汪貴華，張 恒，黃俊光，李偉科

（1、湯和控股有限公司 廣東 珠海 519000；2、廣州市設計院集團有限公司 廣州 510620；3、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

0 引言

隨著大型橋梁、超高建筑、高速鐵路的迅猛發(fā)展，對基礎的承載、變形能力、功能性及經濟效益提出了更高的要求，最大限度地發(fā)掘地基承載潛力，充分利用構件承載特性，成為時下研究的熱點。在此背景下，各種異型承載構件層出不窮，其中異型樁因其獨特的承載優(yōu)勢逐漸受到了工程技術人員的青睞，而變截面樁就是其中一種。古時候人們就曾將樹干倒置作為房屋基礎的主要支撐結構，這也是最早的變截面樁，到了現(xiàn)代，利用變截面樁的工程案例更是屢見不鮮。變截面樁是在傳統(tǒng)等截面樁形式基礎上研究發(fā)展起來的一種新型結構的樁型，與傳統(tǒng)樁型有所不同，變截面樁的樁身截面尺寸或形狀大小沿著樁身軸向發(fā)生變化，依據樁體構造形式可以分為楔形樁、擴底樁、階梯型變截面樁、擠擴支盤樁等，而階梯型截面樁由于更加符合軸力沿樁身向下傳遞呈現(xiàn)上大下小的特征，且制作施工方便可靠，因而在工程建設中得到了廣泛的應用。本文首先從理論、數(shù)值、試驗等方面論述了變截面樁承載特性的研究現(xiàn)狀，然后重點分析了階梯型變截面樁橫向和豎向荷載作用下位移和應力變化特征，以及施工過程的關鍵影響因素，以期為實際工程中樁型選擇與施工提供有益指導。

1 變截面樁承載特性研究現(xiàn)狀

希臘工程技術人員將上部3 m范圍內的樁徑擴大一倍，使得單樁的豎向極限承載力提高了約30%［1］，這一試驗結果引起了廣泛的關注。后來，科威特大學的ISMAEL［2］對變截面樁在水平荷載下的承載特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著樁體變截面段尺寸的增大，單樁的水平承載力增加而位移減小，這主要是因為橫截面增大后樁身抗彎剛度加強。ISMAEL［3］還通過現(xiàn)場試驗研究了變截面樁的水平承載特性。另外，PAIK 等人［4-5］也對變截面樁的承載特性進行了一系列研究。

相較于國外，國內對變截面樁的研究起步較晚，首次應用是在20世紀80年代廣東省九江大橋主墩基礎建造工程。經過幾十年的發(fā)展，許多研究人員從理論分析、室內模型和現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等方面對變截面樁加以研究。

1.1 理論研究方面

方燾等人［6］分析了變截面樁承載特性及變形規(guī)律，并基于臨界狀態(tài)假設建立了變截面樁的容許承載力計算理論。王景梅等人［7］結合變截面樁橫向靜荷載作用下的變形及受力特性推導得出理論計算模型，并根據實際水平承載試驗驗證了理論的有效性。王小敏等人［8］采用地基反力系數(shù)對變截面樁樁徑比、變截面位置的初步確定提供了理論依據。楊有蓮等人［9］對比分析了變截面樁和等截面樁在豎向荷載作用下荷載傳遞機理的異同。

1.2 室內模型和現(xiàn)場試驗方面

王駿煒［10］利用室內大比例模型試驗對比分析了變截面樁和等截面樁豎向承載特性差異。羅照等人［11］采用自制試驗裝置對變截面樁沉降規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)最佳樁徑比介于0.9～0.8 之間，這與王振波等人［12］的研究結論一致；劉新榮等人［13］研究發(fā)現(xiàn)當變截面段占整個樁長的40%～50%時效率最高，超過50%后，對提高橫向承載力作用有限。黃禮勝［14］研究發(fā)現(xiàn)階梯形變截面管樁樁端反力明顯小于等截面管樁樁端反力，說明階梯形變截面管樁與樁周土的相互作用明顯強于等截面管樁。

1.3 數(shù)值計算方面

董瓊英等人［15］運用有限元分析軟件研究了豎向荷載下不同變形階段，變截面樁與等截面樁的受力差異，發(fā)現(xiàn)在彈性變形階段，等截面樁比變截面樁身沉降較小，在塑性屈服階段，變截面樁與等截面樁的承載力幾乎一致。王緯東［16］采用FLAC 3D 軟件對不同變截面長度的變截面樁在橫向荷載作用下位移及應力進行研究，認為當變截面位置在樁總長的47%左右時，樁身位移及應力差值較小。張龍等人［17］考慮了變截面樁幾何尺寸和土層分布的影響，對變徑比與豎向承載力關系進行數(shù)值分析。

2 階梯型變截面樁承載特性分析

階梯型變截面樁是指樁身截面沿軸向呈階梯型逐漸減小的樁型，在受力特性方面，階梯型變截面樁的受力更加合理，增大了樁身橫截面積有利于達到提高承載力的效果，尤其是在層狀土中，通過在良好土層中增大樁身截面，提升樁周側摩阻力，充分發(fā)揮該層土的承載能力；而縮減樁身的橫截面積，又可以節(jié)省工程材料及造價，從而獲得較好的經濟效益。

2.1 豎向承載特性

一般情況下，單樁豎向承載力可以根據樁端阻力、樁側摩阻力和樁身自重按照靜力學原理計算得到，如式⑴所示，而樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮過程也就是樁-土荷載的傳遞過程。當樁頂承受豎向荷載后，樁身產生壓縮位移，樁側土體對樁身產生向上的摩阻力，樁頂荷載通過摩阻力傳遞到樁側土體。隨著豎向荷載的加大，樁端產生豎向沉降和樁端反力，而樁端沉降加大了樁土相對位移，促使樁側摩阻力的進一步發(fā)揮。O'NEIL［18］研究發(fā)現(xiàn)，當樁基沉降量達到5～10 mm 時，樁側摩阻力即已達到極限，而樁端阻力通常在沉降量達到樁徑的10%以上時才完全發(fā)揮，因而樁側摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮，且靠近樁身上部土層的側摩阻力先于下部土層發(fā)揮。

式中：Qu為單樁豎向豎向承載力；Qpu為端阻力；Qsu為側阻力；Wp為樁身自重；dz為樁長積分項；fpu、fsu分別為極限荷載作用下樁端土阻力和樁側摩阻力；D為樁身直徑；Ap為樁端面積。

對于階梯型變截面樁，其樁端阻力包括樁尖阻力和變截面處端阻力，而變截面端阻力的發(fā)揮介于側阻力和樁尖阻力之間，因而豎向荷載作用下，階梯型變截面樁受力可以簡化為3 種臨界狀態(tài)：變截面段樁側阻力全部發(fā)揮為第一臨界狀態(tài)；變截面端阻力達到極值為第二臨界狀態(tài)；樁端阻力開始發(fā)揮為第三臨界狀態(tài)，具體如圖1所示。

圖1 階梯型變截面樁受力簡化圖Fig.1 Simplified Diagram of Stepped Variable Section Pile under Vertical Load

在實際工程中，由于截面發(fā)生突變、地層復雜等原因，階梯型變截面樁豎向荷載傳遞特性與理論有很大的差異，某實際工程中測得的階梯型變截面嵌巖樁的豎向荷載傳遞分布規(guī)律［19］如圖2所示，由圖2可知，階梯型變截面樁由于樁身斷面發(fā)生突變而使荷載傳遞出現(xiàn)了更加復雜的情況。荷載傳遞規(guī)律圖可以很好的說明該樁的荷載傳遞特性，由圖2 可以簡要得出階梯型變截面樁豎向荷載傳遞的一些特性：

⑴變截面段的底面和側面是豎向荷載傳遞的主要途徑。當樁頂荷載增加時，變截面段的軸力變化最明顯，而下部樁身和樁端軸力的變化則十分微弱，說明荷載首先通過變截面端底和樁身傳遞。同時，從圖2 中還可以明顯看出，通過利用上部較好土層的承載力，變截面段承擔的荷載占總荷載的半數(shù)以上，從而可以有效縮短總樁長。

圖2 變截面嵌巖樁豎向受力特征Fig.2 The Stress Pattern of Variable Section Rock-socketed Pile under Vertical Load

⑵變截面段底面與樁底面類似，也是豎向荷載的主要傳遞途徑，并引起變截面段底面以下土體的壓縮和沉降：①壓縮后土體變得更加密實，物理力學性能增強，增強了樁土相互作用，有利于將荷載傳遞到樁周土；②當樁周土沉降量大于樁身沉降量時，局部樁身會產生負摩阻力，并影響下部樁身摩阻力的充分發(fā)揮。

⑶嵌巖段樁身與基巖之間具有很高的阻力，可以傳遞大量的荷載，但在變截面的情況下，由于上部樁身先于下部樁身已把大量荷載傳遞給性質較好的上覆土層，以致嵌巖段的阻力不能充分發(fā)揮，即只傳遞很少的荷載，因而階梯型變截面樁是以摩阻力為主的摩擦支撐樁。

2.2 橫向承載特性

相較于豎向承載特性，階梯型變截面樁的橫向承載特性更加復雜，與樁長、樁周土性質、變截面段長度、樁徑比、橫向荷載作用等多種因素相關。王景梅等人［9］基于winkler 假設和等截面樁水平承載力計算公式，建立變截面樁基的受力模型理論計算得到的變截面樁身彎矩和樁頂水平位移變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在樁頂施加橫向荷載后，樁身彎矩先是隨深度的增加而增大，然后隨深度的增加而減小，并在變截面附近樁身彎矩減小到0 kN·m，也就是樁身的反彎點，隨后樁身彎矩反向增加，對于變截面以下的樁身，彎矩變化并不十分明顯。從總體來看，樁身彎矩最大值和大部分均由變截面以上樁體承擔，增大變截面尺寸，可以提供更高的抗彎剛度，從而增加樁基的橫向承載能力；而樁頂位移則隨著荷載的增加呈明顯的非線性變化，并隨著荷載的增加，變形幅度逐漸增大。

圖3 階梯型變截面樁彎矩位移理論值Fig.3 Theoretical Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

同樣，由于截面的突變，橫向荷載作用下階梯型變截面樁身應力和位移變化更加復雜，且變化規(guī)律與理論預測差別較大。方燾［20］基于室內模型試驗測得的樁身彎矩和位移曲線如圖4所示，可以看出，樁身彎矩分布規(guī)律復雜，隨著變截面位置的下移，彎矩曲線逐漸由單峰曲線過渡到雙峰曲線，然后又重新回歸為單峰曲線，由此可見，變截面位置對樁身彎矩分布影響顯著，優(yōu)化變截面位置會使樁身受力更加合理。從樁身位移曲線可以看出，很小的橫向荷載作用下，樁身位移表現(xiàn)明顯的非線性，這與上述理論相似，而隨著變截面的下移，樁身位移差值減小，即存在最佳變截面位置，超過此位置后，增加變截面段長度對提高橫向承載力的作用不明顯。

圖4 階梯型變截面樁彎矩位移實測值Fig.4 Measured Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

3 施工關鍵技術

階梯型變截面樁施工通常采用沉井（護筒）、鉆孔（挖孔）和樁端壓漿等幾種傳統(tǒng)工藝相結合方式，而施工工藝的選擇往往也是決定成樁效果的關鍵因素。

3.1 鋼護筒措施

從階梯型變截面樁承載特性可以看出，變截面段是荷載傳遞的主要途徑，采用鋼護筒方式可以更好地發(fā)揮變截面的承載效應，而鋼護筒的埋置深度除了滿足《建筑樁基技術規(guī)范：JGJ 94—2008》要求外，其本身也要有一定的剛度，保證在埋設過程中不會發(fā)生變形，且鋼護筒一般應打入相對穩(wěn)定的土層，并進入一定的深度，能承受其上施工平臺的荷載。

對于鋼護筒的直徑應按照式⑵計算確定：

式中：d為鉆孔形成的樁徑；α為護筒直徑增大系數(shù)，建議取值為1.1～1.3，但考慮到施工需要，護筒直徑增大值不宜小于20 cm。

鋼護筒埋設可采用上埋式、下埋式和下沉埋設。埋設過程中應注意平面位置準確，護筒四周應夯填密實的粘土，護筒底應埋置在穩(wěn)固的黏土層中，如無法實現(xiàn)，應換填粘土并夯實密度，其厚度一般為0.5 m。

3.2 鉆孔設備及方法

階梯型變截面樁施工的關鍵技術之一就是鉆孔設備及鉆孔方法，鉆孔設備的選擇應根據地質情況、水文條件、施工周期、場地環(huán)境等因素綜合確定，同種設備在不同性質土體中的鉆孔直徑也有差異，因此應根據具體地質情況選擇合適鉆孔設備。

鉆孔方法可采用高速、控壓法，在等截面段正常鉆進，變截面段時，吊緊鋼絲繩，使鉆具處于拉伸狀態(tài)，讓每根鉆具充分伸展，高速鉆進過程中切削孔壁，并利用泥漿旋流作用沖刷孔壁土層，等充分回轉后，再緩緩松動鋼絲繩，控制進尺速度，達到擴孔的目的；其次還可以采用變截面成孔器，通過控制擴徑刀桿的收縮與舒張，從而在特定位置處形成不同直徑的樁孔。此外，還可以采用預制樁拼接方法，然后壓入土體中，但此種方法僅適用于強度較低的地層，且在壓樁過程中在變截面處容易形成應力集中，造成樁體破壞。

3.3 護壁泥漿選擇

護壁泥漿也是施工的關鍵影響因素之一，尤其對于大直徑樁的鉆孔施工，因泥漿選擇不當造成的塌孔案例屢見不鮮。高效可靠的護壁泥漿能夠保證復雜地層中孔壁的穩(wěn)定性，確保成孔、成樁質量，提高施工效率。在變截面樁施工中，往泥漿里加入絮凝劑聚丙烯酰胺可以保持泥漿不分散、低固相、低密度、低粘度的性能，從而提高施工速度，降低擴孔率，并能在遇到滲透性較大地層時發(fā)揮防漏堵漏作用，有效降低鉆孔成本。

4 結語

本文從承載特性和施工技術總結了變截面樁的研究現(xiàn)狀，并得出以下主要結論：

⑴變截面樁主要通過變截面段底面端阻力和側面摩阻力傳遞豎向荷載，相較于等截面樁，可以充分利用上覆良好土層，并通過壓密下層土體，使受力更加合理。

⑵橫向荷載作用下，樁身彎矩大部分由變截面段樁體承擔，通過增大變截面尺寸，可以提供更高的抗彎剛度，從而增加變截面樁的橫向承載能力，但也存在最佳變截段比例，超過此比例后，對提高變截面樁橫向承載能力意義不大。

⑶施工工藝的是決定變截面樁成樁效果的關鍵因素，采用鋼護筒方式可以更好的發(fā)揮變截面的承載效應，鋼護筒直徑、埋深、鉆孔設備及方式、護壁泥漿等方面應根據具體工程地質條件選擇。

⑷變截面樁受力相對合理，但影響因素也較多，受力變形情況也較為復雜，未來還需進一步改進研究，以更好地應用于實際工程。