劲性搅拌桩竖向荷载传递规律理论计算

高星江，贾沼霖 ，2

（1.华电重工股份有限公司天津分公司，天津 300010；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384）

劲性搅拌桩竖向荷载传递规律理论计算

高星江1，贾沼霖1，2

（1.华电重工股份有限公司天津分公司，天津 300010；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384）

通过对一种劲性搅拌桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律进行理论分析，提出该桩型竖向承载力标准值的计算公式。计算结果表明，芯桩的置入提高了水泥搅拌桩的桩身刚度和截面承载力，使极限状态下的水泥土的侧摩阻力和桩身混凝土的材料强度得以充分发挥，劲性搅拌桩兼有水泥土搅拌桩和预制桩的优点，具有承载力高、沉降小、造价低和侧摩阻力大的优势，是一种极具潜力的桩型。

劲性搅拌桩；接触面摩阻力；变形协调；荷载分担比；荷载传递

劲性搅拌桩是近些年来出现的新型桩型，是将有互补增强作用的两种或多种桩型复合为同一桩体，集合了刚性桩与柔性桩的优点，桩身具有较高的强度、刚度、密度和均匀性且与桩周土体具有较好的协调性，使极限状态下水泥土侧摩阻力和桩身材料强度得以充分发挥。该桩还具有施工工艺简单经济和不污染环境等多方面优点，是一种很有开发前景的新型桩。

1 研究现状

柳博鹏[1]通过对3根现场原比例劲性搅拌桩的试验研究，得到了该类桩分别在竖向和水平荷载作用下的承载力和位移特性；盛桂琳等[2]分析了劲性搅拌桩单桩工作特性，提出了劲性搅拌桩的荷载传递特性和破坏模式，其破坏模式分为急进性破坏和渐进性破坏两种，并根据含芯率对其进行划分；洪波[3]对劲性搅拌桩应力和应变的测试以及劲性搅拌桩现场载荷试验，尤其是实测的剪切强度与理论计算的差别为沉降计算的分析与修正找到了依据；陈坤[4]以现有的试验数据为基础，同时借助有限元分析工具对不同芯桩长度的劲性搅拌桩进行拟合计算，得出芯桩长度的合理取值。

笔者基于半无限体内施加荷载的Mindlin方程，对劲性搅拌桩的工作特性和荷载传递规律进行分析研究[5]，得出了劲性搅拌桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律及芯桩与水泥土的荷载分担比；劲性搅拌桩在竖向荷载作用下桩侧摩阻力和桩端阻力随桩顶荷载的变化规律；劲性搅拌桩在竖向荷载作用下芯桩与搅拌体的侧摩阻力及搅拌体与桩周土体侧摩阻力分布规律。以上研究对劲性搅拌桩的广泛应用提供了重要的参考价值。

2 劲性搅拌桩竖向荷载下桩土体系的荷载传递规律

一般来说，芯桩与搅拌体的荷载分担比为50～100，很多文献认为荷载主要由芯桩承担，将劲性搅拌桩视为单一材料来考虑。但笔者认为忽略搅拌体的承载能力，不仅无法准确反映两者的实际荷载分担情况，且无法体现芯桩与搅拌体之间的侧摩阻力分布情况。所以，笔者建议在研究竖向荷载作用下劲性搅拌桩的受力模型时，需要考虑如下条件：①搅拌体荷载分担比不可忽略；②需要考虑芯桩与搅拌体桩之间的摩阻力，且两者之间的粘结强度有极限值，但内外桩的变形一致；③上部荷载在向下传递过程中形成了双层扩散模式，即芯桩向搅拌体的扩散和从搅拌体向桩周土体的扩散两层。刚性桩荷载传递和受力模式，如图1—2所示。

图1 刚性桩荷载传递

图2 刚性桩受力模式示意

图1中，将桩体划分为若干单元体，每个单元体上的受力模式基本假设如下：①地基土和桩体材料为均质线弹性体；②混凝土芯任一深度的轴向位移与该处水泥土桩的轴向位移相等；③在轴向荷载作用下，桩体和桩周土体的径向位移很小，可以忽略不计。取z深处的某点位置，根据力的平衡条件进行分析。

对于桩身总体有力的平衡条件为：

对于芯桩的力的平衡条件为：

对于搅拌体的力的平衡条件为：

式中：qs为搅拌体外侧受到的土体摩擦力（kPa）；U1为桩身整体周长（m）；Q(z)为桩身截面z点的轴力（kN）；F1(z)、F2(z)为集中轴力作用在桩身截面z点的局部荷载值（（kN））；fc为芯桩与搅拌体之间的摩擦力（kPa）；U2为芯桩周长（m）。由以上力的平衡条件可得：

式中：Q0为桩身整体受到的外荷载（kN）；其余变量含义同上。

侧摩阻力与桩身位移的关系，可表述为：

式中：A2为搅拌体横截面面积（m2）；Es为芯桩弹性模量（MPa）；Q为桩身截面轴力（kN）；r为搅拌体直径（m）；其余变量含义同上。

劲性搅拌桩桩身轴力与位移的关系可表述为，当内部芯桩与外部搅拌体没有分离时，桩体本身相对于土体可以看为一个整体，所以此时计算桩身外侧侧摩阻力时，选用内外桩芯的复合模量。复合桩的总轴力通过桩侧摩阻力计算，从而可计算芯桩与搅拌体之间的摩阻力 fc。

由上述分析可得，内部芯桩与外部搅拌体的应力分担比与两者的半径、厚度、弹性模量及两者的粘结强度有关。劲性搅拌桩的长度多在10 m以上，可视为半无限空间，运用弹性理论法以连续介质模拟桩周土体的响应，利用在半无限体内施加荷载的Mindlin方程求解[5]。

根据图3，半无限体内任意点的位移可表示为：

式中：Gcp为芯桩与搅拌体的复合杨氏模量（MPa）；μcp为芯桩与搅拌体的复合泊松比；；z为集中力Q（z）作用点坐标（m）；c为集中力Q（z）作用点在z轴的坐标（m）。

图3 半无限体内Mindlin解模型

3 工程案例

根据文献[1]，选用的试验场地位于天津西青区某地，多个勘察孔中最深孔为35 m，所揭露地层均为第四系全新统及上更新统沉积层，土质以黏土和粉质黏土为主，埋深-14.25～-16.42 m的⑤2土层工程性质较好，可作试验桩持力层使用。预估试验桩极限承载力为2 000 kN，分8级按每级荷载230 kN进行加载。笔者选取460、920、1 380、1 840、2 070 kN 5个级别进行对比验证。土层参数见表1，1#桩在各级荷载下的桩身轴力见表2，芯桩桩身轴力沿深度的分布曲线如图4所示。

表1 土层参数

表2 1#桩在各级荷载下的桩身轴力

图4 芯桩桩身轴力沿深度的分布曲线

4 结论

由图4中曲线可知，劲性搅拌桩的承载范围为桩顶端向下5～7倍的桩径范围内，且在水泥搅拌桩中插入芯桩，改变了水泥搅拌桩的工作特性，使其承载性能同刚性桩相似。当荷载作用在桩顶时，由混凝土芯桩承担主要荷载，再以剪应力的形式传递给水泥土，接着由水泥土将荷载传递到桩周土体。荷载通过劲性搅拌桩传递到一定的深度范围内，使下部桩身的摩阻力得以发挥，从而形成荷载从桩身到土体的强弱过度，将芯桩的较强抗压刚度与搅拌桩的较大侧摩阻力有力结合，提高其承载性能。

[1]柳博鹏.劲性搅拌桩分别在竖向和水平荷载作用下承载性能的试验研究[D].天津：天津大学，2006.

[2]盛桂琳，鲁书甜，鲍鹏，等.劲性搅拌桩承载力的主要影响因素分析和计算公式探讨[J].河南大学学报（自然科学版)，2008（1)：96-100.

[3]洪波.劲性搅拌桩在复合地基中应用效果的评价和研究[D].北京：中国地质大学，2008.

[4]陈坤.劲性搅拌桩芯桩长度的试验研究及数值分析[D].天津：天津大学，2006.

[5]顾士坦，施建勇，王春秋，等.劲性搅拌桩芯桩荷载传递规律理论研究[J].岩土力学，2011（8)：2473-2478.

Transfer Mechanism and Theoretical Calculation of Reinforced Mixing Pile

GAO Xing-jiang1，JIA Zhao-lin1，2
（1.Tianjin Branch of Huadian Heavy Industries Co.Ltd.，Tianjin 300010，China；2.Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin 300384，China）

This paper analysed a kind of load transfer law of a reinforced mixing pile under the vertical load and put for⁃ward the calculation formula of vertical bearing capacity of the pile，experimental results show that the core pile driven in improves the rigidity of the cement mixing pile and bearing capacity of the section and gives the skin resistance of cement in ultimate states and the strength of the concrete to their full play.As the reinforced mixing pile has the advantages of both cement-soil mixing pile and prefabricated concrete pile including high bearing capacity small settlement low costs and high skin resistance it has great potential as the mixing pile in soft ground.

reinforced mixing pile；skin resistance；deflections consistency；load share ratio；load transfer

TV332

A

1004-7328（2017）05-0046-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.016

2017—05—20

高星江（1964—)，男，高级工程师，主要从事机械工程技术研究工作。