静压桩残余应力对极限承载力影响

高志刚 黑榆浩 贾海梁 侯丕吉 兰哲

（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054）摘 要：为研究静压桩回弹特性，明确静压桩残余应力性状，使静压桩承载力能够得到有效发挥，通过静压桩沉桩及静载荷试验，结合有限元模拟方法，对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析，总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明：卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%，卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定；沉桩结束后，桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍，卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体；桩端土体应力消耗越多，桩端残余应力越小，卸荷后桩端土体回弹量越多；沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小，从而桩端土体能够提供的承载力降低，致使桩体承载力降低。

研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素，卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。关键词：静压桩；残余应力；回弹变形；极限承载力；有限元模拟

中图分类号：TU 473

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）03-0553

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0315开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Influence of residual stress of jacked pile on

ultimate bearing capacity

GAO Zhigang，HEI Yuhao，JIA Hailiang，HOU Piji，LAN Zhe

（College

of  Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to explore the rebound

properties and the residual stress characteristics of jacked piles，

so as to make full use of its bearing capacity，

the rebound characteristics of jacked piles under different pile sinking rates and unloading rates are analyzed，through the jacked pile sinking and static load test，combined with the finite element simulation method，with the influence of pile end residual stress on the ultimate bearing capacity of jacked piles  summarized.The results show that the rebound amount of the pile body accounts for 80 % of the total rebound amount of the pile body during the unloading process，and the rebound displacement of the pile body gradually stabilizes after unloading.After the pile sinking，the maximum stress of the soil around the pile reaches 4.5 times of the passive earth pressure.After unloading，the lateral pressure stress dissipation of the shallow soil around the pile is greater than that of the deep soil.The more the stress consumption of the soil at the pile end，the smaller the residual stress at the pile end，and the more the rebound of the soil at the pile end after unloading.The increase of pile sinking rate and unloading rate would lead to the decrease of residual stress at the pile end，and reduce the bearing capacity provided by the soil at the pile end，resulting in the decrease of bearing capacity of the pile.

It is concluded that the residual stress of the jacked pile is the main factor affecting the bearing capacity，and the unloading rate has the most obvious influence on the residual stress of the jacked pile.

Key words：jacked pile；residual stress；rebound deformation；ultimate bearing capacity；finite element simulation

0 引 言静压桩具有承载力高、穿透力强、桩身质量易于保证等特点，其能够有效解决地基加固、地下增层、顶升纠偏等工程难题。沉桩会引起桩周土体产生大量附加应力，当沉桩完成开始卸荷后，大部分附加应力得到快速释放，使得桩体上浮，但部分残余应力由于桩土相互作用未能得到完全释放，导致静压桩在工作荷载下的传递特性发生改变。忽略残余应力的影响会导致桩侧摩阻力的计算值偏大，而桩端摩阻力的计算值偏小，从而影响静压桩极限承载力的估算。针对静压桩卸荷残余应力，众多研究人员[1-3]进行监测试验对静压桩残余应力进行分析，结果表明桩端残余应力的变化会致使静压桩的极限承载力发生改变，并且相比混凝土桩，钢管桩残余应力更大。对于静压桩回弹现象，

文献[4-10]通过理论推导、现场监测、数值模拟等方式得出桩体上浮现象的主要原因为桩端阻力。无论是桩体回弹以及静压桩极限承载力，残余应力均是不可忽略的影响因素。为实现残余应力的精确计算，文献[11-12]分别考虑桩身弹性系数以及桩身残余摩阻力符合斜直线分布假定建立桩端残余应力的计算公式，但与实际监测值仍存在较大误差。对于桩侧残余应力对静压桩承载力的影响，文献[13-16]认为桩侧残余应力对桩体承载力影响作用同样不可忽略，静压桩桩侧阻力会随时间增长。明确沉桩过程中桩侧压力与桩端阻力发展规律有利于提高桩体承载力计算的准确性。关于静压沉桩过程中桩土作用[17-18]、承载力控制因素[20-22]、桩周土体力学性[23-26]以及位移特性[27-29]等相关问题已有深入分析，但对于残余应力与承载力之间的关系研究较少。通过现场静压桩沉桩及静载荷试验，结合数值模拟方法，考虑沉桩速率和卸荷速率，分析静压桩卸荷过程中桩体回弹特性以及桩周、桩端土体应力分布规律，对桩体回弹位移、卸荷后桩体残余应力、静压桩承载力三者之间关系进行详细阐述。

1 试验概况

1.1 试验场地试验场地地区为渭北黄土地区，地质土层以黄土和古土壤居多，地表有0.5 m左右的耕土，试验深度范围内未见地下水（表1）。

1.2 静压桩设计静压桩采用钢管桩体，钢材型号为Q345，直径325 mm，壁厚12 mm，设计桩长35 m，静压桩通过分段压入，焊接连接的方式形成。钢管入土端与锥形预埋铁件焊接，方便沉桩入土。

1.3 静力沉桩装置静力沉桩装置包括钢垫块、钢垫板、千斤顶、传力板（图1（a）），试验在既有建筑地基下部进行，利用既有上部结构自重充当反力墙，使用分离式油压千斤顶将钢管预制短桩（长度为1.2 m）自基础底面逐根压入基底土层内，沉桩前在钢管与千斤顶之间放置钢板以及垫块用于荷载传递。两节短桩之间采用焊接连接，待桩端到达设计深度后沉桩过程结束。分离式油压千斤顶可设定加压速率，实现精准的荷载控制和位移控制。试验中通过千斤顶压力表对压桩力进行观察，桩端入土深度通过在桩身描绘刻度线进行监测，以此可以完成沉桩过程中压桩力与桩端入土深度之间的关系曲线。试验中选取稳定测量值作为分析值。

沉桩结束后进行单桩承载力试验，桩顶荷载同样使用千斤顶施加，在桩体附近区域架设钢架用以支撑千分表进行位移读数，将千分表与磁力底座进行固定，磁力底座吸附在钢管桩身，对试验过程中钢管桩与固定钢架之间的相对位移进行观测记录，此位移即为静压桩在加载作用下的位移值。试验过程严格参考《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106—2014）进行（图1（b））。

2 试验结果

2.1 沉桩试验结果沉桩试验共进行3组，沉桩入土深度均达到设计标高，桩端达到设计深度位置时最终压力最大达到2 485 kN。桩端入土深度与压桩力的关系曲线大致呈现“三折线型”，桩端入土深度达到18 m之前，沉桩过程较快，约为0.075 m/kN；此深度以下，桩侧阻力和桩端阻力发挥效应逐渐明显，沉桩过程变得十分缓慢，入土深度每增加5 m，压桩力需增加500 kN左右，沉桩速率为0.01 m/kN，与初始速率相差近87%，沉桩速率的变化主要集中在18～25 m深度范围内，此深度范围外沉桩速率基本维持稳定，沉桩曲线近似呈直线型，压桩力维持在2 500 kN左右达到设计入土深度（图2）。

2.2 单桩承载力试验结果静压桩荷载-沉降曲线整体呈缓变型，各级荷载作用下静压桩沉降变化平稳，破坏特征点并不明显，在最大压桩力

2 880 kN作用下，2组试验桩顶沉降量平均值为13.2 mm。逐级卸载后桩体总回弹量约为6 mm，约占总沉降量的50%。随桩顶荷载增加，相同荷载增量下桩体竖向下沉速率逐渐加快，曲线斜率逐渐增大，卸载过程共分为6级，桩体回弹速率随荷载减小逐渐加快，最后2级卸荷作用下桩体回弹位移占总回弹位移的50%（图3）。桩顶荷载越小，静压桩桩侧以及桩端土应力损失越快，桩体回弹速率加快。

3 数值模拟模型使用有限元数值模拟软件ABAQUS对沉桩试验以及单桩承载力试验进行模拟分析，通过ABAQUS强大的后处理功能得到桩体贯入过程中桩土界面相互作用结果，输出桩周土体应力应变变化、土体位移变化以及随深度或时间的变化规律，模拟结果以现场沉桩试验与单桩承载力试验为验证依据。

3.1 参数设置土体考虑非线性变化影响，因此使用摩尔-库伦本构模型参数进行定义（表2），模型宽15 m，高50 m。桩体尺寸与现场试验一致，直径325 mm，壁厚12 mm，设计桩长35 m，由于桩土的弹性模量相差悬殊，桩的变形量可以忽略不计，故采用离散刚体建立桩体，不需要设置桩体材料参数。

3.2 接触面设置桩土界面接触选取有限滑移变形，从属面为土体边界，设置硬接触和罚刚度定义桩土作用，根据现有钢-土剪切试验结果[30]，取罚刚度摩擦系数为0.3（图4（a））。

3.3 网格划分桩体网格划分选择RAX2单元，桩身单元大小0.075 2，桩靴单元大小0.057 1。土体的单元类型为CAX8RP，对10倍桩径范围内土体网格进行加密处理（图4（b））。

3.4 沉桩模拟方法模型通过位移贯入法进行沉桩过程模拟，此方法不需要在桩顶施加荷载，只需要定义位移方向边界条件，使桩产生向下的位移，通过调整计算时步对应的位移量，可实现对沉桩速率以及卸荷速率的变化模拟。

4 有限元模拟计算结果

4.1 模型验证模型在自重应力下平衡求解之后，在桩顶区域设置自定义载荷函数模拟沉桩过程，对桩体施加侧向约束保证其不会发生偏移，计算完成后输出各计算步对应的荷载-沉降数据，与现场沉桩试验结果进行对照，模拟结果与试验结果具较高的符合度，可进行变参数模拟分析（图5）。

4.2 有限元模拟结果

4.2.1 桩体回弹量沉桩结束后桩端区域有明显的应力集中现象，主要集中在28～35 m深度范围内，水平影响范围约为6倍桩径。沉桩速率越快，所引起的桩周土应力越大，但差距较小，沉桩速率相差一倍的情况下桩周土最大应力相差仅10%（图6）。

沉桩速率越大，桩体回弹量越快，沉桩速率v=1 m/min作用下卸载后桩体回弹量为0.087 m，沉桩速率v=2 m/min作用下卸载后桩体回弹量为0.091 m。可见沉桩过程越快，桩周土体受到的扰动效果更加明显，卸荷静止后引起的桩端土体回弹量增加。但卸荷速率vu保持不变时，不同沉桩速率作用下桩体回弹位移相差仅4%。沉桩速率对桩体回弹位移的影响效果并不显著（图7）。

桩体回弹主要发生于桩顶荷载减小的过程中（前4 min），此过程桩体回弹量占桩体总回弹量的80%，桩顶荷载完全卸除后，桩体并没有立即停止回弹，而是先趋缓并逐渐维持稳定（图8）。

随卸荷速率增加，桩体回弹量增大（图9），最大卸荷速率（vu=2 m/min）下桩体回弹量平均值为0.16 m，最小卸荷速率（vu=1 m/min）下桩体回弹量平均值为0.088 m，相差45%，同时对比沉桩速率，卸荷速率对桩体回弹量影响更大（图10）。

4.2.2 桩周侧压力0～22 m深度范围内桩侧土压应力基本与被动土压力一致，但随深度继续增加，桩周侧压应力持续增加，最大达到被动土压力的4.5倍，且随沉桩速率增加而增加。可见沉桩作用引起了大量横向附加应力（图11（a））。卸载完成后浅部桩体侧压力接近于主动土压力，随深度增加，桩周侧压应力不断向被动土压应力发展。因而，在静压桩卸荷过程中，桩周浅部土层附加应力释放比深部土层更加充分，并且随沉桩速率增加，该趋势更加明显（图11（b））。

卸荷速率越快，桩周侧压应力损失越多。桩端区域沉桩速率最大时，最小卸荷速率1 m/min作用下，桩周侧压应力约为最大卸荷速率2 m/min作用下的1.63倍，相差63%；当沉桩速率最小时，最小卸荷速率1 m/min作用下，桩周侧压应力约为最大卸荷速率2 m/min作用下的1.57倍，相差57%（图12）。与沉桩速率相比较，卸荷速率是桩周侧压应力损失的主要原因。

卸荷作用会引起桩周侧压应力损失，导致其分布形式发生改变。同时，桩周土体应力释放是自桩端至桩顶的过程，故采用深度修正系数对朗肯被动土压力计算公式进行修正，即

σ=μKpγh

（1）

式中 Kp为被动土压力系数；r为土体重度；h为土层深度；μ为桩周测压应力深度修正系数，对其进行拟合为

μ=Ah3+Bh2+Ch+D

（2）经过拟合得到参数A=2.244×10-5，B=-5.49×10-4，C=4.17×10-3，D=0.083 0。经过修正后的桩侧压力计算值与模拟值基本一致（图13），可用于静压桩桩周侧压力计算。

5 静压桩承载力影响因素

5.1 桩端力变化卸荷过程中桩端力与桩顶力近似呈线性变化，由于桩顶荷载向下传递时会向周围土体扩散，卸载过程中桩端力一直小于桩顶力，但随上部荷载逐渐减小，桩端力与桩顶力之间的差距越来越小。不同沉桩速率影响下，桩端残余应力与沉桩终压力的比分别约为7.3%（1 m/min）、5.6%（1.5 m/min）、4.7%（2 m/min），相差近26%，不同卸荷速率影响下，桩端残余应力与沉桩终压力的比分别约为7.3%（1 m/min）、4.7%（1.5 m/min）、2%（2 m/min），相差近53%（图14）。沉桩速率以及卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小，但卸荷速率的影响效果更加显著。

5.2 桩体承载力特性通过荷载控制法对现场单桩承载力试验进行模拟，将模拟结果与现场试验结果进行对照，可见2组结果较为吻合（图15）。在此基础上改变沉桩速率、卸荷速率，记录模拟过程中的桩顶应力值以及位移值绘制荷载-沉降关系曲线。

随着桩顶荷载不断增加，沉桩速率对桩体竖向位移影响逐渐增强，3组曲线的位移差越来越大。桩体位移随沉桩速率增加而增大。最终荷载作用下2组位移相差近3 mm（图16（a））。并且随卸荷速率增加，各级荷载作用下桩体位移增加，并且曲线斜率变化点提前出现，桩体极限承载力逐渐降低，最终荷载作用下两组位移相差近10 mm（图16（b）），卸载速率对桩体极限承载力的影响效果同样大于沉桩速率。

随沉桩速率增快，桩周侧压应力增加，而桩周侧压应力能够抑制桩体回弹，桩体回弹量随沉桩速率增加而增加，而桩体回弹的主要原因是桩端土体应力提供的向上作用，这间接反映出沉桩速率越大，卸荷过程中桩端土应力损失越多，因此桩体回弹位移增加，桩端残余应力越小，对于桩端土体承载力发挥则越不利。残余应力越小，桩体在各级荷载作用下竖向位移值越大，桩体承载力降低。桩端残余应力对桩体承载力有直接影响，低速沉桩有利于桩端土体承载力发挥（图16）。

不同卸荷速率下桩体极限承载力分别约为沉桩终压力的107%（1 m/min）、97%（2 m/min），相差近10%。随卸荷速率增加，卸荷过程中桩周以及桩端土应力损失越大，桩体回弹位移增加，桩端残余应力减小，同样会导致桩体极限承载力降低。桩端残余应力越大，桩端土体提供的向上作用则更加明显，越有利于桩端承载力的发挥。因而控制沉桩速率和卸荷速率，可以减少桩端土应力释放，有效提高桩体承载力。

6 结 论

1）沉桩过程中，桩周土体附加应力不断累积，卸荷后桩侧土压应力大量消散，土层深度越大，附加应力消散越慢。

2）沉桩速率以及卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小，因此卸荷后桩体回弹位移随之增加，桩体承载力减小。

3）相较于桩侧土压应力，桩端残余应力是影响桩体承载力的主要因素，桩端残余应力越小则越不利于桩端土体承载力发挥，致使桩体承载力降低。4）卸荷速率对桩端残余压力的影响远远大于沉桩速率，控制卸荷速率，减小桩端土应力的损失，增大桩端残余应力，可以有效提高桩体极限承载力。

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（责任编辑：李克永）