架空直立式码头钢护筒嵌岩桩受力性状综述

尹 文，贾 理

(重庆交通大学河海学院，重庆400074)

0 引言

随着西部地区内河航运事业的快速发展，尤其是三峡工程的建成蓄水，长江航运作用进一步发挥，集装箱运量迅猛增长，传统的斜坡式集装箱码头已经不能满足新时期水运工程的需求;基于大水位差和大水深的库区码头建设的新型架空直立式集装箱码头，具有机械化程度大、装卸效率高、吞吐量大、对大水位变化适应性强、对江水流态影响小、作业安全性高等优势，已在寸滩、果园等库区码头选型建设中逐步取代传统的斜坡码头得到应用［1～3］.

三峡大坝蓄水成库后，其库区的港口码头建设将面临一些新难题［4］，即原本可用来连续施工的枯水期(每年11月中下旬至次年4月中下旬)消失，取而代之的是库区水位大幅抬升，码头建设过程中水下施工工作量增加;加之地质条件较为复杂，库岸以裸岩为主，覆盖层较薄，基岩纵横起伏大，呈砂泥岩相互交错状，局部属于软岩地基.这些新问题都将成为库区码头建设过程中必须面对并寻求有效措施解决的关键点.

山区河流码头桩基普遍采用大直径嵌岩灌注桩，为了施工方便的要求通常需要架设钢护筒，钢护筒作为架空直立式码头的构成部分，具有一些新的特点.对三峡库区架空直立式码头钢护筒嵌岩桩受力性状开展研究，有助于充分利用桩基的承载力和抵抗变形的能力，优化桩基以及码头结构的设计方案，发挥科学理论对工程实践的指导作用.本文针对三峡库区架空直立式码头钢护筒嵌岩桩受力性状研究作一综述，探讨有待研究的方向.

1 研究现状

架空直立式码头基础是采用大直径钢护筒嵌岩桩组成的群桩基础.这种结构型式在库区码头建设中已得到广泛应用，而对大直径钢护筒嵌岩桩基础受力性状理论研究方面却相对滞后于工程实践.

1.1 钢护筒嵌岩桩

嵌岩桩是一种将桩端嵌入基岩一定深度的桩型，当桩体以灌注的型式浇筑时则称之为嵌岩灌注桩［5］.钢护筒嵌岩桩是一种特殊的嵌岩灌注桩，主要由两部分构成:一是满足施工需要的钢护筒;二是钢护筒内嵌入地基岩层的钢筋混凝土桩身.事实上钢护筒嵌岩桩可以理解为由上部的类似于钢管混凝土桩和下部的钢筋混凝土桩所组成的“上大下小”的钢混组合变截面桩.钢护筒作为施工构件，外径一般比设计桩径大10%左右，长度一般为桩长的45%左右，施工完毕后一般不予拆卸，成桩后被保留下来作为桩体结构的一部分，使用中钢护筒和桩芯钢筋混凝土具有明显的共同受力性状，呈现出和普通大直径嵌岩灌注桩不同的特点［6］.

1.2 钢护筒及钢护筒嵌岩桩受力性状

钢护筒嵌岩桩的受力性状与普通的嵌岩桩存在的差异主要体现在钢护筒的存在下外力作用使得钢护筒对嵌岩桩力学性质的影响.

日本大芝大桥采用带凸缘的线形钢管，使得钢管与填充的钢筋混凝土整体受力，并首次明确采用混合桩的概念［7］.当钢护筒壁厚＞3 mm，并作为永久构件时，就可以认为其参与受力.［8］国外学者考虑海洋特殊环境下的基桩施工，对桩头进行了接头试验和耐腐蚀环境下的复合桩的理论与试验研究［9～10］.国内学者考虑到钢护筒对桩体强度的影响，认为在水平荷载产生的弯矩分配中不能忽略.［11］

事实上钢护筒具有环箍作用，水平荷载作用下，会呈现出钢混组合变截面桩的承载特性;而对钢护筒效应考虑与否，桩体位移的影响，与普通钢管柱相比共同作用程度等均缺乏量化分析［6，11］.

文献［12］提到的单桩轴向抗压承载力设计值计算公式，因为钢护筒的存在，桩身周长的增大，使桩侧阻力的作用面积增加，从而提升桩基侧阻力.根据桩的外部强度准则［13］，桩基侧阻力取决于桩周介质与桩接触面的剪切强度，钢护筒较桩芯钢筋混凝土摩擦系数小，将造成单位面积上的摩阻力减小.在研究中需要比较这两个因素的影响，系统分析桩基轴向承载力的变化情况.陈玲等［14］针对苏通长江大桥桩基的研究显示:轴向力作用下考虑钢护筒效应将使得承载力提高约10%，且破坏时不会发生脆性破坏，而趋于延性，钢护筒的存在使得沉降值略有减小.唐勇［15］认为:对于单桩，钢护筒可提高其承载性能、减小桩顶沉降，上部荷载由基础和钢护筒共同承担;对于群桩，钢护筒可以使荷载分布更均匀.

码头结构在运营过程中受到船舶撞击力、挤靠力、水流力、风荷载，码头上部传递的水平荷载等多种横向作用，钢护筒嵌岩桩主要为水平受荷的直桩，其横向承载性能是一个非常关键的问题.钢护筒增加了嵌岩桩截面的抗弯刚度，参与水平荷载下压弯作用的弯矩分配，在抵抗变形方面能发挥明显作用.根据穆保岗［6］等人的研究:采用非线性的NL法分析，考虑钢护筒效应可以使桩顶水平位移减小约50%;采用位移控制最大水平承载力时，考虑钢护筒作用在计算水平位移变形时会更加准确，钢护筒效应不应忽略.

1.3 嵌岩桩－土－岩受力性状

竖向荷载作用下，嵌岩桩的承载力除由桩身材料强度决定外还受地基土(岩)强度决定，而后者为主要因素，即主要由桩土间的摩阻力、嵌岩桩嵌岩段的侧阻力和端阻力三部分组成.嵌岩桩桩顶受竖向荷载作用，桩身上部压缩向下发生位移，桩侧受到非嵌岩段土体的摩阻力作用;随着荷载加大，嵌岩段岩体也会对桩身产生侧阻力，其值随桩顶所施荷载的增大而增加;当桩侧的摩阻力和侧阻力达极限值后，继续增加桩顶荷载，其增量将由桩端阻力承担，直至岩体的极限值.一般来说上部非嵌岩段土层的桩土摩阻力先于嵌岩段侧阻力，嵌岩段桩侧阻力早于桩端阻力发挥［16～18］.从荷载传递机理及嵌岩桩的受力特性及大量嵌岩桩试桩资料得出［19］，单桩在竖向荷载作用下其受力性状一般为5个阶段:(1)桩土摩阻力发挥.此时桩端阻力为零，桩端几乎无沉降，桩顶荷载主要由桩侧土体承担;(2)桩岩侧阻力发挥.此时桩侧岩体开始发挥作用，桩端阻力仍为零，桩顶荷载主要由桩侧土与岩体来承担;(3)桩端阻力开始发挥.桩顶荷载由桩土摩阻力、桩岩侧阻力和桩端阻力共同承担;桩端开始出现沉降，初期为沉渣的压实，后期为桩端持力层的岩土体压缩变形;(4)桩侧阻力发挥到极限.继续增加桩顶荷载，其值将全部由桩端阻力承担，桩端沉降进一步发展，桩端岩土体逐步屈服;(5)嵌岩桩破坏.桩顶荷载进一步增加，桩端持力层所承受的荷载继续加大，即基岩达到塑性状态而破坏，或由于桩身压力过大而破坏［20］.

从大量嵌岩桩试验实测结果分析得出，桩从承担水平荷载到开始破坏一般可视为三个阶段:即直线变形阶段、弹塑性变形阶段、破坏性阶段［21］.事实上，由于土(岩)体的非线性，即使水平荷载较小、水平位移不大的情况下，第一阶段也不完全是直线型.此外，由桩身强度控制水平承载力的桩达到极限荷载后，桩顶水平位移增加很快，在荷载－位移曲线上有明显的拐点;而由地基岩体强度控制水平承载力的桩，在施加水平荷载后，由于土(岩)体受桩的挤压作用逐步进入塑性状态，在出现被动破裂面之前，塑性区是逐步发展的，因此其荷载－位移曲线上一般不会出现明显的拐点［20］.

2 存在的问题及研究趋势

大直径灌注桩在我国已广泛应用于工业、民用、市政、铁路、公路、港湾等地基工程中，其承载性状一直是工程界、学术界关注的热点问题.国内外许多单位和学者对其承载能力、荷载传递机理等进行了诸多有益的研究与探索.而钢护筒嵌岩桩承载受力性状却缺乏系统研究.由于钢护筒嵌岩桩与传统嵌岩桩在构造上的差异，这些资料和经验并不能很好的解释现有设计计算中存在的一些问题.目前，国内外关于钢护筒嵌岩桩承载性状研究成果较少.

内河深水码头排架中大直径钢护筒嵌岩桩在船舶撞击力、挤靠力、码头上部荷载等荷载作用下，引起钢护筒嵌岩桩身变形、钢护筒与桩芯混凝土界面分离、钢护筒与承台接头处混凝土剥落等问题，都会引起钢护筒嵌岩桩承载能力降低甚至造成桩基破坏，最终导致码头结构的破坏.

2.1 钢管混凝土桩(柱)与钢护筒嵌岩桩受力性状的区别

钢管与混凝土桩(柱)及钢护筒与嵌岩桩存在相似受力性质已得到众多学者认可.但是钢护筒嵌岩桩与钢管混凝土桩(柱)对比，其受力性状主要有以下3点不同［22～24］:

(1)受荷性质不同.钢管混凝土桩(柱)主要承担轴压荷载，已有研究往往集中在轴压短柱基本性能方面.内河架空直立式码头中钢护筒嵌岩桩除了承受轴向荷载外，还受到船舶撞击力、系缆力等水平荷载的作用，其横向承载性能更为重要，甚至还存在轴向与水平荷载共同作用.

(2)联合受力机理不同.钢管混凝土桩(柱)是利用轴向受压时钢管对核心混凝土的环箍作用，使管内混凝土处于三向受压状态而提高其抗压强度.钢护筒嵌岩桩由于桩基直径大，且管内为钢筋混凝土，钢护筒对混凝土的约束效应有限，钢筋混凝土与钢护筒进入基岩深度不同不能保证两者能完全协调工作，另外码头下层纵横联系撑仅仅焊接在钢护筒外侧，与内侧混凝土没有连接成整体，这些特点都导致了钢护筒与桩芯混凝土联合受力性能低于钢管混凝土桩.结构在船舶撞击力低周、反复大荷载作用下容易造成钢护筒产生局部破坏.

(3)传力途径不同.钢管混凝土桩(柱)主要以轴向力的方式将上部荷载传递到基础或地基中，传递途径为:上部荷载→钢管混凝土桩(柱)→地基(或基础)，荷载直接传递到钢管和桩芯混凝土.钢护筒嵌岩桩轴向承载与钢管混凝土桩类似，但承受船舶荷载(水平力)时的传力途径为:船舶荷载→靠船构件→钢护筒→钢－砼界面→桩芯钢筋混凝土→地基.船舶荷载是通过靠船构件传给钢护筒，再由钢－砼界面传递给桩芯钢筋混凝土，而并非直接作用于桩芯上.

目前对钢管混凝土桩(柱)进行过大量研究，但钢护筒嵌岩桩的厚径比、截面含钢率与钢管混凝土桩(柱)大为不同，此外钢护筒嵌岩桩为嵌岩桩与钢管混凝土桩(柱)所处环境也不同，并且钢护筒嵌岩桩与钢管混凝土桩(柱)受力性状有所区别.因此，钢管混凝土的成熟研究成果对钢护筒嵌岩桩的参考价值是有限的.

2.2 钢护筒与桩芯钢筋混凝土的联合受力

钢护筒与桩芯钢筋混凝土之间通过粘结作用传递荷载.并且钢护筒与桩芯混凝土的接触状态将很大程度上影响二者的联合受力，这就需要对钢护筒与桩芯钢筋混凝土界面粘结－滑移发展过程以及界面强度影响的因素进行较为系统的研究.文献［25］～［30］指出当界面处于粘结状态，起作用的主要是胶结力起作用;当发生微小滑动时，接触面主要由机械咬合力作用;随着滑移的进一步发展，机械摩擦力开始发挥.影响界面强度的主要因素有混凝土强度、钢管表面粗糙程度、养护条件、径厚比、界面长度等.此外，在实际工程中，由于钢护筒嵌岩桩内外温差导致界面脱开的情况也应引起重视.钢护筒与桩芯钢筋混凝土界面的接触状态和粘结强度将决定其共同受力状况.即便在目前理论成果较为丰富的钢管混凝土领域，对界面粘结强度的研究也尚未成熟，所以对钢护筒与桩芯钢筋混凝土的联合受力的研究是完全有必要的.

2.3 考虑重复荷载作用下钢护筒效应对嵌岩桩承载性能的影响

作用在钢护筒嵌岩桩上的重复荷载主要为船舶荷载等，即由钢靠船构件传递至码头上部结构再传递至桩基的船舶撞击力、挤靠力等，属于低频重复荷载.在其长期作用下，桩基会出现类似于低周重复荷载作用下刚度退化的现象，导致桩基承载力下降.且桩周土体由于重复荷载的作用也会出现强度弱化［31］，进一步降低桩基的承载性能.现有研究多集中在对与钢护筒嵌岩桩相类似的钢管混凝土柱滞回性能的研究［32，33］.荷载作用下构件外层的钢管在纵向应变峰值荷载点附近或接近峰值荷载点处发生屈服，由于钢管环箍效应的作用，试件延性较好，即使在峰值点之后试件的承载力下降缓慢.这说明钢护筒很有可能在提升嵌岩桩基在重复荷载作用下承载性能上发挥作用.研究重复荷载下界面粘结滑移性能及其弱化规律，可以为横梁桩基节点的设计提供科学依据，提高节点设计的可靠度［34］.

目前针对环箍作用研究较为深入，有成熟结论的当属结构工程中广为应用的钢管混凝土构件.但由于钢管混凝土柱、框架等一般作为轴心受压构件或者小偏心受压构件，研究钢管混凝土抗弯性能的研究不多，学界对其受弯性能研究不够深入，对其界面强度的研究也较少［35］.在实际的使用过程中，钢护筒嵌岩桩长期处于轴向和横向荷载联合作用下，在一般情况下总是处于偏心受压状态，由于偏心荷载使得桩发生挠曲，这样钢护筒和桩芯钢筋混凝土界面将产生径向压力而其具有剪切摩阻力，粘结强度可能将得到提高.研究压弯作用下钢混界面强度将使得到的结果较于模拟轴心受压的推出、推移试验更符合实际情况.

3 结语

已有学者对大直径钢护筒嵌岩灌注桩的承载性能作了探索性的研究，并取得一定成果.架空直立式码头采用全直桩布置，取消了普通高桩码头中常见的叉桩、斜桩，这就需要我们充分考虑直桩的水平承载性能.针对内河大水位差架空直立式码头结构及其基础的研究尚处于探索阶段，大直径钢护筒嵌岩桩的钢护筒效应对桩基承载性能的影响仍没有量化，承载机理与工作特性应受到研究人员的重视.

现场原位试验是研究钢护筒嵌岩桩承载性状的权威方法，但因不同工程面临不同地质条件、上部荷载、桩长、桩径、嵌岩深度及施工差异等，从而使得测试数据的适用性存在差异，而且现场原位试验耗资巨大、静载作用下很难加载至桩身破坏无法得到极限承载力.室内模型试验依据相似理论选择合适的相似比和模型材料，可研究不同荷载、工况、加载方式等因素下钢护筒嵌岩桩的承载性状.数值分析也是研究钢护筒嵌岩桩承载性状的有效方法，如何较好的模拟桩岩界面和钢混界面接触成为钢护筒嵌岩桩数值模拟成功的关键因素之一.因此，可以更好的利用室内模型试验与数值分析方法相结合的方式进行钢护筒嵌岩桩的研究.

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