超前加固植入桩受荷机理分析与模拟

侯维杰 李建勇 孙文怀 郝彦超

(1.华北水利水电大学 河南郑州 450046； 2.河南省建筑科学研究院有限公司 河南郑州 450053)

0 引言

在桩基础设计中，提高桩基承载力和降低桩基础沉降是两个关键问题。

从改变单桩形态的螺纹桩，到结合2种桩型的劲性搅拌桩，再到后注浆技术，各种提高承载力的方法层出不穷。螺纹桩[1-2]适用于一般黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、及强风化岩等土层，适用范围广，相对于传统的等直径桩，螺牙的存在提高了桩的侧阻力，使其承载力高于传统桩型，但存在施工速度慢，工期较长，相对预制桩造价较高的问题。劲性搅拌桩，是在搅拌桩中间插入加强内芯作为增强体，增加搅拌桩桩体强度，克服了搅拌桩桩体强度不足导致承载力偏低的问题，董平[3]、Anucha Wonglert[4]等人对其作用机理进行了大量的试验与模拟，研究了其内芯材料性质、尺寸等对其承载力的影响，相对于灌注桩、预制桩而言，其造价便宜，但主要适用于软土地基的处理，具有一定的局限性。后注浆[5]技术，是在灌注桩成桩后一定时间内对桩侧桩端进行注浆，提高承载力，减少沉降。该方法适用性广，解决了灌注桩桩端虚土的技术难题，但施工工艺相对复杂，同时延长了施工周期。

植桩法(即超前加固预制桩植入法)，是解决桩顶标高降低、持力层不变而有效桩长减少导致桩基承载力不足问题的一种新的施工方法。孙文怀[6]通过现场试验，发现植入桩承载力相对于普通管桩提高了33%；郝彦超[7]对植入桩的施工工艺进行了优化，改善了搅拌时的进尺效果；李安勇[8]对植入桩进行了现场试验，发现引孔时掺入膨润土可以大幅提高桩基承载力；王海[9]通过有限元对掺入膨润土的植入桩进行了分析，给出了植入桩的单桩承载力计算表达式和沉降的近似表达式，但其模型还存在一定的问题。目前国内外对于植入桩的理论研究相对较少，其作用机理相对复杂，还需进一步进行研究。

植桩法的基本思想，是通过水泥土搅拌法超前加固预制桩桩周以及桩端土体，从而提高桩侧及桩端阻力。植桩法，不仅可以提高预应力管桩的承载力，也很好地解决了砂层中压桩过后桩体回弹上升的问题。

1 超前加固植入桩的受荷机理

超前加固植入桩，是指首先通过深层搅拌机钻杆将水泥浆液与土体充分搅拌形成水泥搅拌桩外壳，然后在水泥初凝之前将桩体沉入预定位置所形成的一种新型桩。植入桩结构如图1所示。

a 植入桩平面图

b 植入桩立面图图1 植入桩结构示意图

根据所植入桩型的不同，植入桩可分为两大类，一种是预制桩植入桩，一种是现浇桩植入桩，如表1所示。

表1 植入桩分类

植入桩承载力的关键影响因素，有桩体强度、地基土强度、和水泥掺入量。在桩体强度足够的情况下，地基土体强度和水泥掺入量是主要影响因素。

1.1 地基土

桩基的承载力由两部分组成，分别是桩侧阻力和桩端阻力，同时也受到桩体本身强度的制约。地基土对桩基承载力的影响，在于不同种类、不同状态的土所能提供的侧阻力和端阻力不同。当桩体强度足够时，地基土性质越好，强度越高，则桩基承载力越高，沉降越小。

1.2 水泥掺入量

相较于天然土体，水泥土的性质发生了极大的改变，其力学性质得到了极大的改善，而水泥掺入量对加固体的性质存在较大影响。随着水泥掺入量的增加，其抗压强度、压缩模量、粘聚力、摩擦角等都得到提高，其中，摩擦角的变化较小，粘聚力、压缩模量和抗压强度提升较为明显。文献[10]研究表明，当水泥掺入量超过20%之后，水泥土强度提升幅度将大幅减少，故水泥掺入量在10%～20%之间最为经济合理。

1.3 植入桩桩体

植入桩桩体作为承受荷载的主体，其本体强度对于桩基承载力的重要性不言而喻。足够的桩体强度可以保证侧阻力和端阻力的充分发挥，在保证承载力和沉降的前提下，可以选择更为经济的桩型进行植入，以实现其经济性。

2 超前加固植入桩的FLAC3D模拟

本文基于FLAC3D对高强预应力管桩植入桩的受荷机理等方面进行了分析，并与搅拌桩、普通管桩在相同条件下对桩顶沉降与桩身轴力进行了对比。

2.1 计算模型

由于植入桩是针对桩端砂层提出的施工方法，为了尽可能贴近实际情况及方便计算和比较，模型建立时进行了简化，土体分为上下2层，上层为10m厚黏土，下层为14m厚砂层，采用莫尔-库伦模型。管桩桩长12m，直径0.4m，采用线弹性模型。搅拌桩和管桩采用单接触面模型，如图2所示。考虑到植入桩周围搅拌体的加固效果，建模时在管桩周围建立一层加固体，采用双接触面模型，如图3所示。加固体厚0.1m，加固深度达到管桩以下0.5m，采用莫尔-库伦模型，分析时不考虑地下水影响。

图2 单接触面模型

图3 双接触面模型

植入桩的双接触面模型，是指进行植入桩的数值分析时，在桩与加固体、加固体与天然土体之间分别建立接触面。董平[3]在砼芯搅拌桩的研究中，提出了荷载的双层传递模式，即由于内芯和外侧搅拌桩之间模量差距较大，桩顶承受竖向荷载时，荷载会向内芯进行集中；当荷载沿着桩身向下传递时，荷载会通过内芯与搅拌桩之间的接触面向搅拌桩进行扩散，之后再通过搅拌桩和土之间的接触面向周围土体进行扩散。类似的，在植入桩的分析中，由于超前加固体的存在，使得模型中存在内部桩体，外侧水泥土加固层和周围天然土体3种材料，桩体承受上部荷载时，荷载在向下传递的过程中，首先通过内部桩与水泥加固层之间的摩阻力向加固层进行扩散；接着通过加固层与周围天然土体之间的摩阻力，向天然土体进行扩散。故而分别在桩与加固体、加固体与天然土体之间建立接触面，进行植入桩的模拟分析。

2.2 计算参数

模拟计算中选取的材料参数如表2所示。

表2 模拟中的材料参数

2.3 计算工况

首先对搅拌桩进行受荷模拟，模型建好后，进行初始参数赋值，固定边界条件，计算至平衡后将桩模型的参数修改为桩体本身力学参数，然后进行二次计算。平衡后，将位移清零，开始进行静载试验的模拟计算。总荷载2000kN，分为10级，首次加载值为单级荷载的2倍，各级加载情况如表3所示。首先，在桩顶施加400kN的荷载，并监测桩顶位移。计算达到平衡之后，依次进行第二级、第三级的加载计算直至最后。计算完毕后，调出各级荷载下的桩顶位移绘制搅拌桩荷载-位移图，进行搅拌桩的受力分析。

搅拌桩计算完毕后进行单独管桩与植入桩的受力模拟，重复上述过程，并提取单独管桩与植入桩各级荷载下每米处的桩身应力进行轴力分析。

表3 荷载分级

2.4 计算结果与分析

各级荷载下，搅拌桩、管桩和植入桩桩顶沉降如图4所示。从图4可以看出，搅拌桩承载力与普通管桩和植入桩相差较大，在荷载为400kN时，沉降为2.07mm，而加载到600kN时则发生陡沉现象，沉降达到10.31mm，原因在于搅拌桩本身桩体强度有限，其压缩性过大，在桩体强度足够的情况下，其较高的压缩性使其在较大荷载下时压缩量过大，从而导致沉降过大。普通管桩和植入桩，在前期加载时沉降基本相同，荷载达到1200kN时出现较明显差别，普通管桩为5.4mm，植入桩为2.22mm，之后随着荷载的增加，沉降差距越来越大，荷载达到2000kN时，普通管桩沉降达到29.29mm，而植入桩只有15.88mm，原因在于前期加载时，随着荷载的增加，桩侧摩阻力逐步被调动，而初始桩的侧摩阻力均可以达到要求，故二者差距不大，而达到1000kN以后，普通管桩桩侧摩阻力已经达到峰值；而植入桩由于加固体的存在使其桩侧摩阻力远远未达到峰值，随着荷载增加，植入桩桩侧摩阻力继续被调动，出现管桩沉降高于植入桩现象。

图4 桩顶沉降图

分别选取加载600kN、1000kN、1400kN、1800kN、2000kN时各深度处的桩身应力求出桩身轴力，普通管桩轴力如图5所示，植入桩轴力如图6所示。从图5和图6可以看出，由于桩侧摩阻力的存在，桩体所受荷载逐步向桩周围土体进行扩散，桩身轴力随着深度的增加逐渐减少。当荷载从600kN逐步增加到1000kN、1400kN、1800kN和2000kN时，管桩传至桩底的轴力分别为56kN、140kN、494kN、929kN、1153kN，轴力增量分别为84kN、354kN、435kN、224kN，说明600kN时桩侧阻力尚未充分发挥，之后桩端轴力增量与荷载增量逐步靠近，说明桩侧阻力逐步完全发挥。荷载为1400kN、1800kN和2000kN时，最后一米的桩身轴力减少量大于上部桩身轴力减少量，原因在于桩端阻力对桩侧阻力的增强效应，使其侧摩阻力高于其他部位。

图5 管桩轴力图

对于植入桩，当荷载从600kN逐步增加到1000kN、1400kN、1800kN和2000kN时，植入桩传至桩底的轴力分别为52kN、61kN、147kN、477kN和663kN，轴力增量分别为9kN、86kN、330kN、186kN，说明当荷载为1000kN时，桩侧阻力尚未完全调动，之后随着荷载的增加，侧阻继续被调动。

图6 植入桩轴力图

图7是荷载为600kN、1400kN和2000kN时普通管桩与植入桩的轴力对比，从图7中可以看出，当加载600kN时，普通管桩和植入桩桩端阻力基本相同，二者桩侧总摩阻力基本相同，占总荷载的91%左右；当荷载达到1400kN和2000kN时，管桩侧摩阻力占总荷载的64.7%和42.4%，植入桩的侧摩阻力占总荷载的89.5%和66.9%，植入桩的侧摩阻力远远大于管桩，原因在于水泥搅拌加固体与管桩之间的粘聚力及摩擦角远远大于原生土体与管桩之间的粘聚力及摩擦角，而底部的加固体也使植入桩的桩端阻力高于普通管桩。相同荷载下，相对于普通管桩，植入桩桩身轴力递减速度较快，桩端轴力较低。

通过以上分析可知，相对于搅拌桩和普通管桩，植入桩的沉降相对较小，桩侧阻力与桩端相对较大，承载力较高，具有很大的优越性。

3 工程实例

拟建工程场地位于郑州市惠济区北部，假日西路与月湖北路交叉口东北角，所属地貌单元为黄河冲洪积平原。5栋34层住宅桩基采用直径500mm的PHC管桩进行植入桩施工，其他建筑采用直径400mm的PHC管桩进行普通压桩施工。植入桩桩顶标高为-11.5m，搅拌体直径700mm，设计承载力2000kN。场地内各土层物理力学参数如表4所示。

表4 各土层物理力学参数

采用双接触面模型对植入桩的工程实例受荷情况进行模拟，模拟结果与实测对比如图8所示。从图8可以看出，模拟结果与静载试验实测结果基本吻合。

图8 植入桩数值模拟与实测结果对比图

4 结论

本文基于FLAC3D采用双接触面模型对植入桩的加固机理与受荷特性进行了分析，并在相同条件下与搅拌桩和普通管桩进行了桩顶沉降和轴力的对比，得到结论如下：

(1)相同受荷条件下，相对于搅拌桩和普通管桩，由于水泥土加固体增加了管桩的桩侧和桩端阻力，使得植入桩沉降更小，具有更高的承载力，值得推广。

(2)通过与实际工程实测数据的对比，证明双接触面模型对植入桩的模拟分析切实可行。

(3)由于实验数据有限，水泥掺入量对植入桩承载力的影响还有待进一步研究。