刚性钉形桩承载特性物理模型试验及有限元研究

刘明泉，高 岭，李晓芝

(1.唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000；2.河北省建筑工程与尾矿综合利用重点实验室，河北 唐山 063000；3.河北省交通规划设计院，石家庄 050000)

0 引言

钉形桩是一种变截面桩，在桩顶一定高度范围内有扩大头，常以复合地基的形式用于对软土地基的加固处理[1-2]。普通钉形桩由水泥土搅拌桩结合双向搅拌工艺改进而成，解决了普通搅拌桩质量差、有效处理深度浅、桩土共同作用难以协调等缺点，在市政道路、公路和铁路路基工程中取得了良好的加固效果[3-5]。普通钉形桩属于柔性桩，随着对钉形桩复合地基研究的深入，人们发现：扩大头部分和桩身部分常常由于强度不足而出现剪切破坏和受压鼓胀破坏，在铁路和高填方路基下还有可能发生复合地基整体剪切破坏，这给钉形桩应用范围带来了一定制约；此外，柔性桩还面临着有效桩长的问题[6]，这对钉形桩处理深度形成了限制。混凝土桩属于刚性桩，其桩身强度和刚度很大，抗剪和抗压性能良好，而且不存在有效桩长的困扰。变截面钻孔灌注桩技术的出现和发展[7-10]，使刚性混凝土钉形桩成为可能。刚性钉形桩可以克服现有柔性钉形桩强度低、处理深度受限的缺点，具有更好的应用前景。但目前对刚性钉形桩承载特性还没有明确的认识，尚需进一步加以研究。

本文针对刚性钉形桩承载特性，采用物理模型试验和有限元模拟相结合的方法，研究扩大头尺寸对钉形桩承载性能的影响规律。

1 物理模型试验

1.1 试验材料和设备

物理模型试验用钉形桩的外形如图1所示。

各试验桩总桩长L统一为600 mm，根据扩大头尺寸，共设计了7种不同尺寸的钉形桩和1种普通桩(无扩大头)，具体尺寸如表1所示。

(a)外形示意图

表1 模型尺寸 mm

模型试验在模型箱内进行。模型箱采用角钢焊接制作，箱内填土采用砂土分层填筑，两侧为透明亚克力板，以便控制填土高度，如图2所示。加载设备采用自制反力架，如图3所示，荷载测量设备采用数显压力传感器。

图2 模型箱

图3 反力架

1.2 试验方案

在试验前根据箱体尺寸和试验桩尺寸布置试验点，如图4所示。

(a)平面设计图

试验时，先进行普通桩和土体静载荷试验，然后进行钉形桩静载荷试验。加载时，采用慢速维持荷载法分级加载，每级荷载为最大试验荷载值的1/10。普通桩的最大试验荷载由压入桩身时压力传感器测量得到的最大荷载近似估算；钉形桩的最大试验荷载由先前已经完成的土体极限荷载和普通桩极限荷载之和近似确定。每次加载后记录加载板沉降量一次，每一级加载之后，按第5 min，15 min，30 min，45 min，60 min测读桩顶沉降量及相应的荷载，以后每隔30 min测读一次。终止试验的条件符合相关规范[11]中对静载荷试验的要求。

1.3 试验结果

模型试验结束后，对试验数据进行分析和整理，绘制荷载-沉降关系曲线，如图5所示。

图5 试验荷载-沉降关系曲线

由图5可以发现，扩大头对钉形桩承载特性有较大影响。首先，从曲线变化形态上看，普通桩荷载-沉降关系曲线呈陡降形，存在明显拐点；而随着扩大头直径和高度的增加，钉形桩的荷载-沉降关系曲线逐渐呈缓变形，无明显拐点。其次，由于存在扩大头，钉形桩承载力比普通桩大，曲线位于普通桩的右侧。钉形桩承载力与扩大头直径和高度有关，当扩大头高度不变时，直径越大桩承载力越大；当扩大头直径不变时，高度越大桩承载力越大。再次，扩大头直径越大，头下与土体接触的面积越大，由头下土体提供的端阻力越大；扩大头高度越大，与桩周围土体接触的面积越大，由桩周围土体提供的侧摩阻力越大。可见，钉形桩的端阻力和侧摩阻力对其承载力有着重要的影响。

2 有限元模拟

为研究刚性钉形桩端阻力和侧摩阻力与普通钉形桩的差异以及对承载力产生的影响，采用有限元方法进行模拟研究。

2.1 数值模型

采用ABAQUS有限元软件，建立数值分析模型。模型中，刚性钉形桩和普通桩为混凝土材料，采用线弹性模型模拟。桩周围土体均采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性本构模型模拟。桩尺寸设定与物理模型试验相同，分析单元采用CAX4平面轴对称单元[12-13]。模拟中选用的参数如表2所示，基本分析模型如图6所示。荷载采用位移控制法施加于钉形桩顶面，分8级加载，每级竖向位移增量为5 mm，总沉降为40 mm。

图6 基本有限元分析模型

表2 模拟时选用的参数

2.2 模拟结果

模拟结束后，绘制荷载-沉降关系曲线，如图7所示。

图7显示，模拟得到的刚性钉形桩荷载-沉降关系曲线与模型试验得到的曲线在形状和变化规律上一致：随着扩大头直径和高度的增加，钉形桩的荷载-沉降关系曲线逐渐呈缓变形，扩大头直径和高度越大，桩的承载力越大。通过对比图5和图7可以发现，扩大头直径变化对桩承载力影响较大，当扩大头直径D由60 mm增大到100 mm时，桩极限荷载由1 538 N增大到2 921 N，承载力增加幅度较大。扩大头高度变化对桩承载力影响较小，当扩大头高度H由100 mm增大到200 mm时，桩极限荷载由2 921 N增大到3 140 N，增加幅度较小。由此判断，刚性钉形桩承载力受端阻力影响较大。

图7 模拟荷载-沉降关系曲线

刚性钉形桩承载力特征值如表3所示。

表3 刚性钉形桩承载力特征值

表3显示，模拟和试验的结果非常接近，误差较小。考虑到物理模型试验中分层土体参数的差异以及桩承受偏心作用的概率较大，认为有限元模拟结果更可靠，可作为承载力理论计算结果的检验依据。

根据钉形桩承载特点[4]，其承载力由扩大头部分提供的承载力和普通桩身部分提供的承载力组成，即：

Ra=Rt+Rs。

其中，Ra为钉形桩承载力特征值；Rt为扩大头部分提供的承载力；Rs为普通桩身部分提供的承载力。Rt和Rs可由各自端阻和侧摩阻经理论计算得到，具体计算方法详见文献[11]。

据此，对刚性钉形桩承载力进行理论计算，理论计算结果和模拟结果的比较详见表4。

表4表明，刚性钉形桩端阻力在总承载力中的比例大于侧摩阻力所占比例，端阻力对承载力影响较大，理论计算结果与模型试验和数值模拟结果相一致。此外还发现，理论计算结果总体上大于试验和模拟结果，随着扩大头直径增加，理论计算结果与模拟结果之间的差异逐渐增大。造成这种现象的原因可能是由于扩大头对桩侧摩阻分布和端阻分布形成的影响所致。因此，在通过理论公式计算刚性钉形桩承载力时，需要对理论计算结果进行适当折减，以保证设计安全。

表4 刚性钉形桩承载力特征值理论计算和模拟结果对比

3 结论

本文通过物理模型试验和有限元模拟，从承载力影响因素方面入手，对刚性钉形桩承载特性进行了研究，主要研究结论如下。

(1)扩大头能提高钉形桩承载力，刚性钉形桩的承载力大于同条件下的普通桩。刚性钉形桩承载力与扩大头直径和高度有关，扩大头高度越大、直径越大，桩承载力越大。

(2)钉形桩的端阻力和侧摩阻力对其承载力有着重要的影响。钉形桩承载力受端阻力的影响较大，随扩大头直径的增加承载力提高明显。钉形桩承载力受侧摩阻力影响较小，随扩大头高度的增加承载力提高的幅度不大。

(3)钉形桩理论计算结果总体上大于试验和模拟结果，随着扩大头直径增加，理论计算结果与模拟结果之间的差异逐渐增大，因此，在进行理论计算时要适当考虑对承载力进行折减。