“砝码式”钢管桩水平承载性能研究

谢 芳 曹金叶 冯 炳

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴大明电力设计院有限公司，浙江 绍兴 312000)

目前杆塔基础常用的形式有大开挖回填基础[1]、灌注桩基础[2-3]和钢管桩基础[4]等，但是已有的基础不是在施工中存在一定难度，就是对环境有一定的影响.针对目前城区输电线路自立杆常规基础存在的不足，朱江峰等人[5]于2018年提出了一种新型城区输电线路自立杆基础形式——“砝码式”钢管桩基础.“砝码式”钢管桩基础是先将底部带圆形钢板的钢管放入旋挖机械挖成的孔中，再将预制的混凝土重块像加砝码一样逐个加装在钢管上，最后在基坑与混凝土重块缝隙处注浆，保证基础与土体的黏结作用，其示意图如图1所示.

“砝码式”钢管桩基础具有施工工艺简洁、

图1 “砝码式”钢管桩基础示意图

施工周期短，能更好地满足预制化、模块化、机械化施工要求等优点，且结构受力合理，在自立杆荷载作用下整体性和稳定性较好，变形、内力均能满足规范要求.但由于此类桩型特殊，在实际工程运用中缺乏理论基础和实际经验，为能早日运用到实际工程中，对“砝码式”钢管桩基础的水平承载特性进行研究具有实际意义.

对于桩基础的水平承载特性，国内外学者均已做了大量的研究，主要包括理论研究、试验研究和数值模拟研究.

理论是开展研究的基础，对应用于工程的新型桩基础，需要完善的理论依据来支持.针对普通桩基础的理论分析，国内外学者均已做了大量研究，Luan等[6]提出了一种基于水平受荷桩土体反力发展的桩-土-桩相互作用因子，取代了以往的位移叠加作用因子.Su等[7]提出了非线性弹塑性p-y曲线模型，即H模型，并论证了该模型的适用性.Zhu等[8]提出了硬化p-y曲线的单粒子，并通过试验验证硬化行为可以提高水平受荷桩的性能.Maycon等[9]通过运用p-y曲线法预估桩基础在横向荷载作用下的承载力，发现预测结果与荷载试验结果吻合得非常好.王晓伟等[10]通过拟静力试验研究提出了三线性浅层土p-y曲线，并验证了其合理性.Haigh等[11]通过试验数据和理论分析，对承受水平力的单桩周围土体的应力状态进行了研究.

水平静载试验常用于研究桩基础的水平承载性能，试验结果较直观且更接近实际工程.Sivapriya等[12]通过水平静载试验，得到桩的极限承载力随着桩径的增大而增大.Lin等[13]通过全仪器试验方法对刚性短桩在承受水平荷载时的桩土相互作用及桩周水平应力变化的分布规律进行了研究.侯胜男[14]通过对上海软土地基的57根单桩进行水平静载试验，得到加大桩径可有效增加单桩的水平承载能力.Nabil[15]对静力荷载作用下的锥形钻孔桩进行了水平静载的现场试验，得到应用扩向锥形桩对桩承受水平荷载有较大的影响.Faro等[16]通过水平静载试验验证了经过水泥处理过的土能有效提高水平受荷的刚性桩的承载性能.

数值模拟分析方法也是研究桩基础水平承载性能常用的方法，且常与试验研究相结合.蔡忠祥等[17]通过数值模拟分析，得到了竖向荷载、配筋率以及桩顶固接条件均对桩基础的水平承载力有较大影响.Conte等人[18]利用有限元分析软件进行了桩在横向荷载作用下的非线性受力模拟分析，并且将数值模拟结果与现场试验数据进行了对比.Bushra等[19]将试验与数值模拟相结合，得到了砂土中水平受荷桩的承载性能.

上述成果均是对已有桩型的水平承载性能的研究，对于本文提出的新型桩，尚未发现针对性的研究成果.本文结合国内外学者对普通桩基础水平承载特性的研究方法及结论，通过水平静载试验结果与ABAQUS有限元分析软件相结合的方法对桩径、埋深等 “砝码式”钢管桩基础水平承载特性的影响因素展开研究.并运用MATLAB软件结合现场静载试验结果获得砝码桩极限荷载的计算修正公式.

1 水平静载现场试验

1.1 试验场地及土质概况

“砝码式”钢管桩基础水平静载试验场地位于南京市浦口区某空地，该区域为黏土地基，地下水位较深.根据区域地质资料，试验场地均属于长江中下游冲积平原工程地质区.地基土上层为第一硬土层，岩性为褐黄色亚黏土，结构紧密，厚1 m～3 m.下层为第二软土层，岩性呈可塑状，以淤泥质亚黏土、炭质黏土为主，局部夹粉砂，饱水，呈流塑状，具高压缩性，厚度为25 m～35 m.根据试验现场采集土样进行土体直剪试验，得到场地不同位置的两种地基土的主要物理力学性能指标,如表1所示.

表1 场地土的物理力学参数

场地编号含水率ω/%孔隙比不均匀系数Cu/kPa压缩系数α压缩模量E/MPa黏聚力c/kPa内摩擦角Ф/°132.40.9377.00.513.8125.211.2225.80.79210.30.374.8439.912.2

1.2 试件参数

本次试验研究了三种不同外径圆截面“砝码式”钢管桩在三种不同埋深下的水平静载试验，试件具体参数如表2.

表2 试件参数

编号混凝土强度等级内径d/mm外径d/mm壁厚t/mm砝码块高度h/mm埋深H/mYG-1-4C30160240402401.0YG-1-5C30160300703001.0YG-1-6C301603601003601.0YG-2-4C30160240402401.5YG-2-5C30160300703001.5YG-2-6C301603601003601.5YG-3-4C30160240402402.0YG-3-5C30160300703002.0YG-3-6C301603601003602.0

1.3 试验方案

1.3.1 加载装置

试验采用卧式千斤顶施加水平力，千斤顶量程为10 t，用测力传感器测定施加荷载值，千斤顶与桩之间需安置传力装置，使千斤顶对试验桩的施力点位置在试验过程中保持不变.将根据极限承载力的两倍设计出的钢筋混凝土桩作为反力桩，由Φ8钢筋和C30混凝土浇筑而成，直径为400 mm，长度为3000 mm.加载装置如图2所示，桩位布置示意图如图3所示.

1.3.2 试验方法

依据《JGJ106-2014 建筑基桩检测技术规范》慢速维持荷载法[20]，按下列规定进行加卸载和位移观测：

图2 水平静载试验装置

图3 桩位布置示意图

(1)荷载分级

取预估水平极限承载力的1/10-1/15作为每级荷载的加载增量,根据桩径大小并适当考虑土层软硬，每级荷载增量取1-2 kN；

(2)加载程序与位移观测

每级荷载施加后，按5 min、15 min、30 min、45 min、60 min测读桩顶位移，以后每隔30 min测读桩顶水平位移.桩顶稳定标准：每一小时内的位移不得大于0.1 mm，并连续出现两次(从分级荷载施加后的30 min开始，按1.5 h连续三次每30 min观测)，桩顶位移稳定后，方可施加下一级荷载.卸载时，每级荷载应维持1 h，分别按第15 min、30 min、60 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载；卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间不得少于3 h，测读时间分别为第15 min、30 min，以后每隔30 min测读一次桩顶残余沉降量.

(3)试验终止条件

①桩身折断；

②当桩身折断或水平位移超过40 mm；

③水平位移达到设计要求的水平位移允许值.

1.4 试验结果

在加载过程中，随着荷载的增加，桩身在力的作用点处位移逐渐增大.每次施加荷载位移稳定后，当观察到其位移与上级位移对比增量为20%以上时，判断为临界条件并终止试验.此时，桩后土体与桩身间有较大缝隙，桩前土体与桩身挤压，并在桩身周围产生裂痕.每次试验终止后检查反力桩百分表，确保反力桩位移在误差允许范围内.桩周土体破坏如图4所示.

图4试验终止时桩身破坏现象

1.4.1 荷载-位移曲线对比分析

不同外径圆截面的9根桩在不同埋深下承受水平荷载的荷载-位移对比曲线如图5所示.

图5 不同桩径在不同埋深下的荷载-位移曲线

根据以上三种埋深下不同桩径“砝码式”钢管桩荷载-位移曲线可以看出：

(1)三种不同桩径的砝码桩破坏时的最终位移不同，且位移大小与桩径大小无明显规律；当埋深相同且承受相同的水平荷载时，桩径越大的砝码桩水平位移相应减小.从结果看：增大桩径可以一定程度地提高水平承载性能，但效果不明显.

(2)砝码桩三种桩径在不同埋深下的破坏位移也不相同，且与埋深无明显比例关系；当桩径和承受的水平荷载都相同时，埋深较深的砝码桩水平位移相应减小.从结果看：增加埋深可有效提高水平荷载性能.

1.4.2 水平静载试验结果对比分析

由荷载-位移曲线第一拐点对应的水平荷载值作为砝码桩的临界荷载值，第二拐点对应的水平荷载值作为砝码桩基础的极限荷载值.三种桩径在不同埋深下的水平载荷试验结果对比分析如表3所示.

表3 水平载荷试验结果对比分析表

编号桩顶临界水平位移/mm水平临界荷载Hcr/kN水平承载力极限值/kNYG-1-412.508.3011.50YG-1-510.508.6511.97YG-1-68.909.4714.20YG-2-411.4013.1319.15YG-2-59.1214.9720.96YG-2-68.7216.1621.55YG-3-410.3017.0323.41YG-3-58.4621.2931.93YG-3-67.3025.5435.14

根据以上三种桩径在不同埋深下的水平载荷试验结果对比分析表可以看出：

(1)桩径对砝码桩的水平承载性能的影响较小.当达到水平临界荷载Hcr时，随着桩径增大，临界位移逐渐减小，三种埋深的最大临界位移均出现在桩径较细的砝码桩，且水平临界荷载值和水平承载力极限值均随着桩径的增大而增大，但增长的幅度较小，可以得到：增大桩径对水平承载性能的影响相对较小.

(2)埋深对砝码桩的水平承载性能影响较大.当达到水平临界荷载Hcr，随着埋深的增加，临界位移逐渐减小，三种桩径的最大临界位移均出现在埋深较浅的砝码桩处，且水平荷载临界值和水平承载力极限值均随着埋深的增加而增大，且增长幅度较大，可以得到：增加埋深对水平承载性能的影响相对较大.

2 水平承载特性数值分析

为了验证现场试验结果的正确性，运用ABAQUS大型有限元分析软件对“砝码式”钢管桩基础的水平承载特性进行了数值模拟分析.

2.1 模型建立

本文主要通过在桩土表面建立接触对，按主从接触算法进行处理.分析中对桩身采用弹性模型，对地基土考虑土体的弹塑性，且假定服从摩尔-库伦屈服准则，模拟地基中的弹塑性变形以及桩土接触性状.桩、土各参数取值与水平静载试验相同，其中E土=1×e4kPa,μ土=0.35；E砼=3×e7kPa,μ砼=0.17；E钢=2×e8kPa,μ钢=0.3.“砝码式”钢管桩和土体有限元部分均采用三维八节点单元(C3D8单元)，网格划分如图6所示.

(a)整体网格划分

(b)桩的网格划分

图6“砝码式”钢管桩基础计算模型网格划分

2.2 数值分析结果

图7为“砝码式”钢管桩水平承载位移云图.由图7可以看出，“砝码式”钢管桩基础承受水平荷载时位移最大处发生在桩顶处.

三种不同桩径在不同埋深下同承受10kN水平荷载的砝码桩模拟结果与试验结果曲线如图8所示.

由图8可知，对于承受相同水平承载力的相同尺寸的“砝码式”钢管桩基础，ABAQUS模拟得到的水平位移较试验得到的水平位移更大，

图7“砝码式”钢管桩水平承载位移云图

这可能是由于埋入砝码桩时对地基土夯实导致土体较正常情况更密实.但可以看出，通过ABAQUS模拟得到的曲线走向与试验结果一致，即当埋深相同且承受相同的水平荷载时，桩径大的砝码桩水平位移相应减小；当桩径相同且承受相同的水平荷载时，埋深较深的砝码桩水平位移相应减小.上图中均承受10 kN水平荷载时，YG-3-5水平位移大于YG-3-6，是因为对于埋深较深且桩径较大的砝码桩前期承受水平力较小，尚未发挥其埋深及桩径优势，此时影响其承载性能的因素只有桩周土体.

3 水平承载理论计算

根据极限地基反力法[21]，可由下式(1)计算得到短桩极限水平承载力：

式中：Hu为极限水平承载力；Cu为不排水抗剪强度，本文取Cu=33.7kPa；d为桩宽，本文即桩的直径；L0为桩顶距地面距离，L为埋深.

将计算所得的极限水平承载力与试验所得的“砝码式”钢管桩水平承载力试验值进行对比，结果如表4.

表4 “砝码式”钢管桩水平承载力试验值与极限水平承载力计算值对比

由表4可知，极限地基反力法计算结果与水平静载试验计算结果对比分析可知，运用布罗姆斯法计算“砝码式”钢管桩基础的水平承载极限荷载偏于安全，且埋深越大实际极限承载力与计算值越接近.上表只有YG-3-4的试验值小于计算值，其原因可能是试验前YG-3-4桩周土受到扰动或在试件制作过程中砝码桩内部钢管受损所致，其结果不具代表性，本文对此结果不做分析.当然，为了日后砝码桩能更好地运用于实际工程中，后续需做大量试验验证此结果的偶然性.

埋深为1.0 m的三根砝码桩的计算结果较试验值偏大较多，在实际工程中不满足经济性原则，故在利用极限地基反力法计算“砝码式”钢管桩基础的水平极限荷载时，需对公式进行修正.借助MATLAB数学软件拟合出的修正公式如下：

公式(2)仅适用于埋深为1.0 m的“砝码式”钢管桩基础，修正后计算得到的极限水平承载力计算值与试验值的对比结果如表5.

表5 “砝码式”钢管桩水平承载力试验值与拟合后极限水平承载力计算值对比

由上表可以看出，修正后的极限承载力计算公式更接近实际，埋深为1.0 m的三根砝码桩的极限承载力计算值与试验值的误差均小于10%，说明通过MATLAB数学拟合后的公式用来计算“砝码式”钢管桩基础的水平极限承载力可行.

4 结论

通过水平静载试验与MATLAB数学软件及ABAQUS模拟软件相结合的方法，得到以下结论：

(1)“砝码式”钢管桩基础水平承载力的荷载-位移曲线在荷载较小时呈线性关系，随着荷载的增大，桩周土体逐渐进入弹塑性，桩土间的相互作用逐渐增强.

(2)“砝码式”钢管桩基础的水平承载能力随着桩径及埋深的增大而增大，且增加埋深对其影响更显著，所以在工程中建议通过增加埋深来提高砝码桩的水平承载力.

(3)通过结合试验结果与短桩极限地基反力计算法，发现当埋深为1.5 m和2.0 m时的水平极限承载力计算值与试验值较接近，可用极限地基反力法直接计算埋深为1.5 m和2.0 m时的“砝码式”钢管桩基础的水平承载力极限值.并运用MATLAB数学软件对公式进行了拟合，给出了适用于埋深为1.0 m的“砝码式”钢管桩基础的极限水平承载力计算公式，并验证了拟合公式的可行性.

本文的研究成果将对后续“砝码式”钢管桩基础的研究及工程应用提供有力的参考价值.