水泥土复合预制桩荷载传递机理

王岩峻 姚建平 魏少伟 耿琳

1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州221116；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；3.北京铁科特种工程技术有限公司，北京100081

我国幅员辽阔，高速铁路沿线地质条件多变，存在密实砂层、碎石土、软土等复杂场地。为保证高速铁路列车高速、平稳、安全运行，轨道结构要具有高可靠性、高稳定性和高平顺性，因而对于下部地基沉降要求非常严格。混凝土预制桩作为地基处理常见桩型，桩身强度较高，但往往在桩周软土剪切破坏时，桩身强度未完全发挥作用，造成材料的浪费［1］。目前多采用锤击或静压方式成桩，在遇到局部密实砂层、碎石土等土层时，锤击施工困难，易造成桩身损坏［2-3］；在软土地基中，混凝土预制桩为全挤土桩，挤土效应明显，对周围环境影响较大［4-5］。这限制了混凝土预制桩的使用范围，不利于绿色装配式构件的推广。

采用水泥土复合预制桩进行地基处理和桩基础施工，可解决上述施工难题。水泥土复合预制桩通过在水泥土桩中插入混凝土预制桩，利用水泥土桩较大侧表面积来提高侧摩阻力，同时利用高强度的混凝土预制桩承担上部荷载，充分发挥两种桩型的优势，有效地提高承载力，减小沉降。高速铁路采用混凝土预制桩时，为了避免侧向土的剪切破坏导致混凝土预制桩承载力失效，一般设置为端承桩［6］，而采用水泥土复合预制桩可以将其设置为摩擦桩，提高侧摩阻力利用率，减少桩设计长度。

水泥土复合预制桩作为最近几年才出现的新型桩型，满足建设所需承载力要求，施工绿色节能环保，具有明显的优势，在工民建［7］、道桥［8］、水利工程［9］、基坑［10］领域已有部分工程应用，但理论研究远滞后于实践。本文关于荷载传递机理的研究可以为水泥土复合预制桩在高速铁路中的应用提供设计依据。

1 数值模型建立及可靠性评估

1.1 模型建立

对水泥土复合预制桩桩土模型进行有限元分析时，根据现有技术条件，减少无关或影响较小的因素影响。基本假设及简化为：①混凝土预制桩和水泥土桩为各向同性的线弹性体。②建模中不考虑水泥向桩周土扩散，并假定水泥土桩外表面平整。③考虑到全模型的计算耗时较长，且模型为轴对称模型，所以将全模型简化为1/4模型。④忽略地下水对桩土分析的影响。

在水泥土复合预制桩的实际施工流程中，通过高压旋喷工艺形成水泥土桩，在水泥土未固结前，将混凝土预制桩同心植入，形成水泥土复合预制桩。在此基础上施工上部结构，施工流程如图1所示。本文采用生死单元法实现计算的有序性。

图1 施工流程示意

1.2 模型可靠性评估

为保证计算结果的精度与准确性，通过选取水泥土复合预制桩现场实测资料与有限元计算结果相对比，来验证有限元模型的可靠性。

1.2.1 参数选取

根据深圳妈湾跨海通道沿江高速公路工程水泥土复合预制桩单桩复合地基承载力现场试验数据，建立有限元模型。土体物理力学参数见表1。混凝土预制桩采用PHC⁃400⁃AB⁃95，水泥土桩直径为1 000 mm，主要物理力学参数见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 桩体物理力学参数

采用平板载荷试验检测复合地基承载力，要求复合地基承载力大于等于230 kPa，最大加载量为460 kPa。采用逐级等量加载，每一级荷载为46 kPa，复合单桩连续加载92～460 kPa，共9级荷载。

混凝土预制桩与水泥土桩接触界面摩擦因数为u1，根据文献［11］可取0.8。水泥土桩与桩周土界面摩擦因数u2的取值可按式（1）计算［12］。

式中：φ为土体的内摩擦角；ψ为桩土界面的摩擦角。

文献［13］中指出，桩-土界面内摩擦角可取为0.75φ～1.00φ。参照文献［13］中经验公式，并结合现场实际土质情况，取水泥土与桩周土面摩擦因数u2=0.35。

1.2.2 现场试验与数值模拟计算结果对比

此外，也可开展乡镇级别的幼儿教师培训，让教师们充分了解幼儿一日活动的基本理念及详细规则。培训中可以就某些集中问题进行分组讨论，例如幼儿的晨间锻炼运动有哪些具体的要求，需要注意哪些细节，教师应该做什么工作，具体怎么执行等。在讨论的基础上，让教师们撰写自己的心得体会，总结如何才能够将幼儿一日保教活动执行得更好，真正地理解并做到幼儿教师规范细则。

在地应力分析步1和地应力分析步2中分别模拟土体的地应力平衡以及桩放入土体后的地应力平衡，正式加载每一级荷载作为一个静力学分析步，共9个分析步。荷载以均布力的方式施加在荷载板上。根据单桩复合地基承载力现场试验数据建立的有限元模型见图2。

图2 有限元模型

现场实测值与数值模拟计算值荷载-沉降曲线见图3。可知，实测值与计算值荷载-沉降曲线吻合良好，但存在差异。这是因为水泥土桩在成桩过程中，水泥浆会有一部分向桩周土扩散增加有效半径，且表面的凹凸不平可以增大侧摩阻力，而数值模拟中水泥土桩简化为平整表面，导致沉降变形偏大。混凝土预制桩插入水泥土桩时会产生侧向挤压的作用，起到增强作用，提高了水泥土桩的承载能力。现场的地质条件十分复杂，数值模拟不可能与实际情况完全一致，必然存在误差。

图3 数值模拟与现场试验对比

2 水泥土复合预制桩对比分析

水泥土复合预制桩通过在水泥土桩中插入混凝土预制桩，利用水泥土桩较大的表面积提高侧摩阻力，同时利用高强度的混凝土预制桩承担上部荷载，充分发挥两种桩型的优势，很多工程实践经验也充分验证了水泥土复合预制桩在提高承载力及控制沉降方面的优越性。因此在有限元可靠性评估的基础上，选取桩径1 000 mm的水泥土复合预制桩、桩径1 000 mm的水泥土桩和桩径400 mm的混凝土预制桩，桩长均为15 m，在施加400 kPa的荷载下，对比分析水泥土复合预制桩与常用混凝土预制桩、水泥土桩的沉降变形差异。

水泥土复合预制桩、水泥土桩、混凝土预制桩沉降云图见图4，沉降曲线见图5。

图4 三种桩的沉降云图（单位：m）

图5 三种桩沉降曲线

由图4、图5可知：在400 MPa荷载作用下，水泥土复合预制桩最大沉降为15.2 mm；水泥土桩最大沉降为30.5 mm；混凝土预制桩最大沉降为32.6 mm。相比于水泥土桩，水泥土复合预制桩沉降降低了50.2%；相比于混凝土预制桩，沉降降低了53.4%。

桩顶沉降由桩身压缩变形和桩端沉降组成，相较于水泥土复合预制桩，水泥土桩的桩身强度低，桩身压缩变形大，使得总体沉降偏大。混凝土预制桩的桩身强度高，压缩变形小，所以在初始阶段混凝土预制桩沉降变化趋势与水泥土复合预制桩基本接近，但随着荷载的增大，混凝土预制桩的桩端土发生塑性破坏逐渐失去承载能力，使得总体沉降陡增。

水泥土复合预制桩的大直径相较于混凝土预制桩可以在提供更大侧摩阻力的同时，有效降低桩侧土和桩周土发生塑性破坏的可能性，从而获得更高的承载力。而对于水泥土桩的桩身强度较低，桩身变形大的问题，水泥土复合预制桩通过在水泥土桩中插入高强度混凝土预制桩，有效降低桩身变形。所以，水泥土复合预制桩充分结合了水泥土桩和混凝土预制桩两种桩型的优势。

3 水泥土复合预制桩荷载传递机理

但是对于水泥土复合预制桩而言，由于桩身内外芯在竖向荷载作用下也存在着轴向的相对位移与剪切，这种桩身内部的相互作用也会反映在桩土作用中，因而荷载的传递机理要比单一材料桩复杂得多，需要重点分析。数值模型选取典型计算参数见表3。

表3 典型计算参数

3.1 竖向应力分析

混凝土预制桩、水泥土桩的竖向应力沿深度分布曲线见图6。

图6 竖向应力沿深度分布

由图6可知，混凝土预制桩桩身应力分布可分为两段。第一段，桩身应力在桩顶以下4 m左右深度内逐渐增大，原因在于混凝土预制桩存在向上刺入垫层的现象，水泥土桩相对于预制桩有向下位移的趋势，产生负摩阻力，应力由水泥土桩向预制桩集中，在两者界面相对位移为0时，混凝土预制桩竖向应力达到最大值。第二段，桩身应力在达到最大值后沿深度快速减小，此时水泥土桩相对于预制桩有向上移动的趋势，产生正摩阻力，混凝土预制桩竖向应力快速向水泥土桩传递。桩端荷载为29.5 kN，承担了14.5%的桩顶荷载，桩侧摩阻力为172.5 kN，说明水泥土复合预制桩桩顶荷载主要通过侧摩阻力承担，桩端承担荷载较少，这也符合摩擦桩的特征［14］。

3.2 竖向应力比分析

混凝土预制桩与水泥土桩以及复合桩与桩周土的竖向应力比见图7。

图7 竖向应力比沿深度分布曲线

由图7可知，混凝土预制桩与水泥土桩竖向应力比值分布可分为两段。第一段，深度在0～7 m，随着深度增加，混凝土预制桩与水泥土桩竖向应力比逐渐增大，最大比值为42.8，这是因为界面产生负摩阻力使得竖向应力由水泥土桩向混凝土预制桩集中。第二段，深度在7～15 m，应力比由最大值逐渐减小到桩端位置的应力比1.6，说明到了桩端的位置，混凝土预制桩的竖向应力已经基本通过正摩阻力传递到水泥土桩及桩周土中。复合桩与桩周土竖向应力比除了在顶部负摩阻力区域逐渐增大，其他位置沿深度快速减小，复合桩内竖向应力通过桩侧摩阻力快速向桩周土传递，三者协同承担荷载。

在复合地基承载体系的三个部分中，混凝土预制桩的面积占比为2.2%，水泥土桩的面积占比为6.5%，桩周土的面积占比为91.3%。但是由图6可知，深度为0（桩顶位置）时，混凝土预制桩、水泥土桩和桩周土承担的桩顶荷载分别为50.5%、19.3%和30.2%，应力集中使得混凝土预制桩承担了一半的桩顶荷载，降低了强度较低的水泥土桩和桩周土发生塑性破坏的可能性。

3.3 界面侧摩阻力分析

水泥土复合预制桩桩土模型由两个界面组成，分别是混凝土预制桩与水泥土桩接触界面，以及水泥土桩和桩周土接触界面，界面侧摩阻力的传递是揭示水泥土复合预制桩荷载传递规律的重要内容。侧摩阻力沿深度分布曲线见图8。可知，由于上部垫层的调节作用，桩顶位置处出现差异沉降，界面出现相对位移，所以在两个界面桩顶以下一定深度内均出现了负摩阻力。对于混凝土预制桩与水泥土桩界面，中性点深度为4.5 m；对于水泥土桩与桩周土界面，中性点深度为2.4 m，小于混凝土预制桩与水泥土桩界面中性点深度。这是由于水泥土桩与桩周土的弹性模量相对差异较小，实现相对位移为0的速度更快。中性点以下，三者相对位移逐渐增大，混凝土预制桩与水泥土桩之间良好的黏结性可以提供更大的侧摩阻力，通过混凝土预制桩、水泥土桩和桩周土三者的协同作用，充分发挥混凝土预制桩高强度特性，避免材料的浪费。

图8 侧摩阻力沿深度分布曲线

4 结论

1）水泥土复合预制桩可以充分结合水泥土桩和混凝土预制桩两种桩型的优势，能够利用水泥土桩侧表面积大的优势提供较大的侧摩阻力，实现更高的承载力；在水泥土桩中插入高强度混凝土预制桩，也可以有效控制沉降变形。

2）混凝土预制桩、水泥土桩和桩周土承担的桩顶荷载分别为50.5%、19.3%和30.2%，应力集中使得混凝土预制桩承担了一半的桩顶荷载，降低了强度较低的水泥土桩和桩周土发生塑性破坏的可能性。

3）混凝土预制桩与水泥土桩之间良好的黏结性能，通过混凝土预制桩、水泥土桩和桩周土三者的协同作用，充分发挥混凝土预制桩高强度特性，避免材料的浪费。