考虑土塞效应的大直径PHC管桩竖向承载特性

陈 乔,陈志波,曾旭明,杨 辉,潘生贵,阮伏球

(1.福州大学 紫金地质与矿业学院，福建 福州 350108；2.福建省智能环境岩土工程闽台科技合作基地，福建 福州 350116；3.华东勘测设计院(福建)有限公司，福建 福州 350007；4.福建华航建设集团有限公司，福建 福州350000)

随着大直径预应力高强混凝土(PHC)管桩的广泛运用，学者们对不同条件下的管桩承载力进行了研究，其中土塞效应是研究管桩承载力的难点和重点。大直径PHC开口管桩贯入过程中，桩端土体受到挤压，一部分进入管桩内形成土塞，产生土塞效应，另一部分被挤向桩周，产生径向位移[1]。由于土塞的存在，形成“土塞-管桩-桩侧土”体系[2]，使管桩的承载特性变得复杂。所以，研究土塞效应对大直径PHC管桩承载特性的影响具有重要意义。

国内外学者对开口管桩的承载特性做了较多的研究。理论方面：Randoplh等[3-4]通过建立部分排水情况下一维平衡方程，得到了管桩贯入过程中承载力的解；李琪等[5]指出桩基技术规范未有效修正土塞效应对单桩承载力的影响，导致承载力计算结果较实测结果偏低；王磊等[6]基于CPT指标，提出了适用于黏性土地基的钢管桩承载力计算方法；Song等[7]提出了一种考虑侧向土压力系数、有效竖向应力、桩土摩擦角、桩径及桩长影响的管桩内侧摩阻力计算方法；Sharo等[8]引入校正因子，提出了利用闭口桩单位侧摩阻力推导开口管桩桩侧摩阻力的方法。现场试验方面：任文峰等[9]对PHC管桩进行现场静载试验发现，管桩实测承载力大于按照设计规范计算的承载力；于海鹏等[10]研究杭州湾某海上风电场大直径钢管桩发现，大直径钢管桩在深厚淤泥层中的侧摩阻力作用较小，且随深度变化不大；朱文功[11]对大直径管桩-钢管复合桩进行原位试验发现，桩侧摩阻力发挥呈“驼峰型”。模型试验及数值模拟方面:陈新奎[12]结合数值分析结果，建立了土塞效应与钢管桩桩径的函数关系，对国内规范中桩端承载力系数进行了修正；Al-Soudani等[13]利用室内模型试验研究砂土中开口管桩贯入过程发现，桩径是影响管桩承载力的最主要的因素;刘润等[14]采用离心机模型试验研究了砂土中超大直径钢管桩管桩内侧摩阻力，提出了直径大于4 m的超大直径钢管桩内侧摩阻力的计算方法。

目前，国内外对于管桩的承载特性研究主要集中在大直径钢管桩和小直径预应力混凝土管桩方面，且在试验及模拟中多是研究承载特性随桩周土或桩端土改变而变化的规律，很少涉及管内土塞性状对管桩承载特性的影响。本文以大直径PHC管桩为研究对象，采用ABAQUS有限元软件对管桩静载试验进行数值模拟，探讨桩径、桩-土塞摩擦系数及管内土塞参数对承载特性的影响。

1 数值模拟模型参数

本文选用中国美院整体改造工程[15]现场静载试验的地质条件。为方便进行数值模拟分析，将场地土层简化为两层：桩周土和桩端土，土体参数取土的力学指标的加权平均值，见表1。PHC管桩桩身材料采用C80混凝土，具体尺寸及参数见表2。

表1 土体参数

表2 管桩参数

2 静载试验数值分析模型建立

采用ABAQUS软件建立大直径PHC管桩静载试验数值模型。土体高度取管桩入土深度的2倍，径向半径取管桩直径的10倍[14]，消除边界效应对模拟的影响，模型尺寸见图1。土体采用M-C弹塑性模型。

图1 有限元模型示意图(单位：m)

管桩与土体之间采用面-面接触，其中刚度较大的管桩作为主面，刚度较小的土体及土塞作为从面。接触属性选择切向罚接触和法向硬接触，接触摩擦系数取0.4。

土体模型底部约束x、y、z方向的位移，四周约束x、y方向的位移。管桩与土体网格划分服从主次原则，单元类型为C3D8R。土体网格划分采用由细到粗的放射状网格划分方式，土体径向越靠近管桩网格尺寸越小。管桩入土深度范围内土体采用较细的网格，桩底以下采用较粗的网格进行划分[16]，模型单元数为49 077个，节点数为46 288个。

3 数值模拟结果讨论

本文为研究土塞存在对管桩承载特性的影响，以桩顶荷载-沉降曲线出现明显转折点[17]为判断依据确定管桩极限承载力，对不同桩径、桩-土塞摩擦系数、土塞黏聚力、内摩擦角、弹性模量和土塞高度时的管桩进行静载试验模拟。表3为模拟分析中的研究参数设置。

表3 模拟分析中研究参数

3.1 基本参数条件下管桩静载试验模拟分析

基本参数条件下桩体竖向应力及竖向位移图见图2。

图2 桩体竖向应力和竖向位移图

从图2可以看出，在竖向荷载作用下，管桩竖向应力、竖向位移和桩身压缩会发生明显化。

图2(a)中，在竖向荷载作用下，管桩桩体竖向应力随桩深增加呈逐渐减小的变化趋势。另外，桩体竖向应力与桩身截面之积为该截面的桩身轴力，因此可知，桩身轴力也随桩深增加而逐渐减小。

图2(b)中，在竖向荷载的作用下，管桩会发生明显的竖向位移和桩身压缩，由于管桩刚度较大，桩身压缩量较小，桩体竖向位移以刚体位移为主。

3.2 土塞效应对不同桩径管桩竖向承载特性的影响

土塞存在对不同桩径的管桩桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图3、图4。

图3 不同桩径时桩顶荷载-沉降曲线

图4 不同桩径时桩身轴力变化

由图3可知，管内存在土塞时，桩顶沉降随桩径增大而减小。桩径为800 mm的管桩在加载到2 400 kN时，桩顶荷载-沉降曲线出现明显转折点；桩径增大，桩顶沉降大幅减小，桩顶荷载-沉降曲线变化相对平缓，无明显转折点。桩顶荷载较小时，桩顶沉降受桩径变化的影响较小，桩顶沉降值在5 mm～20 mm左右变化；随着桩顶荷载增大，沉降值差异增大，加载结束时桩径为800 mm的管桩与桩径为1 400 mm的管桩沉降值最大相差65.2 mm。桩径越大，桩侧摩阻力越大，管桩的承载性能越好，竖向极限承载力越大，D=1 000 mm的管桩较D=800 mm管桩的极限承载力提高了1.25倍。增大桩径极大地提高了管桩的极限承载力。

从图4可知，由于桩侧摩阻力的存在，桩侧土会承担一部分荷载，桩顶荷载传递到桩身下部的荷载逐渐减小，桩身轴力沿桩深不断减小。桩径增大，桩侧表面积增大，桩侧摩阻力增大，同一深度处桩身轴力越小，加载结束时不同桩径的管桩桩端轴力减小为D=800 mm管桩的0.519倍、0.338倍、0.289倍。

由以上分析可知，桩径越大，桩侧摩阻力越大，竖向极限承载力越大，管桩的承载性能越好，相同荷载作用下，管桩的沉降越小。

3.3 桩-土塞摩擦系数对管桩竖向承载特性的影响

桩-土塞摩擦系数对桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图5、图6。

图5 不同摩擦系数时桩顶荷载-沉降曲线

由上图可知，桩顶沉降随桩-土塞摩擦系数增大而减小。不同摩擦系数时，桩顶荷载-沉降曲线均出现明显转折点，摩擦系数越大，桩顶沉降越小，管桩达到极限承载力时的荷载越大。荷载较小时，桩顶沉降曲线近似呈线性变化；桩顶荷载增大，桩端土逐渐发生破坏，桩顶沉降急剧增大。摩擦系数大于0.4时，桩顶-荷载沉降曲线逐渐趋于重合，不随摩擦系数改变而变化。

不同摩擦系数时桩身轴力变化趋势相同。摩擦系数越大，桩身轴力越小，但加载结束时，桩端轴力差别不大，均在1 560 kN左右。

增大桩-土塞摩擦系数对桩顶沉降的影响很小，桩身轴力有一定的减小。当摩擦系数达到一定数值后桩顶荷载-沉降关系不会发生变化。

3.4 管内土塞对管桩竖向承载特性的影响

(1) 土塞黏聚力。土塞黏聚力对桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图7、图8。

图7 不同黏聚力时桩顶荷载-沉降曲线

图8 不同黏聚力时桩身轴力变化

由图7可知，黏聚力变化时，桩顶荷载-沉降曲线几乎完全重合，黏聚力增大，桩顶沉降仅减小0.1 mm左右，对管桩承载力无明显影响。

加载结束时，桩端土体已发生破坏，不同土塞黏聚力时桩身轴力变化趋势基本一致，黏聚力越大，桩端轴力越小，加载结束时桩端轴力减小为c=10 kPa时的0.946倍、0.880倍、0.880倍。

(2) 内摩擦角。土塞内摩擦角对桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图9、图10。

图9 不同内摩擦角时桩顶荷载-沉降曲线

图10 不同内摩擦角时桩身轴力变化

由图8、图9可以看出，内摩擦角对桩顶沉降的影响很小，桩顶荷载-沉降曲线几乎完全重合，内摩擦角变化对管桩承载力无明显影响，仅桩身轴力在加载结束时有相对明显的减小。

(3) 弹性模量。土塞弹性模量对桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图11、图12。

图11 不同弹性模量时桩顶荷载-沉降曲线

图12 不同弹性模量时桩身轴力变化

由图11可知，弹性模量增大，桩顶沉降减小。弹性模量较小时，管桩桩顶沉降变化明显，不同弹性模量之间沉降差异较大。弹性模量增大到一定数值后，桩顶荷载-沉降曲线出现重合，弹性模量越大，曲线重合度越高，弹性模量的变化对其影响极小。弹性模量E=10 MPa时，管桩极限承载力为2 200 kN；其他弹性模量情况下，管桩极限承载力约为2 400 kN。

从图12可以看出，土塞弹性模量为10 MPa时，桩端轴力为1 761 kN，而弹性模量为20 MPa、30 MPa、40 MPa时，桩端轴力分别为1 539 kN、1 499 kN、1 468 kN。土塞弹性模量较小时，桩身轴力受到的影响较大，弹性模量越大，桩身轴力的变化越小。

增大土塞弹性模量，能减小桩顶沉降和桩身轴力，提高管桩承载力，但弹性模量增大到一定数值后，桩顶沉降几乎不再改变，对桩身轴力的变化程度减小，承载力的提升效果减弱。

(4) 土塞高度。土塞高度对桩顶荷载-沉降及桩身轴力的影响见图13、图14。

图13 不同土塞高度时桩顶荷载-沉降曲线

图14 不同土塞高度时桩身轴力变化

由图13可知，土塞高度增大，桩顶沉降减小。桩顶荷载较小时，不同土塞高度下桩顶荷载-沉降曲线近似重合，桩顶荷载主要由桩侧土承担。随着土塞高度增大，桩顶沉降逐渐减小，但各土塞高度下桩顶荷载-沉降曲线变化趋势相同。土塞高度为16 m与20 m时，桩顶荷载-沉降近似重合，此时管桩极限承载力较土塞高度h=4 m、8 m、12 m的管桩承载力提高了1.09倍。

由图14可知，土塞高度增加，桩身轴力减小。土塞高度增加，桩-土塞接触面积增大，管桩内侧摩阻力增大，桩内侧土体分担的荷载增加，加载结束时桩身轴力随土塞高度增加而减小，不同土塞高度下管桩桩身轴力分别减小为土塞高度h=4 m时的0.980倍、0.935倍、0.932倍、0.868倍。

由以上分析可知，当管内土塞高度在一定范围内增加时，桩顶沉降与桩身轴力均减小，超出某一高度后，由于土塞顶部部分土体不提供内侧摩阻力，继续增加土塞高度对桩顶沉降的影响很小。

4 结 论

(1) 桩径越大，桩顶荷载-沉降曲线变化越平缓，桩顶沉降与桩端轴力随桩径增加而减小，加载结束时D>1 000 mm的管桩并未达到极限承载力。

(2) 管桩内壁与土塞之间的摩擦系数越大，管桩内侧摩阻力越大，沉降越小，但当摩擦系数增大到一定数值后，桩顶沉降变化率基本为零。

(3) 土塞的黏聚力和内摩擦角对提升管桩承载力无明显影响。土塞高度越大，管桩承载力越高，桩顶沉降及桩身轴力越小。