侧肢位置对侧嵌式管桩承载性状的影响

刘东辉 常文凯 翟 莲 徐丽娜 王若竹

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

在侧嵌式管桩的基础上，要综合各个方面考虑新型桩的经济效益、施工可行性及侧肢压入土体的张压设备的选择，并为其投入施工现场使用提供理论依据和技术上的支持。试验对侧嵌式管桩的侧肢不同位置的布置进行了竖向及水平荷载的承载性能的研究，并进行了ABQUS 的模拟，得到的数据结果与有限元分析变化的趋势基本保持一致。但由于ABQUS 的模拟与实际工程当中有一定的差异，从而试验与理论分析也会有不同。侧肢在竖向荷载作用下在侧嵌式管桩上起到了一定的承担荷载作用，承载力较普通的混凝土管桩的承受能力大。实验表明，在桩身下部密布一定数量的侧肢会有效的提高侧嵌式管桩的极限承载力，从而更有效的控制桩身沉降，使桩基基础更加牢靠。

如果在水平荷载的作用下，侧肢在侧嵌式管桩上也会起到一定的承载能力作用，随着水平荷载的增加，管桩的水平位移会随着桩身进入土体的深度增加而逐渐的减小，此时水平荷载的继续增加会使土体产生塑性变形，桩身的水平位移会继续增大。实验表明，在侧嵌式管桩上部布置一定数量的侧肢会有效的提高管桩的承载能力，从而还可以降低最大弯矩，实现桩基基础较高的承载能力，提高施工效率，节约成本。

1 竖向承载性状的影响

1.1 理论基础

以有限元模拟为理论基础，研究了不同的侧肢位置对侧嵌式管桩承载能力和变形性能的影响，研究表明[1]，桩身在竖直及水平荷载作用下轴力成一定的规律变化，试验制作3 层侧肢在桩身两侧布置，桩身至埋置土体深度由上到下依次分为3 层，当施加竖向荷载很小时，桩身带动周围土体产生向下的竖向位移，随着第1 层侧肢附近的土体也向下移动，此时第1 层侧肢对土体的影响范围比第2 层第3 层侧肢影响较大，桩身上侧的轴力也会变大，并产生侧摩阻力，侧肢下部及桩身以下轴力较小，此时表明桩身上部的侧摩阻力主要承担竖向的荷载[2]。随着竖向荷载的不断增加，桩身与土之间产生相对位移，桩身自身向下的位移不断增大，桩周围土体绝大部分位移分布区域不断扩大，并向桩身以下迅速延伸，1～3 层的侧肢逐渐发挥作用，桩身侧肢的轴力也随着埋置土体的深度迅速增大，这表明此时桩身侧肢主要承受竖向荷载的作用，由此说明，侧肢的位置埋置深度是影响侧嵌式管桩承载能力的重要因素之一[3]。

1.2 分析结果

在有限元分析的过程中，在有3 层侧肢的侧嵌式管桩承受竖向荷载的情况下，侧肢附近的土体塑性应变会随着荷载的不断增加而发生变化[4]。随着荷载的增加，土体的塑性应变首先出现在第1 层侧肢附近，此时的塑性应变较小，第2 层第3 层侧肢也有较小的变化，但此时主要表现在第1 层，荷载随后逐渐增大，桩身周围土体开始随着侧肢逐渐向下移动，塑性应变的变化也随着侧肢层数逐级递减，但第3 层侧肢周围土体的塑性应变变化幅度最小[5]。因此，当竖向加载荷载很小时，上层侧肢承受竖向荷载比较小，抗侧摩阻力也比较小，但各层土体底部受到荷载挤压影响较大，当达到一定荷载时，第1 层第2 层侧肢底部土体塑性应变数值不断增大，但塑性应变影响区域将不再改变，只是竖向荷载的数值不断增加，但在第3 层侧肢区域土体塑性应变会显著增加[6]。此时第3 层侧肢附近土体的塑性应变区域会远远大于上层侧肢的应变，这是由于承受了大部分的竖向荷载，而且土体的塑性应变区域会一直朝着桩端方向不断延伸，最后逐渐与桩端土体链接在一起共同承受荷载[7]。随着加载不断增大，侧肢附近出现较大的塑性应变，随后桩身端处发生剪切破坏，这种剪切破坏发生较为缓慢，这时这种侧嵌式管桩也到达了它的极限承载能力[8]。

2 水平承载性状的影响

2.1 理论基础

在桩基基础工程领域当中，管桩有时会承受不同的荷载类型，如风荷载、地震荷载及车辆荷载等，因此，管桩承受的水平荷载在基础工程中也越来越重要，同时也管桩基于水平荷载的基础设计也是一项重要工作。有限元分析结果表明[9]，侧嵌式管桩桩顶及桩身的水平位移都会随着水平荷载的增大而增大，特别是在荷载的加载部位，会产生最大的水平位移。随着荷载的继续增加，桩身的水平位移会随着桩身进入土体的深度增大而减小，桩身周围土体会产生塑性应变变形，加载位置的横向水平位移会不断加大，弯矩也会随着桩身深入土体的深度增加而增大[10]。

2.2 分析结果

在侧嵌式管桩桩身设置一定层数的侧肢，在桩顶施加水平荷载，试验结果表明，每层的侧肢会使侧嵌式管桩桩顶的水平位移减小，从而有效的抵抗水平荷载[11]。研究还发现，每层侧肢的位置越靠近桩顶，桩顶的水平位移的变化就越小，这就说明有侧肢发挥的承载力就越高，而且侧肢位置的设置对侧嵌式管桩的最大弯矩也有很大的影响[12]。因此，侧嵌式管桩的侧肢应设置在桩顶位置更有利于发挥承载作用。

3 结论与展望

在竖向承载的作用下试验结果表明，试验早期竖向荷载比较小，侧肢位置设置在侧嵌式管桩上部更有利于在早期承担竖向荷载，但此时承担竖向荷载的时间有限，承载能力有限，因此，在竖向荷载较小时可以把侧肢位置设置在侧嵌式管桩的上部，沉降量也相对于设置在桩身下部时较小[13]。当侧肢位置设置在侧嵌式管桩的下部时，此时侧肢的承载能力很小，不能承担大部分的竖向荷载，随着荷载增加，下部侧肢开始逐步承担竖向荷载，此时的沉降量较大[14]。但在侧肢数量相同的情况下，侧肢位置设置在侧嵌式管桩上部的时候最终的桩身沉降量要小于侧肢位置设置在下部的最终沉降量，试验结果还显示[15]，当竖向荷载增加到极限荷载3 300 kN时，1～3 层的侧肢及桩身周围的土体竖向位移基本接近，各个层侧肢周围土体的影响范围也大致相同，这说明各个侧肢周围土体已完全发挥承载能力的作用，达到极限承载能力作用后，桩身周围土体主要在各个侧肢附近，土体主要集中在各个侧肢以下区域很小的范围内，充分发挥了侧肢承载作用[16]。

在水平承载的作用下试验结果表明[17]，侧肢对于侧嵌式管桩可以提高水平承载力、抵抗塑性变形、降低截面最大弯矩，侧肢位置越靠桩顶布置水平承载能力越强，可以充分发挥水平承载作用，因此应该尽可能的靠桩顶布置。由此可见[18]，随着加载荷载的不断增加，每个层侧肢在侧嵌式管桩上不断发挥承载作用，这也是侧嵌式管桩承载能力比一般的普通管桩承载能力更强的一个重要因素。

随着现代科学技术的持续发展，在建筑结构上对结构基础的要求进一步提高，混凝土管桩在实际工程实践中得到了广泛的应用，而在研究过程中还发现，旨在增加桩长与桩径达到一定程度时，也并不能直接有效的提高单桩承载力[19]。在工程通常情况下[20]，为了进一步提高混凝土管桩桩基的承载力，文章提出的一种新型桩侧嵌式管桩，也为实际应用奠定了理论与试验基础，提供了一定的参考价值。因此通过这种侧嵌式管桩可以改善管桩的桩型，提高施工工艺，降低混凝土用量，节约成本，如果可以投入使用将来会有很大的技术发展与经济效益，也会为土木工程桩基基础领域带来前所未有的改变。