大直徑開口鋼管樁豎向承載特性試驗研究

胡士兵，王忠瑾，張永永

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大學寧波理工學院，浙江寧波315100；3.浙江華東工程安全技術有限公司，浙江杭州310014）

大直徑開口鋼管樁豎向承載特性試驗研究

胡士兵*1，王忠瑾2，張永永3

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大學寧波理工學院，浙江寧波315100；3.浙江華東工程安全技術有限公司，浙江杭州310014）

利用分布式光纖傳感技術獲得了大直徑開口鋼管樁在豎向壓力下的樁身應變。在抗壓靜載試驗的基礎上，分析了樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力隨樁頂荷載的發揮規律。樁身軸力沿深度的分布、各土層側摩阻力和樁端阻力的發揮均與樁頂荷載的大小密切相關。在各級荷載下，樁身變形主要表現為軸向彈性壓縮。假定樁端阻力主要來自土塞，分析了土塞與內壁的相互作用隨樁頂荷載的變化。基于一維豎向平衡分析和有效土塞高度的研究，建議了大直徑開口鋼管樁的承載力計算方法，為工程設計提供了參考依據。

分布式傳感光纖；大直徑；開口鋼管樁；土塞；荷載傳遞；豎向承載力

1　概述

相對于混凝土預制樁，鋼管樁具有較強的穿透力、較大的承載力與較高的強度，且鋼管樁施工速度快、打樁安全，更易于運輸、更容易適應各種復雜的地形。

相對鋼管樁在工程界的廣泛使用，其承載力試驗與計算理論遠落后于工程實踐。已有關于大直徑鋼管樁承載力特性的試驗研究較少，且部分試驗結論差異較大甚至完全相反［1-2］，部分現場測試結果表明，按照現有的計算方法得到的結果較實測承載力大，這對工程安全性是極為不利的。目前，針對管樁承載力的理論研究，主要有基于可靠度理論的承載力分析方法、數值計算方法與對現有計算方法的改進。各種不確定性因素的變異性對樁基承載力可靠度均有影響，尤其對計算模式的不確定性非常敏感；數值計算結果與所選用的土體本構模型、樁—土接觸計算模型、計算網格的選取等因素有關，且與現場實測承載力結果有較大偏差［4-5］。

本文基于分布式光纖傳感技術，得到大直徑開口鋼管樁在荷載作用下的應變等參數，結合某工程大直徑開口鋼管樁靜載荷試驗結果，分析了深厚土層中大直徑開口鋼管樁的豎向承載性狀和荷載傳遞機理，并對其承載力的計算方法進行了初步探討。

2　工程地質情況及試樁概況

試樁為龍源如東試驗風電場工程基樁，S1樁與S2樁長度均為36.8m，直徑為1400mm，抗壓承載力試驗均采用靜載荷試驗方法。S1試樁最大加載量為13200kN，S2試樁最大加載量為10800kN。

3　靜載試驗結果及分析

3.1各級荷載下的樁頂與樁端沉降

試樁各級荷載下的樁頂沉降、樁端沉降與樁身壓縮量如圖1所示。

圖1　S1與S2試樁荷載—沉降曲線

由圖1曲線可以看出，當荷載較小時，樁頂即產生沉降，S1與S2試樁的荷載—沉降曲線表現為線性關系，樁端沉降很小。在此階段，樁頂沉降與樁頂荷載程線性關系，樁身變形表現為軸向彈性壓縮變形，樁頂沉降主要由樁身壓縮變形組成。

當樁頂荷載增大到一定值時，樁頂沉降增速逐漸增大，荷載—沉降曲線逐漸變為非線性，樁端沉降亦逐步增大。由圖1可知，在各級荷載作用下，樁身壓縮變形主要表現為彈性壓縮變形。樁頂荷載增大到一定值后，樁端沉降開始趨于明顯，且表現為非線性沉降。

3.2各級荷載下的樁身軸力

通過預埋在樁身的光纖傳感器可以得到試樁在各級荷載下的樁身應變分布，試樁S1與S2的樁身軸力沿深度的分布如圖2所示。

圖2　樁身軸力分布圖

3.3各級荷載作用下樁側摩阻力與樁土相對位移的關系

各級荷載下樁側摩阻力與樁土相對位移的關系，分布式光纖傳感技術可得到每間隔0.05m樁身截面的應變，本文選取數據較好的斷面計算了樁側平均摩阻力與樁土相對位移的關系，如圖3所示。

從圖3可知，樁側摩阻力的大小和樁土相對位移有著很好的對應關系，樁側摩阻力的發揮與樁土相對位移的大小呈指數函數關系。當樁土相對位移較小時，樁側摩阻力隨著樁土相對位移的增大而增大，隨著樁土相對位移的逐漸增大，樁側摩阻力達到峰值，此后樁側摩阻力幾乎不再增大。

由圖3還可看出，在同一土層中，隨著樁土相對位移的增大，樁側摩阻力相應增大，增加的幅度也基本一致。

圖3　樁側摩阻力—樁土相對位移曲線

S1試樁與S2試樁的平均樁側摩阻力發揮程度與樁土的相對位移較合理。

3.4樁端阻力與樁端沉降的關系及破壞模式

由圖1可知，當樁頂荷載較小時，樁端沉降十分微小，只有當樁頂荷載增大到一定程度時，樁端才開始產生明顯沉降。由計算得到的樁端阻力與實測得到的樁端沉降，可得到樁端阻力與樁端沉降的關系曲線，如圖4所示。由圖4可知，在極限載荷內，樁端阻力的發揮與樁端位移的大小呈雙折線關系。

S1試樁最終加載至13200kN，與此對應的樁端沉降為78.73mm，S2試樁樁頂最終加載10800kN，對應的樁端沉降為108.90mm，S1與S2試樁均發生刺入破壞。從S1試樁與S2試樁的樁端阻力與樁端沉降的擬合度看，采用三折線模型可較好地擬合樁端阻力與樁端位移的關系。

4　大直徑開口鋼管樁承載機理分析

圖4　樁端阻力與樁端位移曲線

目前，針對開口鋼管樁的承載力的計算理論還不完善，相關的試驗研究亟待開展，特別是大直徑開口鋼管樁的承載力計算方法。在施工過程中，由于大直徑開口鋼管樁中間是空的，其擠土效應與實心樁擠土機理存在較大的區別，部分土體會擠入到樁中，形成土塞，土塞與樁內壁的相互作用是一個和多種因素相關的復雜問題。土塞的性質不僅會直接影響到樁端阻力的發揮，還會對樁側摩阻力產生影響。開口鋼管樁的樁端阻力主要來自樁內壁所形成的土塞。

試驗和理論分析均表明［9-10］，鋼管樁樁身側摩阻力與樁內壁土塞阻力的發揮是不同。樁側摩阻力在各級荷載下均得到有效發揮，而樁內壁的摩阻力，只有當荷載增大到一定程度時，才能得到有效發揮。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分發揮土塞側阻所需沉降也越大。

圖5　內壁摩阻力隨樁頂荷載的變化

由圖5可知，當試樁S1與S2樁頂荷載分別小于4800kN和6000kN時，樁端阻力微小，樁內壁摩阻力幾乎為0，此時上部土塞力的傳遞對承載力沒有有效發揮。只有當樁頂荷載增大到一定程度時，樁端處土塞與內壁的摩擦力開始有效發揮，且隨樁頂荷載的繼續增大，土塞總的摩阻力呈線性增大，直至樁端土體發生刺入破壞。

當樁端處土塞摩阻力開始有效發揮時，土塞的受力可采用簡化的一維豎向平衡分析［9］，如圖8所示。

圖6　土塞的應力條件（Randolph，1991）

已有研究成果顯示，一定高度以上的土柱部分對于土塞承載力的貢獻非常小，即存在土塞的有效高度。目前，被認可的土塞有效高度一般為5倍樁徑左右，當高度大于此數值時，土柱多數情況下不會發生破壞［10］。

5　結論

在某工程2根大直徑開口鋼管樁試樁靜載試驗的基礎上，得出了如下結論：

（1）大直徑開口鋼管樁的承載力表現為摩擦樁的性狀，在各級荷載作用下，樁身軸向變形呈線性壓縮變形。樁身側摩阻力沿樁深的發揮是一個異步的過程，上部土層的側摩阻力發揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側摩阻力也相應增大，但增加的幅度也有所差別。

（2）各級荷載下，樁身軸力隨著深度的增加而減少。當樁頂荷載較小時，樁身下部軸力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端阻力也開始逐漸發揮出來，所占樁頂荷載的比例隨荷載的增加逐漸增大，樁頂荷載接近極限承載力時，本文工程中采用的基樁樁端力約為極限荷載的20%。

（3）樁身側摩阻力沿樁深的發揮是一個異步的過程，上部土層的側摩阻力發揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側摩阻力也相應增大，但增加的幅度也有所差別。

（4）樁內壁所形成的土塞，其與內壁相互作用于樁頂荷載大小密切相關。只有當樁頂荷載增大到一定值，土塞與內壁的摩阻力才能得到有效發揮，樁端力主要與有效土塞高度內的摩阻力相平衡。

［1］金東振，施嗚昇，秦玉琪，等.提高大直徑鋼管樁承載力的探討［J］.水運工程，1980（9）：1-6.

［2］賈德慶，陳鋒，呂黃.大直徑開口鋼管樁承載力特性的分析［J］.水運工程，2004（10）：22-24.

［3］胡利文，賈德慶，傅潔馨.開口鋼管樁承載力影響因素［J］.水運工程，2005（9）：17-22.

［4］許英，徐駿，吳興祥.港口工程大直徑管樁豎向承載力可靠性研究［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2011，25（6）：516-519.

［5］魏興龍，左軍成，段愛華.開口鋼管樁豎向承載力分析［J］.人民長江，2011，42（11）：32-34.

［6］王君輝，馮建國，張華平.開口鋼管樁樁基承載力樁端部分

P754

A

1004-5716（2016）02-0017-04

2015-10-14

2015-11-30

胡士兵（1980-），男（漢族），安徽天長人，高級工程師，現從事巖土工程研究、設計、咨詢等工作。