郭晶 戴國亮

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京210096；2.混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室(東南大學(xué)) 南京210096)

靜鉆根植竹節(jié)樁是由預(yù)應(yīng)力竹節(jié)樁、管樁和樁周水泥土組合而成的一種新型組合樁基，結(jié)合了鉆孔樁、預(yù)制樁和深層攪拌樁的優(yōu)點，施工過程中對周圍環(huán)境的擾動小并且能夠保證樁身完整性。 靜鉆根植竹節(jié)樁上段樁身采用復(fù)合配筋預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁或高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRHC或PHC)，下段樁身采用預(yù)應(yīng)力高性能混凝土擴(kuò)徑竹節(jié)樁(PHDC)，其下端常采用擴(kuò)底方式以改善組合樁的樁端受力性能。

靜鉆根植竹節(jié)樁是近年從日本引進(jìn)的新型樁，對其單樁極限承載力的設(shè)計計算理論尚未統(tǒng)一。 許多學(xué)者對其豎向受壓承載特性進(jìn)行了一系列研究，側(cè)重于采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬手段，研究靜鉆根植竹節(jié)樁的豎向荷載傳遞機(jī)理[1-3]，并與鉆孔灌注樁進(jìn)行對比[3-6]。 除此之外，還研究了竹節(jié)樁和水泥土性質(zhì)對豎向承載特性的影響[1-3，5，7，8]，但較少涉及抗壓破壞模式及承載力計算方法的研究。

本文基于靜鉆根植樁承載機(jī)理和類似組合樁的計算方法，提出考慮靜鉆根植竹節(jié)樁破壞模式的極限承載力計算方法，并通過寧波軌道交通工程1 號線靜鉆根植竹節(jié)樁現(xiàn)場靜載試驗數(shù)據(jù)驗證了其計算方法的合理性。

1 靜鉆根植樁承載機(jī)理及計算方法

竹節(jié)樁單樁豎向極限承載力由極限側(cè)阻和極限端阻組成，其中極限側(cè)阻由上段PRHC 或PHC樁和下段PHDC 樁組成。

1.1 樁側(cè)承載機(jī)理

當(dāng)承受豎向荷載時，上段樁的荷載主要作用于預(yù)制樁，荷載在沿樁身向下傳遞的過程中通過樁周的水泥土傳遞到樁周土中，即產(chǎn)生荷載雙層擴(kuò)散模式。 水泥土不直接分擔(dān)樁頂荷載，只起到了應(yīng)力傳遞的作用[9]； 下段樁由于竹節(jié)的存在使得竹節(jié)樁與樁周水泥土粘結(jié)效果更好，近似變形協(xié)調(diào)[6]。

1.2 樁端承載機(jī)理

靜鉆根植竹節(jié)樁端部的擴(kuò)底固化性能影響承載力的發(fā)揮。 通過現(xiàn)場試驗[6]和數(shù)值模擬[8]發(fā)現(xiàn)在荷載作用下，管樁軸力在樁端水泥土擴(kuò)大位置減小速度明顯加快，水泥土的軸力明顯增大，樁-水泥土相對位移很小。 表明樁端水泥土不僅可以增大樁土接觸面積，而且還可以分擔(dān)樁端阻力。 在施工過程中為了確保擴(kuò)底部的強(qiáng)度以及預(yù)制樁身和擴(kuò)大部分共同受力，會根據(jù)持力層土體的強(qiáng)度選擇注入水泥漿的強(qiáng)度。

1.3 現(xiàn)有的靜鉆根植樁承載力計算方法

《靜鉆根植樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(Q/NZD 002 -2011)[10]中單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式：

式中：Quk為單樁豎向極限承載標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk為樁身極限承載標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為樁端極限承載標(biāo)準(zhǔn)值；ui為樁身周長(竹節(jié)樁按樁節(jié)外徑計算，其他類型樁按樁身外徑計算)；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按預(yù)制樁實測值取值；li為樁穿越第i層土(巖)的厚度(樁端2m 范圍不計算側(cè)阻力)；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按預(yù)制樁實測值的三分之二取值；Ap為樁端擴(kuò)底部投影面積。

該公式認(rèn)為在上段PRHC 管樁或PHC 樁的側(cè)阻力破壞可能會發(fā)生在樁身與水泥土之間，而在下段PHDC 樁的側(cè)阻力破壞發(fā)生在竹節(jié)外側(cè)的水泥土或水泥土和鉆孔孔壁土之間。

2 靜鉆根植樁破壞模式

靜鉆根植樁側(cè)存在三對接觸面，分別為：芯樁與水泥土內(nèi)芯、芯樁與水泥土外殼以及水泥土外殼與樁周土，由于芯樁與水泥土內(nèi)芯接觸面高粘結(jié)強(qiáng)度，可將芯樁與內(nèi)芯視為整體[4]。 因此側(cè)阻力有兩種破壞模式，一種是破壞面出現(xiàn)在芯樁與水泥土外殼之間，另一種是水泥土與樁周土之間。 兩種破壞模式均有各自的理論和試驗依據(jù)。

2.1 水泥土-土界面破壞模式

不少學(xué)者通過現(xiàn)場試驗和模型試驗研究靜鉆根植樁的破壞形態(tài)，當(dāng)樁周水泥土厚度在一定范圍內(nèi)[4，7]：1.175r≤R≤2r+75mm(R為水泥土樁半徑，r為竹節(jié)樁樁身半徑)，通常會發(fā)生水泥土-土界面破壞。 徐禮閣[1]通過剪切試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土-水泥土接觸面的極限側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于水泥土-砂土接觸面的極限側(cè)摩阻力，可認(rèn)為樁側(cè)承載性能主要由水泥土-樁周土接觸面摩擦性質(zhì)控制。 周佳錦等[6，11]在現(xiàn)場試驗和模型試驗中與鉆孔灌注樁對比發(fā)現(xiàn)，靜鉆根植竹節(jié)樁側(cè)摩阻力同樣由水泥土-樁周土界面提供，如圖1a 所示。

2.2 芯樁-水泥土界面破壞模式

原位試驗和模型試驗研究表明[4]，若水泥土樁徑過小或者過大，均會發(fā)生芯樁-水泥土界面破壞。 原因是：過薄的水泥土外殼會導(dǎo)致相對于樁端擴(kuò)徑處，樁周部位摻加的水泥漿量較少，且由于上部軟弱土層的含水率較高，所形成的水泥土強(qiáng)度較低，樁與水泥土的剛度差異比較大，剪切會發(fā)生在二者的交界面上[9]，并沿樁身向下發(fā)展。 同樣，在相同的外芯水泥土樁徑條件下，過厚的水泥土外殼會降低抗壓剛度，使得竹節(jié)樁與水泥土之間的摩阻力大于樁與水泥土之間的粘結(jié)力，從而發(fā)生芯樁-水泥土界面破壞[2]。

楊淼[5]由ABAQUS 模擬發(fā)現(xiàn)，下部PHDC 樁在竹節(jié)上下存在2 到3 倍樁徑的應(yīng)力影響范圍，并且在水泥土擠壓處由于水泥土微變形形成的空殼區(qū)導(dǎo)致樁與水泥土接觸長度減少，不利于樁與水泥土的剪切，提出竹節(jié)影響系數(shù)ηz考慮竹節(jié)對水泥土側(cè)摩阻力發(fā)揮的影響。因此樁側(cè)阻破壞可能會發(fā)生在樁身與水泥土之間，即由樁-水泥土界面承載，如圖1b 所示。

圖1 靜鉆根植樁兩種破壞模式Fig.1 Two failure modes of static drill rooted nodular pile

3 靜鉆根植竹節(jié)樁承載力計算方法

3.1 水泥土-土界面破壞模式計算方法

根據(jù)以上分析，當(dāng)發(fā)生水泥土-土界面破壞模式，樁側(cè)阻力按外芯水泥土樁計算，可借鑒勁性復(fù)合樁的計算方法。 《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(DGJ32/TJ 151 -2013)[11]中在水泥土中施打預(yù)制樁(MC 樁)的復(fù)合單樁豎向抗壓承載力特征值計算公式：

式中：up為水泥土樁的周長；ξsi為樁身復(fù)合段側(cè)摩阻力調(diào)整系數(shù)；qsia為復(fù)合段第i土層水泥土樁側(cè)阻力特征值；ξp為復(fù)合段端阻力調(diào)整系數(shù)；qpa為水泥土樁(M 樁)或散體水泥土樁(SM 樁)樁端阻力特征值。

靜鉆根植樁工藝是在流塑狀的水泥土中壓入預(yù)應(yīng)力管樁，水泥土在壓力作用下很難滲入土體孔隙，對樁周土體的主要效應(yīng)是壓密，使得土的凝聚力和內(nèi)摩擦角得到提高，從而提高樁的側(cè)摩阻力。 錢錚[4]通過觀察掘出的整樁發(fā)現(xiàn)插入芯樁對水泥土及樁周土有三種效應(yīng)：(1)樁上部對高壓縮性土的擠擴(kuò)作用； (2)樁下部土孔隙較大時滲入； (3)樁下部提高水泥土的密度和彈性模量。根據(jù)現(xiàn)場試驗和模型試驗[3，6]，靜鉆根植竹節(jié)樁的水泥土-樁周土體接觸面摩擦性能優(yōu)于鉆孔灌注樁樁土接觸面，各個土層所提供的極限側(cè)摩阻力約為鉆孔灌注樁的1.05 ～1.10 倍，故第i土層水泥土樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik取鉆孔灌注樁樁側(cè)阻的 1.05 ～1.10 倍。

式中：Qsk1為靜鉆根植竹節(jié)樁在水泥土-土界面破壞模式下樁身承載力標(biāo)準(zhǔn)值；up為未擴(kuò)徑段水泥土樁周長；η1為樁周土對樁側(cè)阻力的擠密效應(yīng)系數(shù)，η1=1.05 ～ 1.1，根據(jù)具體的土體種類取值；qsik1為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按灌注樁實測值取值；li為樁穿越第i層土(巖)的厚度(擴(kuò)底部以及變截面以上2d范圍不計側(cè)阻力，d為未擴(kuò)徑段水泥土樁直徑)。

3.2 芯樁-水泥土界面破壞模式計算方法

根據(jù)以上分析，當(dāng)發(fā)生芯樁-水泥土界面破壞模式時，由于竹節(jié)樁與支盤樁的樁身均有突起，可參考擠擴(kuò)支盤樁支盤處承載力計算方法?！稊D擴(kuò)支盤樁混凝土灌注技術(shù)規(guī)程》[12]中單樁豎向抗壓承載力特征值計算公式：

式中：Qu為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；up為主樁樁干周長；qski為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁穿越第i層土折減盤高的有效厚度；qpkj為第j盤盤底土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Apj為扣除主樁身截面積后第j盤的水平投影面積；qpk為底盤所在土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為單樁盤底投影面積； 第二項計算第j支盤的承載力，η為盤底極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)，與承力盤位置和盤徑有關(guān)，根據(jù)盧成原等[13]的分析，還應(yīng)該考慮支盤j的擠密效應(yīng)系數(shù)βj=1.1 ～1.3。 由于擠擴(kuò)支盤樁各支盤下部土體分擔(dān)了軸力導(dǎo)致盤上下界面軸力突變，而竹節(jié)樁在竹節(jié)處不直接分擔(dān)樁身軸力[8]，故無需單獨計算竹節(jié)處的承載力。

上段PRHC 管樁或PHC 樁部分按預(yù)制樁身計算側(cè)摩阻力。 根據(jù)其成樁機(jī)理，其芯樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik2應(yīng)略小于預(yù)制樁，同時應(yīng)大于外芯水泥土與樁周土之間的極限側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值qsik。

下段PHDC 樁部分按竹節(jié)計算。 通過擴(kuò)大系數(shù)η2來考慮竹節(jié)對樁側(cè)阻力的放大效應(yīng)，該系數(shù)與竹節(jié)長度比以及竹節(jié)間距等變量有關(guān)[3]。 由上述支盤和竹節(jié)的擠密原理可知竹節(jié)的擠密效應(yīng)系數(shù)η2＜βj； 試驗研究發(fā)現(xiàn)[1]竹節(jié)樁段軸力隨深度遞減速率大于上部圓形截面管樁，因此竹節(jié)周圍的水泥土發(fā)揮的作用大于上部管樁η2＞1.0，取η2=1.0 ～1.1。 該系數(shù)與周佳錦通過對竹節(jié)樁試樁數(shù)據(jù)分析得到的系數(shù)ηs= 1.05 ～1.10[14]接近。

式中：Qsk1為靜鉆根植竹節(jié)樁在芯樁-水泥土界面破壞模式下樁身承載力標(biāo)準(zhǔn)值；uns為上段PRHC 或 PHC 樁周長；qsik2為芯樁樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取值介于預(yù)制樁和外芯水泥土樁，一般可取為相應(yīng)預(yù)制樁推薦值；unx為下段PHDC 樁竹節(jié)處周長；η2為竹節(jié)樁擠密效應(yīng)系數(shù)，η2=1.0 ～1.1，根據(jù)具體的土體種類取值；li為樁穿越第i層土(巖)的厚度(擴(kuò)底部以及變截面以上2d范圍不計側(cè)阻力，d為上段樁身直徑)。

3.3 樁端阻力

理論計算[2]以及數(shù)值模擬[4]發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)徑處水泥土與芯樁對外力的反應(yīng)較為同步，說明將擴(kuò)徑處的竹節(jié)樁與水泥土作為整體進(jìn)行樁端承載性能分析是比較合理的。

《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》中是以整個攪拌區(qū)域作為截面面積計算勁性攪拌樁樁端阻力，其中等芯MC 樁的復(fù)合段水泥土樁端阻力調(diào)整系數(shù)ξp=0.6 ～0.8[11]。 考慮地質(zhì)條件和綜合管理的影響，靜鉆根植竹節(jié)樁的復(fù)合水泥土樁端阻力的調(diào)整系數(shù)η3=0.6。

式中：Qpk為靜鉆根植竹節(jié)樁樁端承載力標(biāo)準(zhǔn)值；η3為樁端阻力修正系數(shù)；qbk為樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按預(yù)制樁實測值取值；Ab為擴(kuò)徑處攪拌區(qū)的截面積。

綜上所述，靜鉆竹節(jié)樁的單樁極限承載力計算公式表示如下：

4 工程實例

為了驗證本文所提出的靜鉆根植竹節(jié)樁豎向抗壓極限承載力計算方法的合理性，依托浙江寧波軌道交通中靜鉆根植竹節(jié)樁的承載力試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

4.1 試樁概況和地質(zhì)條件

本次寧波軌道交通項目靜載測試選取兩根試樁S2 和S4，均為靜鉆根植竹節(jié)樁。 總樁長均為64m，擴(kuò)底高度3m，樁頂露出地面0.6m，樁身采用C80 混凝土。 選用竹節(jié)處直徑為800mm，樁身直徑為600mm 的竹節(jié)樁，與直徑為800mm 的管樁搭配使用。 S2 與S4 采用相同的配樁方式，上部為 15mPRHC800(130)、15mPHC800(130)AB、8mPHC800(130)AB、11mPHC800(130)AB，下部為15mPHDC800 -600(130)。 試樁相關(guān)參數(shù)見表1 和圖2，地質(zhì)資料見表2。

表1 試樁參數(shù)Tab.1 Parameters of test piles

圖2 竹節(jié)樁樁身示意Fig.2 Sketch of nodular pile

表2 地質(zhì)鉆孔參數(shù)Tab.2 Parameters of the geological borehole

4.2 自平衡試驗結(jié)果

本工程的兩根靜鉆根植竹節(jié)樁的靜載試驗均采用自平衡法。 荷載箱加卸載采用慢速維持荷載法，按照《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106 -2003)[15]及《基樁靜載試驗 自平衡法》(JT/T 738-2009)[16]進(jìn)行。 每級加載為預(yù)定加載值的1/10，第一級按兩倍荷載分級加載； 每級卸載量為2 個加載級的荷載值。

根據(jù)試驗所測得數(shù)據(jù)經(jīng)整理后得到兩根試樁的荷載-位移曲線如圖3 所示。 當(dāng)加載至第12級(對應(yīng)加載值為2 ×7800kN)時，S2 向上位移1.19mm，向下位移 6.94mm； S4 向上位移1.72mm，向下位移7.23mm。 此時繼續(xù)加載，荷載超過設(shè)計要求加載值及荷載箱最大承載能力，故終止加載，開始卸載。 所以，S2 和 S4 試樁在荷載箱以上樁段及以下樁段的極限抗壓承載力均為第12 級加載值Quu=7800kN，Qlu=7800kN。

圖3 試樁自平衡測試曲線Fig.3 Self-balance curves of test piles

根據(jù)《基樁自平衡法靜載試驗技術(shù)規(guī)程》(DGJ 32/T77 -2009)[17]，利用試樁的最終加載值計算各試樁的極限承載力，如表3 所示。 根據(jù)位移協(xié)調(diào)原則將自平衡實測的向上、向下兩條荷載-位移曲線，采用精確轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)靜載試驗等效的樁頂荷載-位移曲線，如圖4 所示。

表3 試樁抗壓承載力計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of the pile compression bearing capacity

圖4 S2、S4 等效轉(zhuǎn)換曲線Fig.4 Equivalent transformation curves of S2 and S4

4.3 驗證結(jié)果

因為S2 與S4 采用相同的配樁方式，并且樁周土況相同，所以其豎向抗壓承載力相等。

根據(jù)上述理論分析，靜鉆根植竹節(jié)樁可能發(fā)生兩種破壞模式。 若樁周土體強(qiáng)度不足導(dǎo)致水泥土-土界面破壞模式，即采用式(7)計算單樁極限承載力，計算結(jié)果為：Qu1=16775kN； 若內(nèi)外芯之間有錯動，混凝土高強(qiáng)預(yù)制樁刺入土中導(dǎo)致芯樁-水泥土界面破壞模式，即采用式(8)計算單樁極限承載力，計算結(jié)果為：Qu2=16492kN；靜鉆根植竹節(jié)樁極限承載力計算值應(yīng)取兩種破壞模式中的較小值，即該工程中的靜鉆根植竹節(jié)樁的極限破壞模式為芯樁-水泥土界面破壞模式，故Qu=min(Qu1，Qu2)=16492kN。

現(xiàn)場靜載自平衡試驗測得的極限承載力為16773kN，所以按本文公式計算所得承載力極限值(Qu=16492kN)與現(xiàn)場試驗測得竹節(jié)樁承載力極限值較為接近，且計算所得值小于實測值，即計算所得值偏安全。 說明本文提出的極限承載力計算公式具有一定的實際意義。

5 結(jié)論

本文提出靜鉆根植竹節(jié)樁兩種破壞模式下的極限承載力計算方法，取較小值作為極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。 得到以下結(jié)論：

1.當(dāng)發(fā)生水泥土-樁周土界面破壞模式時，按水泥土樁周長計算樁側(cè)極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，樁側(cè)土層的極限側(cè)阻取為灌注樁的1.05 ～1.10 倍；當(dāng)發(fā)生芯樁-水泥土界面破壞模式時，按照預(yù)制樁周長計算，樁側(cè)土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值介于擠土樁和水泥土-樁周土界面破壞側(cè)阻之間，一般可取預(yù)制樁的推薦值，同時在竹節(jié)處考慮擠密效應(yīng)系數(shù)。

2.在計算靜鉆根植竹節(jié)樁的樁端承載力時，除了考慮樁端擴(kuò)大頭對靜鉆根植竹節(jié)樁樁端承載力的改善作用，還要考慮地質(zhì)條件和綜合管理的影響，按照預(yù)制樁樁端阻力取值時，選取折減系數(shù)η3為 0.6。

3.基于工程中試樁數(shù)據(jù)和實測的土層參數(shù)，根據(jù)本文提出的計算方法得到靜鉆根植樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與實測極限值較為接近，對靜鉆根植樁計算方法有一定的參考價值。