直斜组合高压旋喷桩基础抗压承载性能数值试验研究

姜志恒 娄强 徐军 刘彪 张元胤 张安玺 盛成进 唐晓妍 干飞 毕靖

摘 要：山地区域高压线铁塔基础施工具有难度大、周期长、成本高、机械化施工程度低等特点。为提高塔基基础施工效率，本文提出了一种新型的塔基基础形式——直斜组合高压旋喷桩。利用有限元软件PLAXIS 3D对直斜组合高压旋喷桩基础的竖向承载性能及桩身内力演化规律开展数值试验研究。研究结果表明：1）斜桩倾角相同时，桩身弯矩变化规律基本相同，其最大弯矩值位于桩顶附近且随桩长径比的增加而减小；2）竖向荷载作用下，直桩的轴力大于斜桩；3）桩长径比相同时，直斜组合高压旋喷桩基础抗压承载力随斜桩倾角（0°、10°、20°）的增大而呈非線性递增关系；直斜组合高压旋喷桩基础竖向承载性能较好，值得推广与应用。

关键词：高压旋喷桩；竖向荷载；直斜组合桩；数值模拟

中图分类号：TU443

文献标志码：A

随着社会经济的高速发展和国家地域发展战略的逐步推进，输电塔线系统已成为现代生活的生命线，而确保电力系统正常运行的关键是要保证输电线路塔架的安全［1-4］。传统的塔基以桩基基础为主，这在实际工程应用中普遍存在着桩长过大、造价较高、周期较长等缺点。因此，在相关工程建设中，寻找能保障基础安全的设计方法是目前亟需解决的问题，纵观国内外，大量学者对直斜组合桩已经有了逐渐深入的研究。

张浩瀚等［5］采用有限元建模的方法，分析得出在各级相同荷载作用下，斜直桩组合结构控制水平位移效果最好，具有更好的抗弯承载力。周德泉［6-7］等通过开展直斜组合桩模型试验，验证了桩倾斜度增大，其桩侧土压力峰值快速减小，桩顶嵌固梁外侧桩的桩身水平位移及其峰值均随倾斜度增大而减小，直桩较斜桩更易发生断裂。刘伟煌［8］、王际凯［9］等通过开展倾斜长短组合桩的模型试验及数值模拟研究，发现支护效果与倾角成正比，与排桩的桩长成反比，且倾角的影响最大，桩长次之。干飞等［10］通过开展不同倾斜角度的组合钢管桩大型模型试验，结果表明：相同的基坑开挖深度，直斜交替组合钢管桩的桩顶位移随着夹角增大而减小，其桩身最大弯矩值随着夹角α的增加而减小。曾锦秀［11］采用FLAC 3D数值模拟软件对斜直组合微型桩进行模拟，结果表明：随着桩身倾角的增大，边坡潜在滑面由浅变深。当桩身倾角为20°时，发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小。张磊等［12］通过模型试验与有限元方法分析，发现当桩长小于25倍桩径时，桩长的增加能较明显降低桩顶水平位移响应，并得出了斜桩-承台系统桩顶水平位移的半经验预测公式。李龙起等［13］通过模型试验，发现竖直桩基的荷载-沉降曲线呈缓变型，倾斜桩基呈陡降型。廖立坚等［14］从单桩刚度、群桩刚度、受力平衡方程3个层面进行公式推导，建立了变形协调的群桩刚度矩阵和空间受力平衡方程，为特殊桩基提供了一种快速且简便的计算方法。

综上所述，直斜组合桩较传统的直桩具有较好的力学性能，能取得较好的支护效果，但在桩体的倾角及长径比的影响下，对于高压旋喷桩基础的受力特性研究较少。本文利用数值模拟作为研究手段，通过改变高压旋喷桩桩身倾斜角度、长径比，研究了不同的竖向荷载作用下直斜组合高压旋喷桩荷载传递规律，对直斜组合高压旋喷桩基础的设计、施工及推广应用可提供一定的参考依据。

1 数值模拟方案

为避免由于模型桩尺寸较小的缺点对有限元模拟造成失真，本文采用足尺模型对多种工况进行分析模拟，研究了高压旋喷桩斜桩倾斜角度及长径比对直斜组合高压旋喷桩基础的承载变形规律及荷载传递机理的影响，模拟方案详见表1。

2 数值计算模型

利用PLAXIS 3D软件建立有限元计算模型，如图1。模型尺寸为12 m×12 m×20 m。加载板长3 m，宽3 m。边界条件如下：土体四周均设置为限制垂直方向的位移，土体底部为完全约束，限制三个方向的位移。

土体与结构界面设置界面单元，界面单元的强度折减因子取0.7。小应变硬化土（hardening soil model with small strain stiffness，HSS）模型是在硬化土（hardening soil model，HS）模型的基础上引入了小应变属性，可以考虑小应变区域内土体剪切模量随应变增大而衰减的特点，同时可以考虑软黏土的压硬性与剪胀性，区分加卸载刚度，使用HSS模型获得的土体变形结果与实际工程是最相符的，故土层采用HSS本构模型。有限元计算参数见表2和表3。

3 数值试验结果及分析

3.1 桩身轴力演化特征分析

由图2、图3可知，随着桩体有效入土深度的增大，不同倾角及长径比下，直桩及斜桩的轴力由桩顶至桩端呈现出非线性衰减的变化规律，且桩身轴力在桩顶处取得最大值，在靠近桩端位置最小。这也与相关的模型试验［15］及理论研究［16］得出的结论一致。

由图2可知，当长径比相同时，斜桩倾角越大，轴力变化趋势越明显。如图2（a）中，斜桩长径比为16.5，斜桩倾角为0°、10°、20°，当桩顶竖向荷载为1 800 kN时，靠近桩顶位置处T11、T12、T13的直桩轴力分别为195.7、253.59、278.05 kN，当桩顶竖向荷载为3 600 kN时，T11、T12、T13直桩轴力分别为353.93、499.41、540.14 kN，当桩顶竖向荷载为7 200 kN时，T11、T12、T13直桩轴力分别为705.29、979.99、996.28 kN。可见，随着竖向荷载的增加，轴力最大值也逐渐增大。当竖向荷载为7 200 kN时，T13轴力分别是T12、T11的1.02、1.41倍，T13轴力分别为前两级竖向荷载的1.94、3.58倍。当倾角相同时，长径比越大，桩身轴力变化速率越小。如图2（b）、（c）中，当竖向荷载为7 200 kN时，T23、T33轴力最大值分别为1 096.15、1 176.29 kN，T33轴力值分别为T23、T13的1.07、1.18倍。由图2（a）、图3（a）可知，相同的试验条件下，直桩与斜桩轴力变化趋势基本相同，如图3（a）中，T13斜桩最大轴力为995.35 kN，与图2（a）中直桩仅相差2.07 kN。在较大的竖向荷载作用下，直桩与斜桩的轴力相近。

3.2 桩侧摩阻力演化特征分析

由图4、图5可知，不同倾斜角度下，直桩与斜桩桩侧摩阻力变化趋势具有良好的一致性，呈逐渐增大趋势。在不同的试验条件下，桩侧摩阻力在靠近桩端位置处最大。

由图4可知，直桩桩侧摩阻力由桩顶至桩端呈先增大后减小趋势，桩侧摩阻力最大值相近，如图4（a），当竖向荷载为7 200 kN时，T11、T12、T13桩侧摩阻力在桩深为6 m处取得最大值，最大桩侧摩阻力分别为133.25、133.39、136.96 kPa，T13较T12、T11桩侧摩阻力增大了 2.71%、2.61%；T31、T32、T33桩侧摩阻力在桩深为10 m时取得最大值，最大桩侧摩阻力分别为115.37、133.51、131.57 kPa，T33较T32减小了12.3%，较T31增大了1.47%。因此，当长径比相同时，在一定埋深位置处，桩身侧摩阻力最大值相近。

由图5可知，斜桩桩侧摩阻力变化规律与直桩基本相同，在靠近桩端位置取得最大值。如T11斜桩桩侧摩阻力最大值在桩深6 m处，为112.37 kPa；T12斜桩桩侧摩阻力最大值在桩深5.5 m处，为125.48 kPa；T13斜桩桩侧摩阻力最大值在桩深5 m处，为130.08 kPa；由此可知，随着斜桩角度的增大，在较大竖向荷载作用下，斜桩桩侧出现最大摩阻力的位置逐渐上移。对比相同试验条件下直桩与斜桩桩侧摩阻力变化曲线可以看出，直桩桩侧摩阻力最大值分别为斜桩的1.19、1.06、1.05倍。

3.3 桩身弯矩演化特征分析

由图6可知，斜桩倾斜角度为10°时，桩身弯矩随桩深的增加呈线性减小；斜桩倾斜角度为20°时，桩身弯矩随桩深的增加呈先减小后增大的趋势。不同長径比、相同倾角下，斜桩桩身弯矩变化曲线规律相同，具有良好的一致性。

由图6可知，靠近桩顶位置处，桩身弯矩取得最大值，在不同试验条件下，斜桩会出现负弯矩。T13、T23、T33桩身最大弯矩分别为51.86、30.08、18.13 kN·m；T12、T22、T32桩身最大弯矩分别为18.45、15.37、4.08 kN·m。倾角为10°的斜桩与20°的斜桩桩身最大弯矩随长径比的增加而减小，如T13斜桩桩身最大弯矩分别为T23、T33的1.72、2.86倍；T12桩身最大弯矩分别为T22、T32的1.20、4.52倍。当长径比相同时，斜桩桩身弯矩随角度的增加而增大，如T13、T23、T33桩身弯矩分别为T12、T22、T32的2.81、1.96、4.44倍，这是由于靠近桩顶位置处受斜向水平力作用最明显，因此弯矩值最大。土面以下部分，桩身会产生负弯矩，这是因为在竖向荷载作用下，桩身会产生反向倾斜。

3.4 基础承载演化特征分析

参考单桩竖向抗压静载试验［17-18］对承台中心逐级加载，竖向力学荷载按900 kN/级进行逐级加载，共分8级加载，最终加载至7 200 kN，得到不同荷载下桩基础的沉降规律。

由图7可知，在相同试验条件下，斜桩倾斜角度为0°时，基础的沉降量显著增加。20°倾角的斜桩与10°倾角的斜桩的基础沉降量相近。如对承台中心施加7 200 kN的竖向荷载时，T1组中，T11、T12、T13的沉降值最终稳定在125.96、108.73、105.1 mm，T11沉降分别为T12、T13的1.16、1.20倍；T2组中，T21、T22、T23的沉降值最终稳定在90.73、69.29、65.33 mm，T21沉降值分别为T22、T23的1.31、1.39倍；T3组中，T31、T32、T33的沉降值最终稳定在65.36、42.49、39.78 mm，T31沉降值分别为T32、T33的1.54、1.64倍。由不同组别承台沉降曲线可知，随着长径比的增加，桩身沉降量减小，这是由于在相同试验条件下，长径比的增加使桩侧与土体接触面积增大，导致桩侧摩阻力增大，桩体竖向承载力越高。

4 结论

1）直斜组合高压旋喷桩受竖向荷载作用时，中心直桩轴力大于斜桩；随着竖向荷载的增大，桩身轴力衰减速率逐渐增大，轴力从桩顶向桩底非线性传递，而靠近桩端位置轴力变化速率较小。当桩顶荷载施加至7 200 kN时，直桩与斜桩轴力接近。

2）直斜组合高压旋喷桩直桩与斜桩平均摩阻力变化趋势基本相同，直桩、斜桩摩阻力在靠近桩端位置取得最大值。相同倾角下斜桩弯矩变化规律基本相同，最大弯矩值位于桩顶位置且随长径比的增加而减小。

3）直斜组合桩沉降随荷载增加呈现出缓慢增长的趋势；其承载力随着斜桩倾角（0°、10°、20°）及长径比的增大而增加。

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Numerical Experimental Study on Compressive Bearing Capacity

of Vertical and Inclined Combined High-Pressure

Jet Grouting Pile Foundation

Abstract：

The construction of high-voltage tower foundations in mountainous areas is characterized by high difficulty， long cycle， high cost， and low degree of mechanized construction. To improve the construction efficiency of tower foundation， this article proposes a new type of tower foundation form：straight inclined combination high-pressure rotary jet grouting pile. Using the finite element software PLAXIS 3D， numerical experiments were conducted to study the vertical bearing performance and internal force evolution of the vertically inclined combination high-pressure rotary jet grouting pile foundation. The research results indicate that： 1）When the inclination angle of the inclined pile is the same， the variation law of the bending moment of the pile body is basically the same， and the maximum bending moment value is located near the pile top and decreases with the increase of the pile aspect ratio; 2） Under vertical load， the axial force of straight piles is greater than that of inclined piles; 3） When the length to diameter ratio of the pile is the same， the compressive bearing capacity of the high-pressure rotary jet grouting pile foundation of the straight inclined combination shows a nonlinear increasing relationship with the increase of the inclined pile inclination angle （0 °， 10 °， 20 °）. The vertical bearing performance of the vertically inclined combination high-pressure rotary jet grouting pile foundation is good， and it is worth promoting and applying.

Key words：

high pressure rotary jet grouting pile; vertical load; straight inclined composite pile; numerical simulation