桩底沉渣对端承桩竖向承载性能的影响研究

原方 李志谦 张健 徐志军

摘 要：沉渣是钻孔灌注桩施工过程中常见的缺陷形式。但目前，关于沉渣缺陷桩工作性状的研究还不够完善。本文针对砂土中有较好持力层的端承樁，通过改变沉渣厚度和压缩模量，研究端承桩的荷载-沉降曲线变化规律、单桩竖向极限承载力随沉渣参数变化规律和桩顶沉降随沉渣参数变化规律。研究表明：沉渣的出现会导致桩端阻力损失严重，进而降低极限承载力；沉渣压缩模量的增大能有效控制桩顶沉降；施工过程应严格控制沉渣厚度。

关键词：钻孔灌注桩；沉渣；承载力；沉降

中图分类号：TU473.1+1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0114-04

Research of the Effects of Bottom Sediment on the

Vertical Bearing Behavior of End Bearing Piles

YUAN Fang LI Zhiqian ZHANG Jian XU Zhijun

（School of Civil Engineering and Architecture， Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Sediment is a common form of defects in the construction of bored piles. But at present， the research on the behavior of sediment defective piles is not perfect enough. This paper changed the thickness and compression modulus of toe debris to research load-settlement curves， the ultimate bearing capacity of piles changes with the parameters of toe debris， the settlement of piles changes with the parameters of toe debris. The resulted show that the attendance of toe debris led to great loss of pile-end resistance； with the increment of the compression modulus of toe debris， pile settlement was under effective control； the thickness of toe debris should be strictly controlled in pile construction.

Keywords： bored piles；toe debris；bearing capacity；settlement

1 研究背景

钻孔灌注桩因其对地层适应性较强、施工过程无振动、对土体无挤压的特性，是一种广泛应用于土木工程结构的基础类型[1]。然而，钻孔灌注施工过程中易在桩底产生沉渣，对竖向承载力造成不利影响，产生沉渣的原因主要有以下几方面[2，3]。①泥浆的性能指标不达标。施工过程中泥浆池内泥浆的相对密度、稠度会降低，若未及时对泥浆的性能指标进行检测，易造成塌孔，不能有效排除孔内沉渣。②清孔力度不足。第一次清孔彻底能有效节省第二次清孔的时间。若第一次清孔不彻底、第二次清孔流于形式，就会导致孔底沉渣无法得到有效清除。③施工工序安排不紧凑。第一次清孔至第二次清孔之间，需要安放钢筋笼和导管。对于这个过程，操作熟练的工作人员需要1～1.5h。若施工过程历时过长、第二次清孔后未立即灌注混凝土，易造成孔内泥浆失水，从而导致塌孔及泥浆中泥块、碎石块沉淀。④混凝土初灌量不足。在施工过程中，应在满足规范要求的前提下，尽量增大混凝土初灌量，否则无法对孔底沉渣产生足够的冲击力使其排出孔外。

章敏[4]考虑土体的三相性，对桩侧土体为非饱和土的端承桩在水平简谐荷载作用下的振动特性进行研究，分析土体饱和度对桩身位移、桩身弯矩和剪力的影响。姜明[5]运用MIDAS/GTS数值模拟软件，分析不同沉渣厚度、弹性模量及有无桩顶承台这3种情况下的旋挖成孔灌注桩荷载-位移曲线，研究了沉渣对端承桩竖向承载力的影响。栾鲁宝[6]在研究桩基水平振动响应时，以饱和土中的端承桩为例，将上部结构作用于桩顶的荷载及土体自重应力作为影响因素，建立偏微分方程，分析上部荷载（桩顶弯矩、桩顶均布荷载）对桩基水平位移、桩顶弯矩与剪力变化规律。

对于端承桩的研究主要针对桩身没有缺陷的正常桩，关于桩端存在沉渣缺陷桩研究相对匮乏。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[7]规定：灌注混凝土之前，端承桩孔底沉渣厚度不得大于50mm。相关文献主要是针对大厚度沉渣缺陷桩进行数值模拟，远超规范要求，且对桩基承载性状的分析局限于Q-s曲线，缺乏沉渣对桩顶沉降影响的研究。综上所述，现有研究不足以从极限承载力和桩顶位移两方面，较为全面地认知沉渣对端承桩竖向承载性状的影响规律。

本文通过大型有限元分析软件ABAQUS，从沉渣厚度和沉渣压缩模量两方面入手，研究端承桩的荷载-沉降曲线变化规律、单桩竖向极限承载力随沉渣参数变化规律和桩顶沉降随沉渣参数变化规律。

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS的轴对称模型。桩径为0.3m，桩长为25m，桩侧土体为均质砂土，持力层为基岩。几何模型宽度方向取20倍桩径（6m），深度方向取2倍桩长（50m）。对靠近桩侧的土体进行加密，以便反映较大的变形梯度。沉渣缺陷桩有限元模型简图见图1。

桩体材料为混凝土，采用线弹性模型，具体参数见表1。桩侧土体为均质砂土、持力层为基岩，沉渣视为均质材料，三种材料均采用Mohr-Coulomb塑性模型，具体参数见表2。在初始分析步中约束模型底部的水平和竖向位移，约束模型左侧（轴对称轴）和右侧的水平位移。桩的加载通过指定桩顶位移条件实现。为了和初始地应力相适应，在地应力分析中对模型整体施加重力荷载。桩土界面的相对位移较大，沉渣缺陷桩有限元模型的接触跟踪算法采用有限滑动。

研究沉渣厚度对端承桩竖向承载力的影响时，沉渣厚度分别取20、30、50mm；研究沉渣压缩模量对端承桩竖向承载力的影响时，沉渣厚度取固定值20mm，压缩模量分别为2.5、5、7.5、10MPa。

3 计算结果分析

3.1 沉渣厚度对端承桩竖向承载力的影响

单桩竖向极限承载力随沉渣厚度变化曲线见图2。桩底无沉渣时，Q-s曲线为缓变型，根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）[8]，取s=40mm，对应的荷载值为单桩竖向极限承载力，正常桩的竖向极限承载力为3 821kN。正常桩的极限侧摩阻力（Qsu）/极限承载力（Qu）=42.8%<50%，为摩擦端承桩。沉渣的出现导致桩的Q-s曲线由缓变型变为陡降型。单桩竖向极限承载力随沉渣厚度变化曲线见图3。沉渣厚度分别为20、30、50mm时，对应的竖向极限承载力分别为1 799、1 803.5、1 779kN，极限承载力损失率分别为52.9%、52.8%、53.4%，极限承载力损失严重。沉渣缺陷桩极限侧摩阻力（Qsu）/极限承载力（Qu）分别为86.8%、89.8%、92.7%，竖向受力情况由摩擦端承桩变为端承摩擦桩。随着沉渣厚度增加，竖向受力情况有接近纯摩擦桩的趋势。

取桩顶荷载Q为500、1 000kN和1 500kN这3级荷载作用下的桩顶沉降，绘制桩顶沉降随沉渣厚度变化曲线，见图4。在较低荷载作用下，主要是桩侧摩阻力来承担上部荷载，沉渣的出现导致桩侧摩阻力有了一定程度的损失。相同桩顶荷载作用下，沉渣缺陷桩的桩顶沉降大于正常桩，差值为1.6mm。随着桩顶荷载的增加，沉渣缺陷桩的桩顶沉降与正常桩的差值愈加增大。桩顶荷载Q为1 000kN时，沉降差值为4.6mm。当荷载接近沉渣缺陷桩的极限承载力时，沉渣缺陷桩的桩顶沉降与正常桩相比差值最大为7.5mm，桩顶沉降最大增加56.4%，沉渣厚度在较大桩顶荷载时对桩顶沉降产生显著影响。

3.2 沉渣压缩模量对端承桩竖向承载力的影响

不同沉渣压缩模量下的荷载-沉降曲线见图5。由图5可知，隨着沉渣压缩模量的增大，沉渣缺陷桩的Q-s曲线由陡降型向缓变型过渡。压缩模量为2.5、5MPa和7.5MPa时的Q-s曲线为陡降型，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值为单桩竖向极限承载力。压缩模量为10MPa时的Q-s曲线为缓变型。s=40mm对应的荷载值为单桩竖向极限承载力。单桩竖向极限承载力随沉渣压缩模量变化曲线见图6。沉渣压缩模量分别取为2.5、5、7.5MPa和10MPa，极限承载力分别为1 782.7、1 799.2、1 913.1.3kN和2 177.6kN，极限承载力损失率分别为53.3%、52.9%、49.9%和43%。压缩模量为2.5MPa和5MPa时，极限承载力相近，Q-s曲线发生陡降的起始点的位移均为26.6mm。压缩模量为7.5MPa时，不仅极限承载力提升，Q-s曲线陡降段的斜率也小于前两种情况，发生陡降的起始点的位移为28.9mm。沉渣厚度相同的情况下，缺陷桩的极限承载力随着沉渣压缩模量的增大而提高，Q-s曲线的形态发生显著变化，极限承载力显著提高。沉渣缺陷桩极限侧摩阻力（Qsu）/极限承载力（Qu）分别为92%、86.8%、83.3%和80.7%时，由于沉渣压缩模量的增大，桩端阻力有了较大提升，在荷载分担比中的比例亦增大。

取桩顶荷载Q为500、1 000kN和1 850kN这3级荷载作用下的桩顶沉降，绘制桩顶沉降随沉渣压缩模量变化曲线，见图7。在较低荷载作用下，此时桩端阻力尚未发挥作用，沉渣压缩模量对桩顶沉降的几乎没有影响。桩顶荷载超过沉渣缺陷桩的极限承载力时，随着沉渣压缩模量增大，桩端阻力开始发挥，桩顶沉降有了显著降低，沉渣缺陷桩的桩顶沉降差值最大为5mm，桩顶沉降最大减少了15.5%，桩顶沉降得到了有效控制。

4 结论

通过研究桩底沉渣对端承桩竖向承载性能的影响，综合分析研究荷载-沉降曲线变化规律、单桩竖向极限承载力随沉渣参数变化规律和桩顶沉降随沉渣参数变化规律，初步得到以下结论。

①桩底沉渣的出现改变了Q-s曲线的形态，由无沉渣时的缓变型变为有沉渣时的陡降型，极限承载力随着沉渣厚度的增大显著降低，最大降低了53.4%。桩端阻力所分担的荷载比例严重降低，单桩的受力情况从端承摩擦桩变为端承摩擦桩，端承力损失较严重。各级桩顶荷载作用下，沉渣缺陷桩的桩顶沉降均大于正常桩，沉降差随着桩顶荷载的增大递增。

②沉渣厚度相同时，随桩底沉渣压缩模量的增大（小于桩侧土体压缩模量的一半），沉渣缺陷桩的Q-s曲线由陡降型向缓变型过渡，极限承载力有了一定程度的提高，桩端阻力所分担的荷载比例增大。桩顶荷载较大时，随着沉渣压缩模量的增大，桩顶位移逐渐减小，不同压缩模量下的沉降差可达5mm。

③相关规范中规定了浇筑混凝土之前的沉渣临界厚度，考虑了混凝土初灌时较大的冲击力能让沉渣随泥浆排出孔外。本文进行有限元分析时的沉渣厚度，为浇筑混凝土成桩之后的厚度，此时沉渣的出现会重削弱桩基承载力，故施工中应严格控制沉渣厚度。

参考文献：

[1]张忠苗.桩基工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]张志华，丁杰.钻孔灌注桩孔底沉渣厚度的检测与控制[J].工程质量，2008（6）：33-35.

[3]黄玲彬，吴兰英.钻孔灌注桩孔底沉渣质量问题的探讨[J].山西建筑，2010（2）：132-133.

[4]章敏，王星华，冯国瑞.非饱和土中端承桩水平振动特性研究[J].岩土力学，2015（2）：409-422.

[5]姜明.端承灌注桩在砂卵石地层中沉降特性研究[D].成都：西华大学，2016.

[6]栾鲁宝，丁选明，瞿立明.饱和土中考虑竖向荷载的端承桩水平振动响应解析解[J].防灾减灾工程学报，2017（3）：419-427.

[7]中华人民共和国建设部.建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基桩检测技术规范：JGJ 106—2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.