上鋼下混組合樁水平承載性能影響因素分析

蘇曉棟,李 致,孟星宇,吳 燁,陳燦明

(1.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029；2.水利部水科學與水工程重點實驗室， 江蘇 南京 210029)

鋼管樁和PHC樁或預(yù)制的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁是高樁碼頭最常用的樁型[1-2]。鋼管樁因其強度高和抗彎性能優(yōu)異，但工程造價相對較高，常用于自由長度大或水平荷載較大的高樁碼頭；而PHC樁或預(yù)制的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁工程造價明顯低于鋼管樁，但因其強度和抗彎性能明顯低于鋼管樁，一般用于以豎向承載為主或樁基自由長度和水平荷載相對較小的高樁碼頭。為了在確保樁基抗彎性能的前提下降低工程造價和改善沉樁性能，工程中衍生出鋼管樁和PHC管樁的組合樁，其中上部鋼管樁下部PHC樁的組合樁(簡稱上鋼下混組合樁)能在確保抗彎性能不變的條件下有效降低工程造價[3-4]，而上部PHC樁下部鋼管樁的組合樁(簡稱上混下鋼組合樁)能在不減小樁基豎向承載力時極大提升樁基的沉樁性能[5-7]。目前組合樁已在工程中得到一定的運用，但缺乏規(guī)范系統(tǒng)的理論體系指導(dǎo)，對組合樁的承載機理及影響因素等缺乏規(guī)律性認識[8-9]。本文采用ABAQUS有限元軟件計算分析對上鋼下混組合樁(見圖1)的接樁部位埋深、樁徑、連接段參數(shù)對水平承載性能的影響，提出上鋼下混組合樁承載力的計算方法與設(shè)計建議，為上鋼下混組合樁的推廣運用提供依據(jù)。

圖1 上鋼下混組合樁示意圖

1 模型參數(shù)選擇

1.1 計算模型

上鋼下混組合樁模型樁徑D為1.0 m，總樁長55.0 m，樁身入土深度35.0 m，自由長度20.0 m，PHC樁壁厚130 mm，鋼管樁壁厚16 mm，聯(lián)接段長度0.50 m，通過焊接將鋼管節(jié)及加勁板與PHC管樁聯(lián)接成一個整體。采用三維實體有限元模型，聯(lián)接段加勁肋簡化為等剛度滿圓周布置，樁身各部分之間為固接。PHC樁下部為全封閉式樁尖，不考慮土塞效應(yīng)。模型水平方向樁周土體直徑取25倍樁徑(25D)，土層總厚度取1.5倍樁基入土深度[10]。有限元模型網(wǎng)格采用漸變網(wǎng)格，土體由頂部至底部網(wǎng)格高度從0.5 m～1.5 m，樁周環(huán)向由圓心至圓周網(wǎng)格長度從0.1 m～2.0 m，土體范圍內(nèi)每隔2.0 m劃分一個單元。樁體和土體的單元均采用三維八節(jié)點減縮積分單元(C3D8R)[11]。上鋼下混組合樁三維有限元模型見圖2。有限元模型坐標系以泥面處樁軸心為坐標系原點，泥面為XY平面，基樁軸線向上為Z軸正方向，水平荷載沿X軸正方向通過樁截面圓心。模型邊界采用底部邊界設(shè)置固定約束，四周邊界設(shè)置法向水平位移約束[12-13]。

1.2 計算參數(shù)

鋼管樁和PHC樁均采用線彈性本構(gòu)模型，鋼管樁及聯(lián)接段均為Q345鋼，PHC樁為A型樁，混凝土強度等級C80。地基土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土作為土體模型參數(shù)。模型材料物理力學參數(shù)見表1。水平荷載逐級施加于樁頂橫截面中心點。

圖2 上鋼下混組合樁三維有限元模型

表1 上鋼下混組合樁模型材料物理力學參數(shù)

1.3 加載方式

根據(jù)《水運工程地基基礎(chǔ)試驗檢測技術(shù)規(guī)程》[14](JTS 237—2017)中有關(guān)樁基水平靜荷載試驗的規(guī)定，加載分級進行，加載時每級級差取預(yù)計最大荷載1/10。根據(jù)鋼管樁試樁資料，預(yù)估水平極限荷載為200 kN，因此每級荷載取20 kN[15-16]。

2 接樁深度影響

對于上鋼下混組合樁，鋼管樁越長越安全可靠，但工程造價越高。因此選擇合適的鋼管樁長度至關(guān)重要。根據(jù)純鋼管樁模型計算結(jié)果，鋼管樁在極限荷載作用下彎矩零點位于泥面以下12D左右(D為樁徑，接樁深度定義為PHC樁樁頂至泥面距離)，因此選擇接樁深度Zs為0D、2D、4D、6D、8D、10D、12D總計7種上鋼下混組合樁與純鋼管樁模型進行計算，以分析接樁位置對組合樁水平承載性能的影響。

2.1 樁身彎矩

對不同接樁深度上鋼下混組合樁分級施加水平荷載至200 kN。180 kN荷載時各接樁位置組合樁樁身彎矩曲線見圖3，樁身彎矩零點位置(插值法計算)見圖4。

計算結(jié)果表明：

(1) 不同接樁深度組合樁在各荷載級作用下，其樁身彎矩分布規(guī)律與純鋼管樁基本相同。

圖3 180 kN荷載組合樁樁身彎矩

圖4 接樁深度對樁身彎矩零點位置影響曲線

(2) 相同荷載作用下不同接樁深度組合樁的樁身最大彎矩值與位置均與純鋼管樁相近，樁身最大彎矩相差不超過0.89%。當接樁深度為0D時，位置相差最大為0.63D；接樁深度為2D～8D時最大彎矩位置相差不超過0.05D。較大荷載級時樁身最大彎矩一般在泥面以下0.90D～1.05D位置處。

(3) 鋼管樁和組合樁在各水平級作用下的彎矩零點位置在-10.0D～-12.5D之間，且彎矩零點位置隨著荷載的增加而逐漸下移。接樁深度對樁身彎矩零點位置的影響幅度在0.00D～0.26D左右(相對于純鋼管樁)。

因此，上鋼下混組合樁的接樁深度對樁身彎矩分布影響較小，設(shè)計時可直接參考純鋼管樁樁身彎矩計算結(jié)果。

2.2 樁身泥面處位移

歸一化的組合樁接樁深度與泥面處水平位移關(guān)系曲線見圖5，圖中橫坐標Zs/D為接樁深度與樁徑之比，縱坐標U/Us為組合樁泥面處水平位移U與同條件純鋼管樁泥面處水平位移Us之比。

計算結(jié)果表明：

(1) 相同荷載作用時組合樁泥面處位移均略小于純鋼管樁，且隨荷載增加差距逐步加大。受聯(lián)接段剛度的影響，接樁深度2D～4D時，組合樁泥面處水平位移最小。當接樁深度大于8D時，組合樁泥面處水平位移趨于穩(wěn)定。

(2) 由于聯(lián)接段的剛度明顯大于鋼管樁，當其位于受力較大區(qū)域時(最大彎矩附近)，對泥面處水平位移的減小程度較大，當聯(lián)接段位于受力較小區(qū)域并逐漸下移時，其對水平位移的影響也逐步減小，直至無影響。

(3) 接樁深度4D時樁身泥面處水平位移的影響最大，在接近極限荷載180 kN時組合樁樁身泥面處水平位移比純鋼管樁小5.38%，而同條件下接樁深度大于8D時，組合樁樁身泥面處水平位移比純鋼管樁小2.16%。

圖5 歸一化的接樁深度-泥面處水平位移關(guān)系

2.3 樁身應(yīng)力

以鋼管樁樁身應(yīng)力達到或接近允許最大應(yīng)力值的水平荷載級(180 kN)為例，比較純鋼管樁和組合樁樁身應(yīng)力分布特點，鋼管樁和聯(lián)接段豎向應(yīng)力(S33)云圖見圖6和圖7(圖中數(shù)值為拉正壓負)。

計算結(jié)果顯示：

(1) 在180 kN荷載作用下純鋼管樁樁身最大壓應(yīng)力310.4 MPa，最大拉應(yīng)力306.6 MPa。

(2) 接樁深度0D組合樁鋼管段樁身最大拉應(yīng)力282.9 MPa，最大壓應(yīng)力290.3 MPa，小于純鋼管樁7.73%、6.48%，接樁深度2D組合樁鋼管段樁身最大拉應(yīng)力299.5 MPa略小于純鋼管樁，最大壓應(yīng)力317.3 MPa略大于純鋼管樁，幅度2.32%～2.22%；而接樁深度4D～12D組合樁，其樁身最大拉應(yīng)力值306.5 MPa～307.0 MPa，最大壓應(yīng)力值為309.8 MPa～310.2 MPa，與純鋼管樁相近(幅度小于0.19%)。

(3) 隨著接樁深度由0D增大至12D，下部PHC段樁身應(yīng)力迅速降低，最大拉應(yīng)力由54.34 MPa降至1.39 MPa，最大壓應(yīng)力由52.85 MPa降至1.67 MPa。

(4) 組合樁聯(lián)接段剛度大于鋼管樁，其最大應(yīng)力均小于鋼管樁段。

圖6 水平荷載180 kN時鋼管樁和組合樁樁身應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7 180 kN水平荷載時組合樁聯(lián)接段應(yīng)力云圖(單位：Pa)

2.4 極限水平承載力

上鋼下混組合樁水平極限承載力以鋼管樁和PHC管樁樁身受力達到材料設(shè)計強度為依據(jù)。純鋼管樁和組合樁水平極限承載力見表2。

根據(jù)計算結(jié)果，組合樁水平極限承載力受接樁深度變化的影響很大。接樁深度小于8D時，組合樁的水平極限承載力主要受PHC樁的抗彎性能控制，當接樁深度大于等于8D時，組合樁水平極限承載力由鋼管樁的抗彎性能確定，組合樁聯(lián)接段剛度相對較大，不影響組合樁總體承載性能。

表2 不同接樁部位距泥面深度的組合樁水平極限承載力

因此，選擇恰當?shù)慕訕渡疃仁怯绊懮箱撓禄旖M合樁水平承載力的最主要因素，組合樁接樁深度組合合適，其水平極限承載力將與純鋼管樁基本相同。

3 樁徑影響

在計算分析組合樁接樁深度對承載性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，進一步探究樁徑對組合樁極限承載力的影響。分別建立樁徑600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1 400 mm的上鋼下混組合樁模型，鋼管樁壁厚12 mm～20 mm，PHC樁壁厚110 mm～150 mm，分別取接樁深度為5.5 m、6.0 m、6.5 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、10.5 m。預(yù)估樁基水平極限承載力60 kN～450 kN，荷載分10級逐步施加。

樁徑對組合樁樁身彎矩零點位置影響曲線見圖8(a)，不同樁徑組合樁在各級水平荷載作用下樁身泥面處水平位移見圖8(b)，各樁徑組合樁水平極限承載力見圖8(c)。不同樁徑的純鋼管樁和組合樁鋼管段樁身最大拉壓應(yīng)力值見表3。

圖8 不同樁徑的組合樁水平承載性能

表3 不同樁徑的純鋼管樁和組合樁鋼管段最大拉壓應(yīng)力

注：表中純鋼管樁聯(lián)接段的最大拉壓應(yīng)力是指同條件的組合樁聯(lián)接段所在位置對應(yīng)的純鋼管樁的應(yīng)力。

根據(jù)計算結(jié)果分析：

(1) 在極限荷載時，不同樁徑的組合樁樁身彎矩曲線、樁身應(yīng)力分布和泥面處水平位移曲線與純鋼管樁基本一致。

(2) 組合樁樁徑越大極限荷載越大，樁身最大彎矩位置越低，且隨荷載增大而逐漸下移，荷載加至極限荷載時，樁徑600 mm、1 000 mm和1 400 mm組合樁最大彎矩點分別位于泥面下0.30D、1.02D和1.43D處。

(3) 極限荷載作用下組合樁彎矩零點隨樁徑增大逐漸下移。各級荷載作用下，樁徑600 mm、1 000 mm和1 400 mm組合樁樁身彎矩零點分別位于泥面下11.10D～14.41D、10.43D～12.36D和10.20D～11.93D處。

(4) 各樁徑組合樁樁身泥面處的水平位移均略小于同樁徑的純鋼管樁，樁徑600 mm～1 200 mm時減小幅度不大于3.16%，樁徑1 300 mm～1 400 mm時，減小幅度不大于1.30%。

(5) 不同樁徑組合樁在各級荷載作用下鋼管段樁身最大拉壓應(yīng)力與同條件鋼管樁基本一致，聯(lián)接段的最大拉壓應(yīng)力均小于同條件對應(yīng)位置的鋼管樁樁身最大拉壓應(yīng)力，拉應(yīng)力最大降低幅度28%，壓應(yīng)力降低幅度1.2%。

(6) 在合適的接樁深度條件下，不同樁徑組合樁水平極限承載力與純鋼管樁相近，組合樁與相應(yīng)樁徑鋼管樁水平極限承載力比值Hsc/Hs為0.998～1.003。

4 聯(lián)接段參數(shù)影響

4.1 聯(lián)接段長度

以樁徑1.00 m的組合樁為對象，選取0.00 m、0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m和2.00 m共8個聯(lián)接段長度，接樁深度8.0 m，分析比較聯(lián)接段長度對組合樁水平受力特性的影響。

歸一化的聯(lián)接段長度-樁身彎矩零點關(guān)系、歸一化后的連接段長度與泥面處水平位移曲線、各聯(lián)接段長度組合樁水平極限承載力見圖9。不同聯(lián)接段長度的組合樁樁身最大拉壓應(yīng)力見表4。

計算結(jié)果表明：

(1) 聯(lián)接段長度對組合樁內(nèi)力分布影響不大，相同荷載作用下，樁身最大彎矩值的影響一般不大于0.25%，最大彎矩位置差距不大于0.10D，彎矩零點位置差距不大于0.92D。

(2) 聯(lián)接段長度對樁身水平位移影響相對較大，由于聯(lián)接段剛度大于鋼管樁，組合樁樁身泥面處水平位移隨著聯(lián)接段長度增加而有所降低，接近極限荷載時，聯(lián)接段0.50 m和2.00 m時，水平位移比同條件鋼管樁下降2.4%和9.0%。

(3) 聯(lián)接段長度變化對組合樁鋼管段的最大拉壓應(yīng)力基本無影響，聯(lián)接段最大拉壓應(yīng)力值隨著聯(lián)接段長度的增加而增加，最大拉應(yīng)力值為61.2 MPa～140.4 MPa，最大壓應(yīng)力值為72.6 MPa～165.3 MPa，均小于相應(yīng)的鋼管樁段的樁身最大應(yīng)力。

(4) 聯(lián)接段長度對組合樁水平極限承載力有一定影響，但影響程度不大。當接樁深度8D、聯(lián)接段長度0.00 m～1.25 m的組合樁水平極限承載力受鋼管樁控制，承載力與純鋼管樁基本相當。當聯(lián)接段長度超過1.50 m時，組合樁水平極限承載力將由鋼管樁控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭躊HC管樁控制，此時組合樁水平極限承載力低于純鋼管樁，聯(lián)接段長度1.5 m和2.0 m時組合樁承載力分別下降0.2%和1.6%。

圖9 不同聯(lián)接段長度的組合樁水平承載性能

表4 不同聯(lián)接段長度的組合樁樁身最大拉壓應(yīng)力

4.2 聯(lián)接段剛度

針對樁徑1.0 m，接樁深度8D，聯(lián)接段長度0.50 m的上鋼下混組合樁，僅改變聯(lián)接段剛度為0.1EI、0.5EI、1.0EI、5.0EI、10.0EI、50.0EI、100.0EI(EI為鋼管樁剛度)，比較聯(lián)接段剛度對組合樁受力特性的影響。

歸一化的聯(lián)接段剛度-樁身彎矩零點關(guān)系、連接段剛度與樁身位移曲線、連接段剛度和極限承載力影響曲線見圖10。

(1) 聯(lián)接段剛度對組合樁內(nèi)力分布影響也不大：樁身最大彎矩值隨著聯(lián)接段剛度增加而略有降低，聯(lián)接段剛度100.0EI時相比0.1EI樁身最大彎矩值僅降低0.12%，聯(lián)接段剛度對組合樁最大彎矩值位置的影響不大于0.05D。聯(lián)接段剛度在0.1EI～5.0EI時，組合樁彎矩零點位置隨聯(lián)接段剛度增加而逐漸下移，聯(lián)接段剛度大于5.0EI時，彎矩零點位置基本不變。

(2) 聯(lián)接段剛度小于1.0EI時，組合樁樁身泥面處水平位移隨著聯(lián)接段剛度下降而增加，聯(lián)接段剛度0.1EI時比1.0EI時泥面處水平位移增加了3.59%。當聯(lián)接段剛度大于1.0EI時，樁身泥面處水平位移基本不受影響。

圖10 不同聯(lián)接段剛度的組合樁水平承載性能

(3) 聯(lián)接段剛度對上鋼下混組合樁上部鋼管樁最大拉壓應(yīng)力值基本無影響，但對聯(lián)接段本身最大拉壓應(yīng)力有一定影響，最大拉應(yīng)力隨著剛度的增加而增加，壓應(yīng)力隨著剛度的增加先增加后減少。剛度小于1.0EI時，應(yīng)力大于同條件鋼管樁，剛度大于1.0EI應(yīng)力小于同條件鋼管樁。極限水平荷載作用下，聯(lián)接段剛度為0.1EI的組合樁相比剛度為1.0EI的組合樁最大拉壓應(yīng)力值小9.13%和14.34%；聯(lián)接段剛度為5.0EI～100.0EI的組合樁最大拉應(yīng)力增幅為0.56%～16.24%，最大壓應(yīng)力變幅為1.59%～-11.09%。

(4) 組合樁水平極限承載力受聯(lián)接段剛度影響較小，聯(lián)接段剛度100.0EI僅1.0EI時增加0.3%，因此聯(lián)接段加勁肋只需保證接樁牢固，而不必通過設(shè)置過多加勁肋來提升聯(lián)接段整體剛度。

5 結(jié) 論

(1) 接樁深度是影響上鋼下混組合樁水平極限承載力的最主要因素，對于樁徑1 m的組合樁，接樁深度小于8D時，組合樁水平極限承載力由PHC樁性能決定，接樁深度大于等于8D時，組合樁水平極限承載力由鋼管樁性能決定。

(2) 上鋼下混組合樁樁徑越大，所需接樁深度越大。當樁徑600 mm～1 400 mm組合樁選擇了合適的接樁深度9.2D～7.5D后，上部鋼管樁均能充分發(fā)揮材料強度，組合樁水平極限承載力與純鋼管樁相近。

(3) 聯(lián)接段長度和剛度對組合樁內(nèi)力分布、上部鋼管樁最大拉壓應(yīng)力和泥面處水平位移影響不大。

(4) 根據(jù)上鋼下混組合樁水平承載性能影響因素分析，綜合施工等因素，建議設(shè)計時上鋼下混組合樁的聯(lián)接深度不小于10D，聯(lián)接段在滿足接樁施工要求前提下，剛度不小于鋼管樁、長度以0.5 m～1.0 m為宜。