根植桩两种破坏模式Fig.1 Two failure modes of static drill rooted nodular pile
3 静钻根植竹节桩承载力计算方法
3.1 水泥土-土界面破坏模式计算方法
根据以上分析，当发生水泥土-土界面破坏模式，桩侧阻力按外芯水泥土桩计算，可借鉴劲性复合桩的计算方法。 《劲性复合桩技术规程》(DGJ32/TJ 151 -2013)[11]中在水泥土中
施打预制桩(MC 桩)的复合单桩竖向抗压承载力特征值计算公式：
式中： up 为水泥土桩的周长； ξsi为桩身复合段侧摩阻力调整系数； qsia为复合段第i 土层水泥土桩侧阻力特征值； ξp 为复合段端阻力调整系数； qpa为水泥土桩(M 桩)或散体水泥土桩(SM 桩)桩端阻力特征值。
静钻根植桩工艺是在流塑状的水泥土中压入预应力管桩，水泥土在压力作用下很难渗入土体孔隙，对桩周土体的主要效应是压密，使得土的凝聚力和内摩擦角得到提高，从而提高桩的侧摩阻力。 钱铮[4]通过观察掘出的整桩发现插入芯桩对水泥土及桩周土有三种效应：(1)桩上部对高压缩性土的挤扩作用； (2)桩下部土孔隙较大时渗入； (3)桩下部提高水泥土的密度和弹性模量。根据现场试验和模型试验[3，6]，静钻根植竹节桩的水泥土-桩周土体接触面摩擦性能优于钻孔灌注桩桩土接触面，各个土层所提供的极限侧摩阻力约为钻孔灌注桩的1.05 ～1.10 倍，故第i 土层水泥土桩侧阻力标准值qsik取钻孔灌注桩桩侧阻的 1.05 ～1.10 倍。
式中： Qsk1 为静钻根植竹节桩在水泥土-土界面破坏模式下桩身承载力标准值； up 为未扩径段水泥土桩周长； η1 为桩周土对桩侧阻力的挤密效应系数， η1 =1.05 ～ 1.1，根据
具体的土体种类取值； qsik1 为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，按灌注桩实测值取值； li 为桩穿越第i 层土(岩)的厚度(扩底部以及变截面以上2d 范围不计侧阻力， d 为未扩径段水泥土桩直径)。
3.2 芯桩-水泥土界面破坏模式计算方法
根据以上分析，当发生芯桩-水泥土界面破坏模式时，由于竹节桩与支盘桩的桩身均有突起，可参考挤扩支盘桩支盘处承载力计算方法。《挤扩支盘桩混凝土灌注技术规程》[12]中单桩竖向抗压承载力特征值计算公式：
式中： Qu 为单桩竖向极限承载力标准值； up 为主桩桩干周长； qski为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值； li 为桩穿越第i 层土折减盘高的有效厚度； qpkj为第j 盘盘底土的极限端阻力标准值； Apj为扣除主桩身截面积后第j 盘的水平投影面积；qpk为底盘所在土层的极限端阻力标准值； Ap 为单桩盘底投影面积； 第二项计算第j 支盘的承载力， η 为盘底极限端阻力标准值的修正系数，与承力盘位置和盘径有关，根据卢成原等[13]的分析，还应该考虑支盘j 的挤密效应系数βj =1.1 ～1.3。 由于挤扩支盘桩各支盘下部土体分担了轴力导致盘上下界面轴力突变，而竹节桩在竹节处不直接分担桩身轴力[8]，故无需单独计算竹节
处的承载力。
上段PRHC 管桩或PHC 桩部分按预制桩身计算侧摩阻力。 根据其成桩机理，其芯桩极限侧阻力标准值qsik2应略小于预制桩，同时应大于外芯水泥土与桩周土之间的极限侧阻标准值qsik。
下段PHDC 桩部分按竹节计算。 通过扩大系数η2 来考虑竹节对桩侧阻力的放大效应，该系数与竹节长度比以及竹节间距等变量有关[3]。 由上述支盘和竹节的挤密原理可知竹节的挤密效应系数η2 ＜βj； 试验研究发现[1]竹节桩段轴力随深度递减速率大于上部圆形截面管桩，因此竹节周围的水泥土发挥的作用大于上部管桩η2 ＞1.0，取η2 =1.0 ～1.1。 该系数与周佳锦通过对竹节桩试桩数据分析得到的系数 ηs = 1.05 ～1.10[14]接近。
式中： Qsk1 为静钻根植竹节桩在芯桩-水泥土界面破坏模式下桩身承载力标准值； uns 为上段PRHC 或 PHC 桩周长； qsik2 为芯桩桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值，取值介于预制桩和外芯水泥土桩，一般可取为相应预制桩推荐值； unx为下段PHDC 桩竹节处周长； η2 为竹节桩挤密效应系数， η2 =1.0 ～1.1，根据具体的土体种类取值；li 为桩穿越第i 层土(岩)的厚度(扩底部以及变截面以上2d 范围不计侧阻力， d 为上段桩身直径)。
3.3 桩端阻力
理论计算[2]以及数值模拟[4]发现在扩径处水泥土与芯桩对外力的反应较为同步，说明将扩径处的竹节桩与水泥土作为整体进行桩端承载性能分析是比较合理的。
《劲性复合桩技术规程》中是以整个搅拌区域作为截面面积计算劲性搅拌桩桩端阻力，其中等芯MC 桩的复合段水泥土桩端阻力调整系数ξp =0.6 ～0.8[11]。 考虑地质条件和综合管理的影响，静钻根植竹节桩的复合水泥土桩端阻力的调整系数 η3 =0.6。
式中： Qpk为静钻根植竹节桩桩端承载力标准值；η3 为桩端阻力修正系数； qbk 为桩端极限端阻力标准值，按预制桩实测值取值； Ab 为扩径处搅拌区的截面积。
综上所述，静钻竹节桩的单桩极限承载力计算公式表示如下：
4 工程实例
为了验证本文所提出的静钻根植竹节桩竖向抗压极限承载力计算方法的合理性，依托浙江宁波轨道交通中静钻根植竹节桩的承载力试验结果进行验证。
4.1 试桩概况和地质条件
本次宁波轨道交通项目静载测试选取两根试桩S2 和S4，均为静钻根植竹节桩。 总桩长均为64m，扩底高度3m，桩顶露出地面0.6m，桩身采用C80 混凝土。 选用竹节处直径为800mm，桩身直径为600mm 的竹节桩，与直径为800mm 的管桩搭配使用。 S2 与S4 采用相同的配桩方式，上部为 15mPRHC800(130)、15mPHC800(130)AB、8mPHC800(130)AB、11mPHC800(130)AB，下部为15mPHDC800 -600(130)。 试桩相关参数见表1 和图2，地质资料见表2。
