竖向荷载作用下劲性复合桩承载能力研究_张晓东.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.003作者简介：张晓东（1979-），男，大学本科，高级工程师，主要从事市政工程方面工作。基金项目：国家自然科学基金（52022060&52090084）、深圳市科技创新项目（JCYJ20190808112203700）E-mail：0引言随着我国东部沿海城市建设的加快，各种类型的复合桩不断应用在工程实际中。其中劲性复合桩结合了水泥土搅拌桩和钻孔桩的优点，既有高强度桩芯承担和传递荷载，又能以大面积的水泥土提供摩擦力，在软土地基处理中得到了大量的应用1-3。国内外众多学者从理论分析、模型试验和数值模拟等方面对劲性复合桩的承载力进行研究。杨涛等人4基于等应变假设，结合双层地基固结理论，建立了 T 型劲性搅拌桩复合地基固结解析解；李立页等人5选取了4个规范的承载力计算方法对一个工程实例进行了对比研究，最后提出了改进的承载力计算公式；任连伟等人6基于荷载传递法，考虑水泥土与桩芯界面摩擦、水泥土或芯桩与桩周土体界面摩擦，提出了不同组合形式下的高喷插芯组合桩荷载传递的简化计算方法，并与模型试验结果对比验证了方法的可行性；顾士坦等人7基于复合材料力学原理及明德林位移解，分析了劲性搅拌桩芯桩轴向位移和界面应力的分布规律，最后讨论了轴向荷载和水泥土弹性模量对芯桩荷载传递规律的影响；黄银冰等人8对在灌注桩周围打设水泥土桩，研究水泥土桩对灌注桩水平承载特性的影响，分析了水平位移与水平力的关系、桩身弯矩变化规律及桩周土压力分布；JAMSAWANG等人9对加筋深层水泥搅拌桩进行了桩荷载试验，研究了混凝土桩芯长度和截面积对桩的轴向极限承载力、侧向极限承载力和侧摩阻力的影响；WONGLERT等人10结合室内模型试验和有限元模拟，讨论加筋深层水泥搅拌桩在轴压下的破坏行为，结果表明加筋深层水泥搅拌桩的极限荷载和相关的破坏模式主要取决于芯尺寸、芯体积比和深度水泥搅拌桩的强度；李俊才等人11通过现场静载试验和应力监测，并结合ABAQUS软件模拟结果，研究了桩内、外芯荷载的分配及荷载沿深度的传递，分析素混凝土劲性复合桩的承载机理，并与常规劲性桩进行比较；鲍鹏等人12采竖向荷载作用下劲性复合桩承载能力研究张晓东1，程子龙2，包小华2，沈俊2，蘧树清1，潘飞超1（1、深圳大学土木与交通工程学院深圳518060；2、中铁南方投资集团有限公司深圳518054）摘要：劲性复合桩作为一种新型复合桩在软土地基处理中得到了大量的应用，为深入研究该桩型的承载能力，对劲性复合桩进行了现场静载试验，并建立了劲性复合桩的三维有限元模型，分析了竖向荷载作用下劲性复合桩的Q-s曲线、芯桩轴向应变和芯桩轴向应力的分布，最后讨论了水泥土摩擦系数、桩芯截面比和芯桩混凝土弹性模量对劲性复合桩承载能力的影响。结果表明：施加在劲性复合桩上的竖向荷载主要由侧摩阻力承担；水泥土摩擦系数对桩的承载能力影响较小，主要影响桩的轴向应力分布，是劲性复合桩由摩擦桩朝着端承摩擦桩转变；劲性复合桩存在一个最优桩芯截面比；适当地提高芯桩混凝土的弹性模量可显著地提高劲性复合桩的承载力。研究成果可为劲性复合桩的优化设计提供参考依据。关键词：劲性复合桩；竖向荷载；现场静载试验；承载能力；摩擦桩中图分类号：TU473.1+1文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-011-04Bearing Capacity Analysis of Stiffened Composite Pile under Vertical LoadBearing Capacity Analysis of Stiffened Composite Pile under Vertical LoadZHANG Xiaodong1，CHENG Zilong2，BAO Xiaohua2，SHEN Jun2，QU Shuqing1，PAN Feichao1（1、College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen UniversityShenzhen 518060，China；2、China Railway Construction Investment Group Co.，Ltd.Shenzhen 518054，China）AbstractAbstract：Stiffened composite pile as a new form of composite pile in soft soil foundation is processing to get a number of applications，for further research on the bearing capacity of this type of pile，right composite pile static load test was carried out，and establishedthe three-dimensional finite element model of stiffened composite pile，and analyzed the Q-s curve，core pile axial strain and core pile axialstress distribution of composite pile under the vertical load.Finally，the effects of soil-cement friction coefficient，cross section ratio of pilecore and elastic modulus of concrete to the bearing capacity of composite pile are discussed.The results show that the vertical load on thecomposite pile is mainly beared by the lateral friction resistance.The friction coefficient of soil-cement has little effect on the bearing capacity of pile，but mainly affects the axial stress distribution of pile，and the dynamic composite pile changes from friction pile to end-bearingfriction pile.There is an optimal core section ratio of stiffened composite pile.Appropriately increasing the elastic modulus of concrete ofcore pile can significantly improve the bearing capacity of reinforced composite pile.The research results can provide a reference for the optimal design of reinforced composite piles.Key wordsKey words：stiffened composite pile；vertical load；field static load test；carrying capacity；friction pile11张晓东,等：竖向荷载作用下劲性复合桩承载能力研究FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期用ANSYS软件建立三维有限元模型，分析了竖向荷载下劲性搅拌桩的桩身应力、位移，讨论了不同芯桩强度和截面含芯率对极限承载力的影响；何杰等人13-14对楔形劲性水泥土复合桩进行了室内模型试验，分析了内芯楔角、平均截面含芯率和芯长比对复合桩承载形状、荷载传递状况及内外芯荷载分担情况的影响；王安辉等人15-16利用 ABAQUS软件建立了考虑混凝土塑性损伤、桩身结构非线性和桩土相互作用等因素的劲性复合桩三维数值分析模型，通过现场试验结果与数值计算结果对比验证了分析模型的合理性，最后分析了水泥土桩桩径、水泥土桩强度和水泥土桩桩长对劲性复合桩水平荷载及桩身变形特性的影响。本文以工程实例为背景，对劲性复合桩开展了现场静载试验，并进行了三维有限元数值模拟，结合现场试验结果和有限元模拟结果，分析了竖向荷载作用下劲性复合桩的承载能力，最后讨论了水泥土桩摩擦系数、桩芯截面比、芯桩混凝土强度对劲性复合桩承载能力的影响。研究成果可为劲性复合桩的优化设计提供参考依据。1现场静载试验与数值模拟1.1现场静载试验劲性复合桩的桩身分为3部分：外层水泥土桩、中层混凝土芯桩和内层水泥土桩，桩身长度为12 m，其示意图如图1所示。通过在芯桩桩身外侧开槽定线切割并植入U型光缆，并应用分布式应变传感技术可测得光缆的轴向应变。现场静载试验时在桩顶上部放置了一块承压钢板，荷载通过承压钢板均匀施加在劲性复合桩及桩周土体上，试验开始时从 660 kN开始加载，而后进行分级加载，直至加载到3 300 kN，并分别测量对于荷载等级的光缆轴向应变。由于光缆与芯桩桩身外侧精密贴合，所以光缆的轴向应变也是芯桩的轴向应变，并通过式即可计算得到芯桩的轴向应力：=Ec式中：为芯桩的轴向应力；Ec为芯桩的弹性模量；为芯桩的轴向应变。芯桩的轴向桩身应变和轴向应力分布如图 2所示。可得，劲性复合桩内芯桩轴向应变随深度增加而减小，由于内芯桩身的弹性模量要远大于桩周土体，且内芯桩受顶部荷载后桩身发生压缩，所以图2中桩身轴向应变几乎为直线下降，且由于桩身底部为全风化花岗岩，所以桩底的轴向应变较小。1.2有限元数值模拟为了更方便地分析劲性复合桩的力学特性，利用PLAXIS 3D 软件建立了劲性复合桩三维数值模型。其中芯桩和水泥土桩采用线弹性模型，其模型参数如表1所示。桩周土体采用了HSS本构模性，根据现场的地质勘察报告提供的试验数据，并参考王卫东等人17的研究成果，综合确定了桩周土体的材料参数，其材料参数如表2所示。模型中设置了界面单元来考虑水泥土桩与桩周土体、芯桩与水泥土桩之间的相互作用。根据桩身荷载的影响范围，模型的计算范围为：图1劲性复合桩示意图Fig.1Schematic Diagram ofStiffening Composite Piled1=700mmd3=210mmd2=400mmL=12m混凝土水泥土Q-s曲线对比图2数值模拟结果与现场实测的对比Fig.2Comparison between Numerical Simulation Resultsand Field Measurement芯桩轴向应力对比芯桩轴向应变对比实测数据模拟数据05001500施加的荷载/kN桩顶位移/mm100025002000300050101520253500660 kN1 320 kN0-2Z方向应变/10-6深度/m0-600-800-200-400-4-6-8-10-12660 kN1 320 kN1 980 kN1 980 kN2 540 kN2 540 kN3 300 kN3 300 kN1001552025-2Z方向应力/MPa深度/mm0-4-6-8-10-12660 kN1 320 kN660 kN1 320 kN1 980 kN1 980 kN2 540 kN2 540 kN3 300 kN3 300 kN表1劲性复合桩的材料参数Tab.1Material Parameters of