大直径开口钢管桩竖向承载特性试验研究

胡士兵，王忠瑾，张永永

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100；3.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州310014）

大直径开口钢管桩竖向承载特性试验研究

胡士兵*1，王忠瑾2，张永永3

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100；3.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州310014）

利用分布式光纤传感技术获得了大直径开口钢管桩在竖向压力下的桩身应变。在抗压静载试验的基础上，分析了桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力随桩顶荷载的发挥规律。桩身轴力沿深度的分布、各土层侧摩阻力和桩端阻力的发挥均与桩顶荷载的大小密切相关。在各级荷载下，桩身变形主要表现为轴向弹性压缩。假定桩端阻力主要来自土塞，分析了土塞与内壁的相互作用随桩顶荷载的变化。基于一维竖向平衡分析和有效土塞高度的研究，建议了大直径开口钢管桩的承载力计算方法，为工程设计提供了参考依据。

分布式传感光纤；大直径；开口钢管桩；土塞；荷载传递；竖向承载力

1　概述

相对于混凝土预制桩，钢管桩具有较强的穿透力、较大的承载力与较高的强度，且钢管桩施工速度快、打桩安全，更易于运输、更容易适应各种复杂的地形。

相对钢管桩在工程界的广泛使用，其承载力试验与计算理论远落后于工程实践。已有关于大直径钢管桩承载力特性的试验研究较少，且部分试验结论差异较大甚至完全相反［1-2］，部分现场测试结果表明，按照现有的计算方法得到的结果较实测承载力大，这对工程安全性是极为不利的。目前，针对管桩承载力的理论研究，主要有基于可靠度理论的承载力分析方法、数值计算方法与对现有计算方法的改进。各种不确定性因素的变异性对桩基承载力可靠度均有影响，尤其对计算模式的不确定性非常敏感；数值计算结果与所选用的土体本构模型、桩—土接触计算模型、计算网格的选取等因素有关，且与现场实测承载力结果有较大偏差［4-5］。

本文基于分布式光纤传感技术，得到大直径开口钢管桩在荷载作用下的应变等参数，结合某工程大直径开口钢管桩静载荷试验结果，分析了深厚土层中大直径开口钢管桩的竖向承载性状和荷载传递机理，并对其承载力的计算方法进行了初步探讨。

2　工程地质情况及试桩概况

试桩为龙源如东试验风电场工程基桩，S1桩与S2桩长度均为36.8m，直径为1400mm，抗压承载力试验均采用静载荷试验方法。S1试桩最大加载量为13200kN，S2试桩最大加载量为10800kN。

3　静载试验结果及分析

3.1各级荷载下的桩顶与桩端沉降

试桩各级荷载下的桩顶沉降、桩端沉降与桩身压缩量如图1所示。

图1　S1与S2试桩荷载—沉降曲线

由图1曲线可以看出，当荷载较小时，桩顶即产生沉降，S1与S2试桩的荷载—沉降曲线表现为线性关系，桩端沉降很小。在此阶段，桩顶沉降与桩顶荷载程线性关系，桩身变形表现为轴向弹性压缩变形，桩顶沉降主要由桩身压缩变形组成。

当桩顶荷载增大到一定值时，桩顶沉降增速逐渐增大，荷载—沉降曲线逐渐变为非线性，桩端沉降亦逐步增大。由图1可知，在各级荷载作用下，桩身压缩变形主要表现为弹性压缩变形。桩顶荷载增大到一定值后，桩端沉降开始趋于明显，且表现为非线性沉降。

3.2各级荷载下的桩身轴力

通过预埋在桩身的光纤传感器可以得到试桩在各级荷载下的桩身应变分布，试桩S1与S2的桩身轴力沿深度的分布如图2所示。

图2　桩身轴力分布图

3.3各级荷载作用下桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系

各级荷载下桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系，分布式光纤传感技术可得到每间隔0.05m桩身截面的应变，本文选取数据较好的断面计算了桩侧平均摩阻力与桩土相对位移的关系，如图3所示。

从图3可知，桩侧摩阻力的大小和桩土相对位移有着很好的对应关系，桩侧摩阻力的发挥与桩土相对位移的大小呈指数函数关系。当桩土相对位移较小时，桩侧摩阻力随着桩土相对位移的增大而增大，随着桩土相对位移的逐渐增大，桩侧摩阻力达到峰值，此后桩侧摩阻力几乎不再增大。

由图3还可看出，在同一土层中，随着桩土相对位移的增大，桩侧摩阻力相应增大，增加的幅度也基本一致。

图3　桩侧摩阻力—桩土相对位移曲线

S1试桩与S2试桩的平均桩侧摩阻力发挥程度与桩土的相对位移较合理。

3.4桩端阻力与桩端沉降的关系及破坏模式

由图1可知，当桩顶荷载较小时，桩端沉降十分微小，只有当桩顶荷载增大到一定程度时，桩端才开始产生明显沉降。由计算得到的桩端阻力与实测得到的桩端沉降，可得到桩端阻力与桩端沉降的关系曲线，如图4所示。由图4可知，在极限载荷内，桩端阻力的发挥与桩端位移的大小呈双折线关系。

S1试桩最终加载至13200kN，与此对应的桩端沉降为78.73mm，S2试桩桩顶最终加载10800kN，对应的桩端沉降为108.90mm，S1与S2试桩均发生刺入破坏。从S1试桩与S2试桩的桩端阻力与桩端沉降的拟合度看，采用三折线模型可较好地拟合桩端阻力与桩端位移的关系。

4　大直径开口钢管桩承载机理分析

图4　桩端阻力与桩端位移曲线

目前，针对开口钢管桩的承载力的计算理论还不完善，相关的试验研究亟待开展，特别是大直径开口钢管桩的承载力计算方法。在施工过程中，由于大直径开口钢管桩中间是空的，其挤土效应与实心桩挤土机理存在较大的区别，部分土体会挤入到桩中，形成土塞，土塞与桩内壁的相互作用是一个和多种因素相关的复杂问题。土塞的性质不仅会直接影响到桩端阻力的发挥，还会对桩侧摩阻力产生影响。开口钢管桩的桩端阻力主要来自桩内壁所形成的土塞。

试验和理论分析均表明［9-10］，钢管桩桩身侧摩阻力与桩内壁土塞阻力的发挥是不同。桩侧摩阻力在各级荷载下均得到有效发挥，而桩内壁的摩阻力，只有当荷载增大到一定程度时，才能得到有效发挥。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分发挥土塞侧阻所需沉降也越大。

图5　内壁摩阻力随桩顶荷载的变化

由图5可知，当试桩S1与S2桩顶荷载分别小于4800kN和6000kN时，桩端阻力微小，桩内壁摩阻力几乎为0，此时上部土塞力的传递对承载力没有有效发挥。只有当桩顶荷载增大到一定程度时，桩端处土塞与内壁的摩擦力开始有效发挥，且随桩顶荷载的继续增大，土塞总的摩阻力呈线性增大，直至桩端土体发生刺入破坏。

当桩端处土塞摩阻力开始有效发挥时，土塞的受力可采用简化的一维竖向平衡分析［9］，如图8所示。

图6　土塞的应力条件（Randolph，1991）

已有研究成果显示，一定高度以上的土柱部分对于土塞承载力的贡献非常小，即存在土塞的有效高度。目前，被认可的土塞有效高度一般为5倍桩径左右，当高度大于此数值时，土柱多数情况下不会发生破坏［10］。

5　结论

在某工程2根大直径开口钢管桩试桩静载试验的基础上，得出了如下结论：

（1）大直径开口钢管桩的承载力表现为摩擦桩的性状，在各级荷载作用下，桩身轴向变形呈线性压缩变形。桩身侧摩阻力沿桩深的发挥是一个异步的过程，上部土层的侧摩阻力发挥先于下部土层。随着荷载的增加，平均侧摩阻力也相应增大，但增加的幅度也有所差别。

（2）各级荷载下，桩身轴力随着深度的增加而减少。当桩顶荷载较小时，桩身下部轴力几乎为0，随着荷载的增大，桩端阻力也开始逐渐发挥出来，所占桩顶荷载的比例随荷载的增加逐渐增大，桩顶荷载接近极限承载力时，本文工程中采用的基桩桩端力约为极限荷载的20%。

（3）桩身侧摩阻力沿桩深的发挥是一个异步的过程，上部土层的侧摩阻力发挥先于下部土层。随着荷载的增加，平均侧摩阻力也相应增大，但增加的幅度也有所差别。

（4）桩内壁所形成的土塞，其与内壁相互作用于桩顶荷载大小密切相关。只有当桩顶荷载增大到一定值，土塞与内壁的摩阻力才能得到有效发挥，桩端力主要与有效土塞高度内的摩阻力相平衡。

［1］金东振，施呜昇，秦玉琪，等.提高大直径钢管桩承载力的探讨［J］.水运工程，1980（9）：1-6.

［2］贾德庆，陈锋，吕黄.大直径开口钢管桩承载力特性的分析［J］.水运工程，2004（10）：22-24.

［3］胡利文，贾德庆，傅洁馨.开口钢管桩承载力影响因素［J］.水运工程，2005（9）：17-22.

［4］许英，徐骏，吴兴祥.港口工程大直径管桩竖向承载力可靠性研究［J］.江苏科技大学学报：自然科学版，2011，25（6）：516-519.

［5］魏兴龙，左军成，段爱华.开口钢管桩竖向承载力分析［J］.人民长江，2011，42（11）：32-34.

［6］王君辉，冯建国，张华平.开口钢管桩桩基承载力桩端部分

P754

A

1004-5716（2016）02-0017-04

2015-10-14

2015-11-30

胡士兵（1980-），男（汉族），安徽天长人，高级工程师，现从事岩土工程研究、设计、咨询等工作。