灌注桩成孔型式对桩侧摩阻力影响范文

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《太原理工大学学报》20156年第一期

摘要：

通过现场试验和室内模型试验，采用空底桩单桩竖向抗压载荷的方法测定桩侧摩阻力。研究结果表明，灌注桩的侧摩阻力会随着桩周土密实度的增长而提高；挤土成孔桩和螺旋灌注桩的侧摩阻力相对于非挤土桩有了明显提高；给出了非挤土挖孔桩、挤土成孔桩和螺旋挤土桩的极限侧摩阻力的计算。研究成果用以指导桩基础的设计和施工，能使之达到经济合理的目的。

关键词：

灌注桩；桩侧摩阻力；成孔型式；密实度

桩基础［1］的承载力是桩与土共同作用的结果，其间的应力传递机理与过程极其复杂。桩在竖向荷载作用下，桩侧摩阻力的发挥先于桩端阻力，桩侧摩阻力对基桩承载力的贡献占有很重要的地位，特别是对于没有很坚硬桩端土层的桩、长径比大的超长桩，提高桩侧摩阻力的措施和准确确定桩侧摩阻力对桩基承载力的设计意义重大，这样，分析桩侧摩阻力的影响因素是很有必要的。近年来，许多学者开展了关于桩侧摩阻力的影响因素的研究，并取得了一定的成果。李辉等［2］总结说，桩周土的性质是影响桩侧摩阻力最直接的决定因素，一般说来，桩周土的强度越高，相应的桩侧摩阻力就越大；Massakiro，etal［3］提出，非黏性土中的桩侧摩阻力存在着明显的尺寸效应，这种尺寸效应源于钻、挖孔时侧壁土的应力松弛；施峰等［4］进行了300根埋设量测元件的人工挖孔桩承载力的测试，得出在同样的桩侧土条件下，桩端持力层强度越高，桩端阻力越大，桩端沉降越小，桩侧摩阻力就越高。学者们从桩周土性质、桩的几何特征、桩端条件等不同角度进行了研究，分析了其对桩侧摩阻力的影响，但很少人深入研究灌注桩的成孔型式和桩周土密实度对桩侧摩阻力的影响。在研究和工程实践中发现，桩的成孔型式和桩周土的性质是桩侧摩阻力的主要影响因素。桩基础根据其成桩孔工艺对土层的影响可以分为非挤土成孔桩、部分挤土成孔桩和挤土成孔桩三大类［5］。非挤土挖孔桩应用很广，而挤土成孔桩由于桩径较小，桩长短，承载力低，很难满足设计要求，应用范围较小，所以，新型的螺旋挤土桩［6］就应运而生。桩的成孔型式不同，桩侧摩阻力的发挥也不同。同样，桩侧摩阻力的发挥也与桩周土的性质密切相关，而桩周土的性质重要表现为桩周土密实度（文中的密实度，定义为土体干密度与最大干密度的比值），且也与桩成孔型式有关。因此，研究灌注桩的成孔型式和桩周土密实度等因素对桩侧摩阻力的影响，对于充分发挥桩侧摩阻力，进而提高桩基单桩承载力，有着现实意义和社会意义，研究成果用以指导桩基础的设计和施工，能使之达到经济合理的目的。笔者结合现场试验和室内模型试验，针对不同成孔型式、不同密实度的桩周土体，分析灌注桩侧摩阻力的影响因素。

1桩侧摩阻力的现场试验测试

桩侧摩阻力与桩土界面的法向应力（即侧向土压力强度）有着密切的关系［5］，而桩周土的密实度会对桩土界面的法向应力有着直接影响，即桩周土密实度的大小会对桩侧摩阻力产生影响。现场在经过沉管挤密法和预钻孔夯扩挤密法［7］处理后的地基土上进行了非挤土挖孔桩侧摩阻力测试。沉管试验区坑底以下依次为松散填土（厚约17．6m）、冲填土（厚约11．5m）、黄土状粉土（厚约2m）、卵石层，沉管挤密法处理后地基土的平均密实度ηc为0．90；而预钻孔夯扩挤密试验区坑底以下地层依次为人工填土（厚约11m）、黄土状粉土（厚约31．6m）、卵石层，预钻孔夯扩挤密法处理后地基土的平均密实度ηc为0．94。桩侧摩阻力测试采用受压空底桩法。空底桩在钢筋笼底部焊接一个20mm厚圆形钢板，钢板直径略小于桩孔直径，浇筑混凝土时将钢筋笼吊住，使其底部悬空1m，由此得的摩阻力更接近实际，测试结果如表1所示。从表中可以看出，桩周土平均密实度达到0．90时，对应的非挤土挖孔桩的极限侧摩阻力平均值为64～82kPa，而桩周土平均密实度达到0．94时，对应的非挤土挖孔桩的极限侧摩阻力平均值为86～117kPa，桩侧摩阻力提高34％～44％。非挤土挖孔桩一般施工在以同一密实度均匀分布的天然地基和人工地基（人工地基经挤密处理后，土体由于多桩挤土效应的重叠，而且随机布桩，近似可看成密实度是均匀分布的）上，所以非挤土挖孔桩的桩周土密实度是均匀分布的；而挤土成孔桩和螺旋挤土桩在成孔过程中，发生了侧向挤密作用，导致靠近桩体的土体密实度较高，而远离桩体的土体密实度较低，所以挤土成孔桩和螺旋挤土桩的桩周土体密实度是沿着径向逐渐减小的渐变分布。灌注桩成孔型式和桩周土密实度分布形式的不同，对桩侧摩阻力的影响也不同，室内试验分别进行了测试。

2非挤土挖孔对桩侧摩阻力的影响

在室内模型试验中，所用土样取自兰州市榆中县的黄土，土质均匀，属粘质粉土。采用分层夯实法配制不同密实度的均匀地基土，三种桩的桩径均为60mm，桩长为280～300mm。非挤土挖孔桩是利用自制洛阳铲取土成孔，挤土成孔桩是利用反力架和千斤顶将挤土钻头压入地基土中成孔，螺旋挤土桩是人工控制扭矩和竖向压力掘进螺旋钻头成孔，成孔后均灌注水泥砂浆成桩，之后在自然条件下养护28天。最后利用反力架、千斤顶和应力环进行桩侧摩阻力测试，以研究桩周土体均匀的密实度对桩侧摩阻力的影响。所测的非挤土挖孔桩极限侧摩阻力随桩周土密实度的变化结果如表2、图1所示。由表2和图1中可知，非挤土挖孔桩的极限侧摩阻力会随着桩周土密实度增长而提高，每提高0．01的密实度，增长幅度为3～5kPa，但增长幅度逐渐变小。可见，工程中使用非挤土挖孔桩，当桩承载力难以满足设计要求时，可先对地基土进行处理，使其密实度达到一定数值，从而提高桩侧摩阻力，满足承载力的要求。表2中还列出了现场试验的两组数据，由此可以看出，室内模型试验与现场试验数据比较吻合，说明本次室内模型试验的数据还是比较接近实际情况，具有很好的实际参考价值。

3挤土成孔对桩侧摩阻的影响

通过试验研究挤土成孔桩桩周土密实度的分布规律、对桩侧摩阻力的影响以及桩侧摩阻力的计算。室内模型试验得到挤土成孔和非挤土挖孔两种工艺的灌注桩极限侧摩阻力，结果如图2所示。由图2可知，当地基土初始密实度相同时，挤土成孔桩的极限侧摩阻力相对于非挤土挖孔桩提高了28％～68％，且随着地基土初始密实度增长，极限侧摩阻力的提高幅度逐渐变小，原因就是非挤土挖孔过程中几乎不改变桩周土的密实度，而挤密成孔过程中的侧向挤密作用会提高桩周土体的密实度，增大侧向土压力强度，极限侧摩阻力也相应提高；随着地基土初始密实度的增长，逐步接近最大密实度，挤土成孔的难度增大，桩周土体密实度的增长缓慢，极限侧摩阻力的提高幅度也相应减小。挤土成孔桩的桩周土密实度为沿着径向逐渐减小的渐变式，其对桩侧摩阻力的影响应取决于桩周一定范围内土体的密实度，首先取地基土初始密实度为0．85的挤土成孔桩作为研究对象。测试得到挤土成孔桩桩周土密实度沿径向距离的分布如图3，可以看出，密实度变化呈下降趋势，而且在一定范围内，桩周土的密实度变化很快，然后变化较缓，密实度沿径向的分布规律符合幂指数函数，可以用式（2）表示。由图3可知，在0．5d～1．5d范围内，桩周土密实度急剧变化，其间变化近似于直线，称之为“有效挤密区”，故采用“有效挤密区”的平均密实度评价挤土成孔的挤土效果，以此来进行桩侧摩阻力数值的分析。对式（2）积分求取“有效挤密区”内的平均密实度为ηc＝0．91，此时对应的挤土成孔桩的极限侧摩阻力为94kPa。而桩周土均匀分布的密实度为0．91的非挤土挖孔桩对应的极限侧摩阻力为85kPa。挤土成孔桩的极限侧摩阻力相对于非挤土挖孔桩提高了10．6％。其他情况也按上述方法操作，得到的结果如表3所示。如表3所示，挤土成孔桩的极限侧摩阻力都高于非挤土挖孔桩。尽管两种桩型的桩周土一定范围内的平均密实度相同，但挤土成孔桩周土体渐变的密实度更有利于侧摩阻力的发挥。挤土成孔桩离桩土界面近的土体密实度偏高，而距离桩土界面越近的土体对桩侧摩阻力的贡献越大，这样高密实度的土体会对侧摩阻力产生很大贡献，导致侧摩阻力的提高。这种挤土成孔桩周土体渐变的密实度对桩侧摩阻力的影响用系数β1修正，β1可取1．15。所以，挤土成孔桩桩身极限侧摩阻力与桩周土密实度关系可以用式（3）表示。

4螺旋挤土对桩侧摩阻的影响

螺旋挤土桩属于典型的挤土成孔桩类型，其桩径为250～800mm，最大桩长可达30m，其利用特制的螺旋钻头将桩孔中的土体挤入桩周和桩下土体之中，并在挤扩成的桩孔中进行混凝土压灌成桩，最终形成圆柱形的挤扩桩。此桩适用于可压缩的砂土、粉土、黄土、黏土和强风化土地层，且在兰州新区已有工程采用螺旋挤土灌注桩。螺旋挤土桩的桩周土体密实度的径向分布型式与挤土成孔桩相同，都是渐变式，如图4所示。分析比较“有效挤密区”内的两种桩周土体的密实度，螺旋挤土桩比挤土成孔桩只高出约0．5％，也就是说，螺旋挤土桩与挤土成孔桩的挤密效果相差不大。但螺旋挤土桩的极限侧摩阻力却大于挤土成孔桩的6．2％，如图5所示。分析原因可知，螺旋挤土钻头下旋过程中，土体受到螺旋钻头旋转挤扩作用的情况下，螺纹削切土体，类似于土体受到剪切作用，钻头螺纹接触的土颗粒发生重新排列，挤密后的土体表面成螺纹型，造成灌注桩与桩周土有相较于挤土成孔桩更明显的“啮合”效应［8］，这增加了土体与桩接触面的粗糙程度，因而螺旋挤土桩的桩侧极限摩阻力会大于挤土成孔桩的。这种“啮合”效应对桩侧摩阻力的贡献可用系数β2修正，通过对比试验测得的桩侧摩阻力值，螺旋挤土桩的桩侧摩阻力修正系数β2可取1．05。

5结论

1）通过现场工程试验可知，地基土平均密实度达到0．90，0．94时，对应的非挤土挖孔桩的极限侧摩阻力分别为74kPa，100kPa，相比原状土的极限侧摩阻力有了很大提高。2）非挤土挖孔桩的极限侧摩阻力随着桩周土密实度的增长而提高，变化关系符合对数函数，可用公式psk＝187＋52ln（ηc－0．77）表示。3）当地基土初始密实度相同时，挤土成孔桩的极限侧摩阻力相对于非挤土挖孔桩的有了明显提高，但随着地基土初始密实度增长，极限侧摩阻力的提高幅度逐渐变小。4）采用“有效挤密区”内的平均密实度评价挤土成孔的挤土效果，这样，挤土成孔桩周土体渐变的密实度对桩侧摩阻力的影响可用系数β1＝1．15修正。5）螺旋挤土桩与挤土成孔桩的挤土效果相差不大，但螺旋挤土桩的“啮合”效应也会使桩侧摩阻力提高，其贡献可用系数β2＝1．05修正。

参考文献：

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑桩基技术规范：JGJ94—2008［S］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［2］李辉，李进军，丁永君．桩侧摩阻力和端阻力的影响因素分析及其应用［J］．工业建筑，2007，37（增刊）：1897－1902．

［3］MASSAKIROK，TAMMOTSUM，KENJIM．Verticalloadingtestsoflargeboredpileandtheirestimation［C］∥Anon．Proc，1stInternationalGeotechnicalSeminarorDeepFoundationsonBoredandAugerPile．PublRotterdam：ABalkema，1988．

［4］施峰，蔡来炳．人工挖孔扩底桩承载力试验研究［J］．工程勘察，1999（2）：21－25．

［5］《桩基工程手册》编写委员会．桩基工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，1995．

［6］李志毅，刘钟，赵琰飞，等．新型螺旋挤土灌注桩现场试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2011，30（2）：411－417．39第1期张豫川，等：灌注桩的成孔型式对桩侧摩阻力影响的研究

作者：张豫川 刘辰麟 卢连长 李春辉 单位：兰州大学 土木工程与力学学院，西部灾害与环境力学教育部重点实验室