填砂竹節樁的承載性能對比研究

蔡邦國 姜玉龍 王理璞 王奎華

(1.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325024； 2.浙江大學濱海與城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058)

1 概述

普通混凝土預應力管樁在我國已有60多年的應用歷史，由于其可批量化生產，打樁速度快，經濟效益好等優點，目前已被廣泛的應用于各種高層房屋、港口、高速公路等建筑物的基礎中[1]。但是在東南沿海地區等以軟粘土為主的地基中使用時，在承載性能方面存在很多問題，由于其主要作為摩擦樁來使用，樁極限承載力的大小很大程度上取決于樁周土體的強度，往往樁體本身材料未能完全發揮其抗壓性能時，就由于樁和樁周土體的相對位移過大，而導致樁不能正常使用，這是對樁材料本身承載力的一種極大的浪費。

為了解決軟土地區摩擦型樁這一問題，日本學者最先提出了竹節樁這一新樁型，對其進行了研究并將其應用于實際工程中[2，3]，取得了很顯著的成效。而后竹節樁被引進國內并在南方軟粘土地區進行了少量的應用，由于其在提高軟土地區樁基極限承載力方面的顯著優勢，國內的學者也開始關注該樁型，并進行了相關的研究，楊成斌等人[4]選用了竹節樁、圓管樁和方樁各兩根進行了抗壓對比試驗，試驗結果顯示竹節樁的單樁豎向抗壓極限承載力較管樁和方樁均能提高20%左右；史玉良[5]進行了竹節樁和圓管樁的現場靜載荷試驗，并在樁身設置應變片，研究竹節樁的荷載傳遞機理和樁側摩阻力的變化，試驗證明竹節樁側摩阻力大于同直徑的普通樁，并且具有良好的抗液化性能；周家錦等人[6-8]對靜鉆根植竹節樁展開了詳細的理論和試驗研究，分析了其豎向荷載傳遞機理以及其抗壓抗拔承載特性，并總結了其承載力計算公式。

填砂竹節管樁是對普通竹節樁的改進，其是由竹節管樁、樁周砂石層和土體共同組成的復合樁基。由于樁周砂石層的存在，改善了樁和土體之間的接觸性質，從理論上講具有更好的豎向承載性能。但國內外針對填砂竹節管樁的研究基本處于空白階段，沒有很好的理論基礎框架。研究該新型復合樁型的豎向承載性能，對于其在實際工程中的應用具有十分重要的意義。

本文主要研究填砂竹節樁和普通預應力圓管樁在承載力方面的差異，進行相同外徑的填砂竹節樁和圓管樁的靜載荷模型試驗，而后利用ABAQUS建立工程用填砂竹節樁和普通圓管樁的理論模型，利用有限元計算來研究其在承載力方面的差異。

2 填砂竹節管樁的施工方法

填砂竹節管樁作為一種新的復合樁型，現在還處于試驗研究階段，無法大規模地投入工程應用，其相關的施工方法也不成熟，這里結合浙江寧波某樁廠所進行的填砂竹節管樁的現場打樁試驗，來介紹填砂竹節管樁的施工方法。

首先以確定好的樁位點為中心，打入鋼護筒，而后竹節管樁放在鋼護筒內的樁位點上。護筒和樁就位后，在護筒內填滿砂石，然后開始錘擊打樁，護筒內的砂石會隨著樁的打入不斷的填充于樁和樁周土體之間，此時應注意不斷的向鋼護筒內補充砂石料，以保證填砂充盈率，直至將樁打入預定深度，形成竹節管樁，樁周砂石層和地基土共同組成的復合樁基，完成填砂竹節管樁的施工，見圖1。

3 模型對比試驗研究

填砂竹節管樁由于竹節和樁周砂石的存在，其在豎向承載性能方面上較普通預應力圓管樁應有明顯的優勢，為了研究其性能優勢，進行了填砂竹節管樁和圓管樁的靜載荷模型試驗。所用的樁體、土和砂石的材料參數見表1。

表1 材料參數

模型箱的尺寸為70 cm×70 cm×65 cm；利用尼龍棒來制作竹節管樁和管樁的模型，見圖2。其中竹節樁竹節外徑的尺寸為45 mm，樁體直徑為36 mm，竹節間距100 mm，樁長為500 mm，為了保證試驗的可對比性，圓樁的直徑與竹節樁竹節外徑相同，樁長同樣為500 mm。土和砂石取自某建筑工地的軟粘土和砂料。兩種模型樁均采用錘擊方法沉樁，竹節管樁模型的填砂方式模擬上述套筒式填砂方法，見圖2。

加載方式采用自主設計的杠桿式砝碼加載裝置，由于加砝碼的位置不同，每級荷載約為100 N，具體的數值由讀數儀表顯示；采用量程500 kg的LOAD CELL稱重傳感器，并連接終端顯示設備來測讀模型樁樁頂的荷載；采用數顯位移千分表來直接讀取模型樁樁頂的位移。利用該裝置進行兩種模型樁的室內模擬靜載荷試驗，見圖3，將試驗所得的數據分析整理，分別繪制兩種模型樁的荷載位移曲線，見圖4。

由圖4可以看出，當樁頂荷載小于100 N時，兩種模型樁的樁頂位移相差很小，這說明當荷載較小時，普通圓管樁和填砂竹節管樁的承載性能并無較大差距；當荷載增加至100 N～300 N之間時，兩模型樁的荷載位移曲線有較明顯的差異，填砂竹節管樁的荷載位移曲線相對平緩很多，填砂竹節管樁的樁頂位移穩定在1 mm以內，而圓管樁的樁頂位移隨荷載的增大增加較快，并且隨著荷載的增大，兩種樁型的樁頂位移沉降差也越來越大；當樁頂荷載大于300 N時，圓管樁的位移迅速增大，荷載增加至587 N時，樁頂位移已經大于0.5 cm，終止圓管樁的加載；而填砂竹節管樁一直持續加載至920 N后終止加載，此時的樁頂位移為0.42 cm。由以上分析可以看出，填砂竹節管樁具有更好的豎向承載性能和沉降特性，相同荷載下樁頂沉降更小。

4 ABAQUS有限元對比分析

ABAQUS是國際通用的大型有限元軟件之一，其對巖土工程問題有較強的適用性，利用ABAQUS軟件來建模分析計算填砂竹節管樁在豎向承載性能方面的優勢，方便快捷且節省了現場試驗所需的大量人力物力。本文根據寧波某樁廠生產的樁型型號，分別建立了竹節外徑400 mm，樁體直徑350 mm的填砂竹節管樁(400-350型)和外徑400 mm的普通預應力管樁的二維有限元模型，見圖5。

接觸形式定義為罰接觸[9]，參考相關文獻[10][11]確定的不同接觸面的摩擦系數，樁土接觸面摩擦系數取為0.2，樁—砂石接觸面摩擦系數取為0.36，砂石—土接觸面摩擦系數取為0.3，土體和砂石的各項參數設置見表1，并根據剛性大小來判斷接觸對中的主從接觸面；在LOAD步給予樁頂40 mm豎向位移，采用位移法來控制樁頂荷載，而后采用CAX4(軸對稱四節點單元)為該模型劃分網格，所用土體和砂的各項參數如表1所示，并提交作業進行計算，分別得到填砂竹節管樁和普通圓管樁荷載位移曲線對比圖，見圖6。

由圖6有限元模擬的結果可以看出，當樁頂荷載小于250 kN時，兩種樁型的樁頂沉降基本相同，承載性能沒有較大的差異；當荷載大于250 kN時，圓管樁的樁頂沉降隨荷載的增大發展較快，兩條曲線有了較為明顯的差異，相同荷載下，填砂竹節管樁的樁頂位移小于普通圓管樁，且隨著荷載的增大，兩種樁型的樁頂沉降差不斷增大；當樁頂位移達到40 mm時，填砂竹節管樁的樁頂荷載為689 kN，圓管樁的樁頂荷載為576 kN，填砂竹節管樁的承載力相較提高了19.6%左右。綜上ABAQUS有限元分析的結果可知，填砂竹節管樁具有更容易控制的樁頂沉降，且承載力較相同外徑的圓管樁有較大的提高。

5 結語

本文主要針對目前還處于研究開發階段填砂竹節管樁復合樁基展開模型和有限元模擬計算方面的研究，通過進行相同外徑的填砂竹節管樁和普通圓管樁的室內靜載荷模型試驗，而后通過建立兩種樁型的有限元模型，利用ABAQUS軟件進行分析計算，得出以下結論：1)當樁頂荷載較小時，兩種樁型的樁頂沉降隨荷載的變化并無明顯差異；當樁頂荷載繼續增大，普通圓管樁的樁頂沉降隨位移發展較快，填砂竹節管樁具有更容易控制的樁頂沉降。2)填砂竹節管樁極較與之竹節相同外徑的普通圓管樁的承載力提高了20.5%左右，填砂竹節管樁在提高樁基承載力的同時，節約了樁體材料，具有很好的工程推廣應用前景。