超大直徑空心獨立復合樁基與群樁承載力對比

馮忠居，戴良軍，董蕓秀，盛明宏，崔林釗，馮 凱，文軍強

（1．長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2．安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230031；3．安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

隨著中國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，對樁基承載力的要求越來越高，導致樁基基礎直徑、埋深越來越大，一些工程問題隨之而來［1］。一方面，樁身自重愈來愈大，有效承載率的降低致使工程經濟性不高；另一方面，大直徑深長樁基礎的施工工藝復雜、造價高，鋼護筒的下沉、成孔，鋼筋籠的下放與對接，混凝土的連續(xù)灌注等對施工工藝要求極高［2－3］，且施工質量難以保證［4］。大直徑空心樁的出現有效解決了上述問題［5－8］。

大直徑空心樁在國內的應用最早是在20世紀90年代初，自1992年5月通過技術鑒定后在國內得以推廣應用［9－13］。劉永超等分析了有效應力對預應力空心樁力學性能的影響，表明空心樁的力學性能隨有效預壓應力的增大而提高［13］。張子良等自主研發(fā)了自平衡下沉大直徑管樁，打破了“樁的整體”這一傳統(tǒng)成樁模式，解決了混凝土大直徑、薄壁、空心樁成樁難的難題［14］。張永謀等應用綜合剛度原理和雙參數法對樁頂在橫向動荷載作用下的實心樁和空心樁進行計算，表明空心樁相比于實心樁具有樁頂撓度和轉角小、承載力高等優(yōu)點［15］。石慶瑤等利用計算推力樁的綜合剛度原理和雙參數法，分析比較了不同土質中的不同截面類型長樁在相同水平荷載作用下的承載力，研究表明砂土和黏土中使用空心樁較好，風化巖中使用鋼管混凝土樁較好［16］。張新敏等利用滿應力法求解了變截面和不變截面空心樁的優(yōu)化問題［17］。徐秀香探討了大直徑挖孔空心樁相比于傳統(tǒng)實心樁的優(yōu)勢［18］。蔣中明等對某現澆薄壁管樁與其周圍土體共同作用的三維數值進行分析，結果證明現澆薄壁管樁具有承載力高、沉降變形小、混凝土用量少等特點［19］。

近年來，在大直徑空心樁基礎上出現了一種新型的樁基礎結構形式——超大直徑空心獨立復合樁基礎，其主要由空心樁、水泥攪拌樁、樁周注漿土體共同組成。由于復合樁成孔前在外圍完成了水泥攪拌樁的施工，因此在成孔過程中并不需要采用泥漿護壁，從而避免了泥漿殘留對樁基承載力的影響，克服了傳統(tǒng)樁孔灌注樁灌注水下混凝土的各種弊病。樁側注漿體可以進一步改善樁周土的工程性質，提高樁的承載力，減小樁的沉降量。復合樁可實現橋梁基礎結構的輕型化，這為其在實體工程中的推廣應用奠定了良好的基礎。復合樁作為一種新樁型，與傳統(tǒng)橋梁樁基相比，其承載特性亟待研究。本文將對比復合樁與傳統(tǒng)群樁的承載特性，分析復合樁在豎軸向荷載、橫軸向荷載作用下的受力性狀。

1 數值建模

1．1 模型建立及參數選取

樁基礎的工作機理及承載特性實際上是樁－土共同作用的反映，樁周巖土體屬于半無限空間體，樁與樁側及樁端的巖土體都發(fā)生相互作用，因此要合理、準確地分析樁－土共同作用時表現出的力學性狀，采用三維空間模型最為合理。故數值模擬選用非線性有限元軟件MARC。復合樁基礎到模型邊界的水平距離為10倍復合樁外徑D，群樁基礎到模型邊界水平距離為40倍群樁直徑D1。土層簡化為上下2層，即樁周土層和樁端持力層，其中樁周土層厚度h隨樁長L變化（h＝L－4），同時保證樁端進入持力層深度不變（4m），而且樁底到模型底部的距離也保持不變（40m）。為避免樁頂承臺對橫向、豎向承載力產生影響，群樁選擇高承臺樁。其中樁高出地面2m，承臺厚2m，相應的復合樁做成高出地面4m的圓柱墩形。所建立的復合樁及群樁單元網格模型如圖1、2所示。

圖1 復合樁網格模型

圖2 群樁的網格模型

群樁與復合樁的樁側土體參數及混凝土標號一致，模型參數具體如表1所示。

表1 模型參數

1．2 數值模擬分析方案

為減小對比分析誤差，加入無注漿區(qū)與水泥攪拌樁的大直徑空心樁作為參照。為對比分析大直徑空心樁基礎與實心群樁基礎在豎軸向荷載、橫軸向荷載作用下的承載力變化規(guī)律及樁體尺寸對樁基承載力的影響，進而確定超大直徑空心獨立復合樁基礎的合理樁體尺寸參數，本文選擇樁長變化、樁徑變化2種工況。

（1）樁長的影響。以空心樁樁長作為影響因素，建立與之對應的相同樁側表面積的實心樁－土－承臺相互作用模型，分析同一空心樁樁徑的大直徑空心樁基礎與普通實心樁基礎的豎軸向承載特性的變化影響規(guī)律。計算工況見表2。

表2 樁長變化工況

（2）樁徑的影響。以空心樁樁徑作為影響因素，建立與之對應的相同樁側表面積的實心樁－土－承臺相互作用模型，分析同一空心樁樁長的大直徑空心樁基礎與普通實心樁基礎的豎軸向承載特性的變化規(guī)律。計算工況見表3。

表3 樁徑變化工況

2 豎軸向承載特性對比分析

2．1 豎軸向極限承載力

以樁徑5m、樁長30m為例，對應的群樁與空心樁、復合樁的荷載－沉降曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在40MN荷載范圍內，隨著樁長的增加，3種樁型的荷載－沉降曲線變化規(guī)律基本一致，相同荷載下復合樁沉降量大于群樁以及空心樁。當樁頂沉降量為40mm時，對應的樁頂豎軸向荷載作為樁基礎豎軸向極限承載力。相應豎軸向極限承載力變化規(guī)律如圖4所示。圖5為群樁與對應空心樁平面尺寸的對比。

圖3 荷載－沉降曲線

圖4 豎軸向極限承載力

圖5 群樁與空心樁平面對比

樁長為30m時，隨樁徑的增大，3種樁型的豎軸向極限承載力變化趨勢一致，呈直線增長，且群樁承載力的增大趨勢明顯快于空心樁與復合樁。當樁徑為3．5m時（復合樁長徑比為8．6、群樁長徑比為34．3），空心樁承載力強，群樁次之，復合樁最弱；當樁徑為10m時（復合樁長徑比為3、群樁長徑比為12），群樁承載力略大于復合樁，復合樁相對于群樁豎向極限承載力的變化從5．8%減小到－0．6%。原因可能是：相同側面積下，群樁的樁間距按2 d（d＝D／4）取，樁徑越大其樁凈間距越大，應力疊加就越小，同時橫向超出空心樁尺寸的絕對值也就越大，相應的樁側阻力能傳到更大范圍的土層。因此，隨著樁徑增大即樁端承載能力的增強，其豎軸向極限承載力提高更快。

圖6 不同樁長下的分項承載力

樁徑為5m，樁長增大時，3種樁型極限承載力的整體變化趨勢一致，近似直線增長。其中群樁極限承載力的增速明顯小于空心樁與群樁，其值也小于復合樁并向空心樁靠攏。隨著樁長增加，復合樁與空心樁的極限承載力差異有增大趨勢，樁長增加到50m，復合樁相對于群樁豎向極限承載力的增幅從2．1%增加到5．1%，說明有樁側土體加固的復合樁其樁側阻力有更大的潛能。群樁雖然與空心樁側面積相等，但考慮到群樁樁側的應力疊加效應，其側阻力要弱于空心樁，因此隨著樁長增加即側阻力的提高，其豎軸向極限承載力的增幅要略弱于空心樁。

2．2 分項承載力

在不同工況各自的極限承載力下，樁側摩阻力表示為Pc，樁端阻力表示為Pd，圖6、7分別為樁端阻力、樁側阻力在不同工況下的變化規(guī)律。

由圖6可以看出，隨著樁長的增加，極限荷載下3種樁型的端阻力都略有減少，整體規(guī)律一致，呈直線變化趨勢。其中復合樁端阻力值略小于空心樁；而群樁的端阻力則遠小于空心樁和復合樁，且只有后者的50%左右。隨著樁長增加，3種樁型在各自極限承載力下的端阻力占比都快速減少，并逐漸趨緩。其中群樁的端阻力占比減小幅度較小，從17．09%減小到11．07%，而空心樁與復合樁端阻力占比減小幅度較大，分別從36．49%、33．49%減小到24．25%、21．02%。

圖7 不同樁徑下的分項承載力

隨樁長增加，3種樁型的側阻力都呈直線增加，且復合樁的增幅要明顯大于其他2種樁型。在3種樁型中，樁側阻力一直保持群樁最強、復合樁次之、空心樁最差。隨著樁長的增加，3種樁型的側阻力占比都明顯增加，整體規(guī)律一致，先快速增長后逐漸趨于緩慢。群樁的樁側阻力占比增幅要小于空心樁與復合樁，僅從82．91%增加到88．93%，而空心樁和復合樁則分別從63．51%、66．51%增加到75．75%、78．98%。

綜合上述分析可知，樁徑不變，隨著樁長增加，群樁一直保持摩擦樁的特性，而空心樁和復合樁則從端承樁過渡到摩擦樁。即隨著樁長增加，3種樁型的承載特性越來越接近，由于群樁側阻力增長幅度不如相同側面積的空心樁，更不如樁側土體加強的復合樁，整體豎軸向極限承載力增幅最小。

由圖7可以看出，隨著樁徑的增大，在各自的極限承載力下，3種樁型的端阻力都快速增大。其中空心樁與復合樁曲線變化規(guī)律一致，隨著樁徑增大端阻力增幅也加大。空心樁的端阻力略大于復合樁，而群樁端阻力明顯弱于空心樁與復合樁，且增幅不如后兩者。在極限承載力中，3種樁型的端阻力所占比例都明顯增加，且隨著直徑增大，增速逐漸變緩。其中，空心樁與復合樁極限承載力增幅巨大，分別從直徑3．5m時的26．13%、22．83%增加到直徑10m 時的44．30%、42．22%，而對應的群樁僅從12．79%增加到17．68%。

隨樁徑增大，3種樁型在極限承載力下樁側阻力也明顯增加。其中空心樁與復合樁的變化規(guī)律保持一致，先緩慢增加后呈直線增加，且復合樁側阻力明顯大于空心樁。群樁的側阻力則保持直線增長，且增幅明顯大于空心樁與復合樁。在極限承載力中，3種樁型的側阻力所占比例都隨樁徑的增大而減小，且隨著直徑的增大減幅逐漸變緩。其中，空心樁與復合樁阻力占比減小幅度更大，分別從直徑3．5m時的73．87%、77．17%減小到直徑10m 時的55．70%、57．78%，而對應的群樁僅從87．21%減小到82．32%。

綜合上述分析可知，樁長30m不變，樁徑變化時，群樁一直保持摩擦樁的特性，而空心樁和復合樁則從摩擦樁過渡到端承樁。所有樁徑下群樁的側阻力都大于空心樁、復合樁，由于群樁承載力的增量主要由樁側阻力提供，而空心樁與復合樁則更多由端阻力提供；所以相對而言，相同的荷載增量下群樁的沉降要小，因而以40mm沉降為極限荷載標準時，群樁的豎軸向極限承載力隨樁徑的增大增長更快。

3 橫軸向承載特性對比分析

3．1 橫軸向極限承載力

以樁徑5m、樁長30m為例，繪制其樁頂在橫軸向荷載作用下的位移曲線，如圖8所示。

圖8 荷載－位移曲線對比

由圖8可以看出，相同荷載作用下群樁樁頂位移均明顯小于空心樁與復合樁，而空心樁小于復合樁，這說明樁側土體加固對橫軸向承載力有一定提高作用，群樁的橫軸向承載力弱于空心樁和復合樁。當取樁頂橫向位移量為6mm時，對應的樁頂橫軸向荷載作為樁基礎橫軸向極限承載力。

樁長30m不變、樁徑變化及樁徑5m不變、樁長變化時，其相應的極限承載力變化規(guī)律如圖9所示。

由圖9可以看出，樁長一定（30m）時，隨著樁徑的增大，3種樁型的橫向極限承載力都呈直線增長，且空心樁與群樁的變化規(guī)律保持一致，群樁增長速率略大一點。這說明樁長一定時樁徑的增大能有效提高橫向承載力。樁徑從3．5m（復合樁長徑比為8．6）增大到10m（復合樁長徑比為3），復合樁的橫向承載力相較于群樁的增長幅度從52．2%逐漸減小到9．4%。這說明隨著樁徑的增加，長徑比減?。ù藭r群樁長徑比從34．3減小到12），對群樁的橫向承載力提高更快。

圖9 橫軸向極限承載力的變化規(guī)律

而當樁徑一定（5m）時，隨著樁長的增加，群樁的橫向極限承載力略有增長，樁長從20m增加到50m時，承載力增幅為49kN；空心樁與復合樁極限承載力先快速增大，到樁長30m后變緩，40m后基本不變（小于1kN）。樁長從20m（復合樁長徑比為4）增加到50m（復合樁長徑比為10），復合樁的橫向承載力相較于群樁，增長幅度從29．1%增加到39．44%（40m）后，又降低到37．7%（50m）。這說明隨著樁長增加，長徑比增大，復合樁的橫向極限承載力增加更快，但隨著長徑比增大（超過8之后）復合樁也逐漸表現出柔性樁的特性，增加樁長對其橫軸向承載力提高有限，相對于群樁的增幅反而有所下降。

3．2 樁身橫向位移

當樁頂橫向位移量為6mm時，對應的樁頂橫軸向荷載為樁基礎橫軸向極限承載力。在各自的極限橫軸向荷載作用下且樁長為30m不變時，不同樁徑的樁身位移如圖10所示。

圖10 樁長30m時不同樁徑下樁身位移的分布

由圖10可知：樁長一定（30m）、樁徑變化時，隨著樁徑的增大，樁身位移曲線越來越直，逐漸表現出剛性樁轉動的特性；且在各自橫軸向極限承載力即樁頂橫向位移相等的情況下，樁身的橫向位移沿豎向傳遞越來越深，影響越來越大。群樁實際上是由4根樁徑為空心樁樁徑1／4的實心樁組成的，所以當對應的空心樁樁徑由3．5m（長徑比為8．6）增長到10m（長徑比為3）時，其實際樁徑僅從0．875 m（長徑比為34．3）增加到2．5m（長徑比為12）。雖然樁頂承臺的連接作用一定程度上提高了群樁整體的剛度，但隨著樁徑增大群樁基本上保持在柔性樁范圍內?？招臉杜c復合樁的樁身橫向位移曲線則逐漸從柔性樁的“撓曲”過渡到剛性樁的“轉動”，當樁徑不小于5m（長徑比為6）時，可認為空心樁與復合樁表現為剛性樁；而且兩者在各自極限橫軸向承載力作用下，橫向位移曲線幾乎完全一致（復合樁略微小一點），說明樁側土體注漿加固雖然能一定程度上提高復合樁的橫軸向承載力，但對于樁身剛柔性及荷載位移曲線變化規(guī)律的影響有限。

當樁徑為5m不變、樁長變化時，在各自橫軸向極限荷載作用下的樁身橫軸向位移如圖11所示。

由圖11可以看出，樁徑一定（5m）時，隨著樁長的增加，在樁頂橫向位移一致（即極限橫向限荷載下）時，樁端位移逐漸減小，且樁身橫向位移曲線從直線逐漸過渡到曲線。這說明隨著長徑比的增加，樁基礎從剛性逐漸過渡到柔性。對于群樁，當樁長超過20m后，樁身橫向位移曲線基本重合，而空心樁與復合樁則是在樁長超過30m后出現位移曲線的基本重合，這說明在此長度后樁長增加對橫軸向承載力的提高不明顯?？招臉杜c復合樁橫向位移曲線基本一致，復合樁橫向位移較空心樁略有減小，說明樁側注漿提高空心樁橫軸向承載力的程度有限。

圖11 樁徑5m時不同樁長下樁身位移的分布

同時還可以看到，當樁長超過20m后，在橫軸向極限承載力作用下群樁的橫向位移不再出現負值，而空心樁與群樁雖然樁長超過30m后表現出明顯的柔性樁特性，但樁下部一直存在負值位移，這說明空心樁與復合樁由于樁徑大，其橫截面抗彎慣性矩相應也大，樁土協調變形較群樁弱荷載傳遞得更深。

4 結 語

（1）在豎軸向荷載作用下，復合樁的豎軸向極限承載力總體大于群樁，并隨工況變化略有波動。隨著樁長增加，復合樁的豎軸向極限承載力較群樁提高更快；隨著樁徑增加，復合樁極限承載力增加幅度則小于對應群樁。

（2）隨著樁長增加，復合樁的樁側阻力增幅略大于群樁；隨著樁徑增大，復合樁端阻力增加幅度明顯高于群樁。復合樁的豎軸向極限承載力中端阻力占比明顯高于群樁，設計時應進行樁端持力層承載力驗算（必要時對樁端進行壓漿處理）。

（3）橫軸向荷載作用下，復合樁的橫軸向極限承載力明顯優(yōu)于群樁，與對應群樁相比最大增幅為52．2%。

（4）從承載力的技術合理性來講，復合樁樁徑不宜過大（小于10m）并應保持一定的長徑比（不小于6），以便合理提高其豎軸向承載力。