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(xué)研究院， 江蘇 南京 210029；2.水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度高和抗彎性能優(yōu)異，但工程造價(jià)相對(duì)較高，常用于自由長(zhǎng)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(jià)明顯低于鋼管樁，但因其強(qiáng)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(zhǎng)度和水平荷載相對(duì)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(jià)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(jiǎn)稱(chēng)上鋼下混組合樁)能在確?？箯澬阅懿蛔兊臈l件下有效降低工程造價(jià)[3-4]，而上部PHC樁下部鋼管樁的組合樁(簡(jiǎn)稱(chēng)上混下鋼組合樁)能在不減小樁基豎向承載力時(shí)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(yùn)用，但缺乏規(guī)范系統(tǒng)的理論體系指導(dǎo)，對(duì)組合樁的承載機(jī)理及影響因素等缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)[8-9]。本文采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算分析對(duì)上鋼下混組合樁(見(jiàn)圖1)的接樁部位埋深、樁徑、連接段參數(shù)對(duì)水平承載性能的影響，提出上鋼下混組合樁承載力的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)建議，為上鋼下混組合樁的推廣運(yùn)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(jì)算模型

上鋼下混組合樁模型樁徑D為1.0 m，總樁長(zhǎng)55.0 m，樁身入土深度35.0 m，自由長(zhǎng)度20.0 m，PHC樁壁厚130 mm，鋼管樁壁厚16 mm，聯(lián)接段長(zhǎng)度0.50 m，通過(guò)焊接將鋼管節(jié)及加勁板與PHC管樁聯(lián)接成一個(gè)整體。采用三維實(shí)體有限元模型，聯(lián)接段加勁肋簡(jiǎn)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(zhǎng)度從0.1 m～2.0 m，土體范圍內(nèi)每隔2.0 m劃分一個(gè)單元。樁體和土體的單元均采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)[11]。上鋼下混組合樁三維有限元模型見(jiàn)圖2。有限元模型坐標(biāo)系以泥面處樁軸心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，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(guò)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(jì)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(qiáng)度等級(jí)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(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。水平荷載逐級(jí)施加于樁頂橫截面中心點(diǎn)。

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(xué)參數(shù)

1.3 加載方式

根據(jù)《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[14](JTS 237—2017)中有關(guān)樁基水平靜荷載試驗(yàn)的規(guī)定，加載分級(jí)進(jìn)行，加載時(shí)每級(jí)級(jí)差取預(yù)計(jì)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(jí)荷載取20 kN[15-16]。

2 接樁深度影響

對(duì)于上鋼下混組合樁，鋼管樁越長(zhǎng)越安全可靠，但工程造價(jià)越高。因此選擇合適的鋼管樁長(zhǎng)度至關(guān)重要。根據(jù)純鋼管樁模型計(jì)算結(jié)果，鋼管樁在極限荷載作用下彎矩零點(diǎn)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(jì)7種上鋼下混組合樁與純鋼管樁模型進(jìn)行計(jì)算，以分析接樁位置對(duì)組合樁水平承載性能的影響。

2.1 樁身彎矩

對(duì)不同接樁深度上鋼下混組合樁分級(jí)施加水平荷載至200 kN。180 kN荷載時(shí)各接樁位置組合樁樁身彎矩曲線見(jiàn)圖3，樁身彎矩零點(diǎn)位置(插值法計(jì)算)見(jiàn)圖4。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 不同接樁深度組合樁在各荷載級(jí)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(duì)樁身彎矩零點(diǎn)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(guò)0.89%。當(dāng)接樁深度為0D時(shí)，位置相差最大為0.63D；接樁深度為2D～8D時(shí)最大彎矩位置相差不超過(guò)0.05D。較大荷載級(jí)時(shí)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(jí)作用下的彎矩零點(diǎn)位置在-10.0D～-12.5D之間，且彎矩零點(diǎn)位置隨著荷載的增加而逐漸下移。接樁深度對(duì)樁身彎矩零點(diǎn)位置的影響幅度在0.00D～0.26D左右(相對(duì)于純鋼管樁)。

因此，上鋼下混組合樁的接樁深度對(duì)樁身彎矩分布影響較小，設(shè)計(jì)時(shí)可直接參考純鋼管樁樁身彎矩計(jì)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(jiàn)圖5，圖中橫坐標(biāo)Zs/D為接樁深度與樁徑之比，縱坐標(biāo)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(jì)算結(jié)果表明：

(1) 相同荷載作用時(shí)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(shí)，組合樁泥面處水平位移最小。當(dāng)接樁深度大于8D時(shí)，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(dāng)其位于受力較大區(qū)域時(shí)(最大彎矩附近)，對(duì)泥面處水平位移的減小程度較大，當(dāng)聯(lián)接段位于受力較小區(qū)域并逐漸下移時(shí)，其對(duì)水平位移的影響也逐步減小，直至無(wú)影響。

(3) 接樁深度4D時(shí)樁身泥面處水平位移的影響最大，在接近極限荷載180 kN時(shí)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(shí)，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(dá)到或接近允許最大應(yīng)力值的水平荷載級(jí)(180 kN)為例，比較純鋼管樁和組合樁樁身應(yīng)力分布特點(diǎn)，鋼管樁和聯(lián)接段豎向應(yīng)力(S33)云圖見(jiàn)圖6和圖7(圖中數(shù)值為拉正壓負(fù))。

計(jì)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(shí)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(shí)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(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度為依據(jù)。純鋼管樁和組合樁水平極限承載力見(jiàn)表2。

根據(jù)計(jì)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(shí)，組合樁的水平極限承載力主要受PHC樁的抗彎性能控制，當(dāng)接樁深度大于等于8D時(shí)，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(duì)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(dāng)?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(jì)算分析組合樁接樁深度對(duì)承載性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究樁徑對(duì)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(jí)逐步施加。

樁徑對(duì)組合樁樁身彎矩零點(diǎn)位置影響曲線見(jiàn)圖8(a)，不同樁徑組合樁在各級(jí)水平荷載作用下樁身泥面處水平位移見(jiàn)圖8(b)，各樁徑組合樁水平極限承載力見(jiàn)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(jiàn)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(duì)應(yīng)的純鋼管樁的應(yīng)力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析：

(1) 在極限荷載時(shí)，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(shí)，樁徑600 mm、1 000 mm和1 400 mm組合樁最大彎矩點(diǎn)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(diǎn)隨樁徑增大逐漸下移。各級(jí)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(diǎn)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(shí)減小幅度不大于3.16%，樁徑1 300 mm～1 400 mm時(shí)，減小幅度不大于1.30%。

(5) 不同樁徑組合樁在各級(jí)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(duì)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(zhǎng)度

以樁徑1.00 m的組合樁為對(duì)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(gè)聯(lián)接段長(zhǎng)度，接樁深度8.0 m，分析比較聯(lián)接段長(zhǎng)度對(duì)組合樁水平受力特性的影響。

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

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 聯(lián)接段長(zhǎng)度對(duì)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(diǎn)位置差距不大于0.92D。

(2) 聯(lián)接段長(zhǎng)度對(duì)樁身水平位移影響相對(duì)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(zhǎng)度增加而有所降低，接近極限荷載時(shí)，聯(lián)接段0.50 m和2.00 m時(shí)，水平位移比同條件鋼管樁下降2.4%和9.0%。

(3) 聯(lián)接段長(zhǎng)度變化對(duì)組合樁鋼管段的最大拉壓應(yīng)力基本無(wú)影響，聯(lián)接段最大拉壓應(yīng)力值隨著聯(lián)接段長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)組合樁水平極限承載力有一定影響，但影響程度不大。當(dāng)接樁深度8D、聯(lián)接段長(zhǎng)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(dāng)。當(dāng)聯(lián)接段長(zhǎng)度超過(guò)1.50 m時(shí)，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(shí)組合樁水平極限承載力低于純鋼管樁，聯(lián)接段長(zhǎng)度1.5 m和2.0 m時(shí)組合樁承載力分別下降0.2%和1.6%。

圖9 不同聯(lián)接段長(zhǎng)度的組合樁水平承載性能

表4 不同聯(lián)接段長(zhǎng)度的組合樁樁身最大拉壓應(yīng)力

4.2 聯(lián)接段剛度

針對(duì)樁徑1.0 m，接樁深度8D，聯(lián)接段長(zhǎng)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(duì)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(diǎn)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(jiàn)圖10。

(1) 聯(lián)接段剛度對(duì)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(shí)相比0.1EI樁身最大彎矩值僅降低0.12%，聯(lián)接段剛度對(duì)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(shí)，組合樁彎矩零點(diǎn)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(shí)，彎矩零點(diǎn)位置基本不變。

(2) 聯(lián)接段剛度小于1.0EI時(shí)，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(shí)比1.0EI時(shí)泥面處水平位移增加了3.59%。當(dāng)聯(lián)接段剛度大于1.0EI時(shí)，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(duì)上鋼下混組合樁上部鋼管樁最大拉壓應(yīng)力值基本無(wú)影響，但對(duì)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(shí)，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(shí)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(guò)設(shè)置過(guò)多加勁肋來(lái)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(duì)于樁徑1 m的組合樁，接樁深度小于8D時(shí)，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(shí)，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(dāng)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(qiáng)度，組合樁水平極限承載力與純鋼管樁相近。

(3) 聯(lián)接段長(zhǎng)度和剛度對(duì)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(jì)時(shí)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(zhǎng)度以0.5 m～1.0 m為宜。