馮忠居，戴良軍，董蕓秀，盛明宏，崔林釗，馮 凱，文軍強(qiáng)

（1．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2．安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031；3．安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

隨著中國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)樁基承載力的要求越來(lái)越高，導(dǎo)致樁基基礎(chǔ)直徑、埋深越來(lái)越大，一些工程問(wèn)題隨之而來(lái)［1］。一方面，樁身自重愈來(lái)愈大，有效承載率的降低致使工程經(jīng)濟(jì)性不高；另一方面，大直徑深長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的施工工藝復(fù)雜、造價(jià)高，鋼護(hù)筒的下沉、成孔，鋼筋籠的下放與對(duì)接，混凝土的連續(xù)灌注等對(duì)施工工藝要求極高［2－3］，且施工質(zhì)量難以保證［4］。大直徑空心樁的出現(xiàn)有效解決了上述問(wèn)題［5－8］。

大直徑空心樁在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用最早是在20世紀(jì)90年代初，自1992年5月通過(guò)技術(shù)鑒定后在國(guó)內(nèi)得以推廣應(yīng)用［9－13］。劉永超等分析了有效應(yīng)力對(duì)預(yù)應(yīng)力空心樁力學(xué)性能的影響，表明空心樁的力學(xué)性能隨有效預(yù)壓應(yīng)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(yīng)用綜合剛度原理和雙參數(shù)法對(duì)樁頂在橫向動(dòng)荷載作用下的實(shí)心樁和空心樁進(jìn)行計(jì)算，表明空心樁相比于實(shí)心樁具有樁頂撓度和轉(zhuǎn)角小、承載力高等優(yōu)點(diǎn)［15］。石慶瑤等利用計(jì)算推力樁的綜合剛度原理和雙參數(shù)法，分析比較了不同土質(zhì)中的不同截面類(lèi)型長(zhǎng)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(fēng)化巖中使用鋼管混凝土樁較好［16］。張新敏等利用滿應(yīng)力法求解了變截面和不變截面空心樁的優(yōu)化問(wèn)題［17］。徐秀香探討了大直徑挖孔空心樁相比于傳統(tǒng)實(shí)心樁的優(yōu)勢(shì)［18］。蔣中明等對(duì)某現(xiàn)澆薄壁管樁與其周?chē)馏w共同作用的三維數(shù)值進(jìn)行分析，結(jié)果證明現(xiàn)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(diǎn)［19］。

近年來(lái)，在大直徑空心樁基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種新型的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式——超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)，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(fù)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(guò)程中并不需要采用泥漿護(hù)壁，從而避免了泥漿殘留對(duì)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(cè)注漿體可以進(jìn)一步改善樁周土的工程性質(zhì)，提高樁的承載力，減小樁的沉降量。復(fù)合樁可實(shí)現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的輕型化，這為其在實(shí)體工程中的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。復(fù)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(duì)比復(fù)合樁與傳統(tǒng)群樁的承載特性，分析復(fù)合樁在豎軸向荷載、橫軸向荷載作用下的受力性狀。

1 數(shù)值建模

1．1 模型建立及參數(shù)選取

樁基礎(chǔ)的工作機(jī)理及承載特性實(shí)際上是樁－土共同作用的反映，樁周巖土體屬于半無(wú)限空間體，樁與樁側(cè)及樁端的巖土體都發(fā)生相互作用，因此要合理、準(zhǔn)確地分析樁－土共同作用時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)性狀，采用三維空間模型最為合理。故數(shù)值模擬選用非線性有限元軟件MARC。復(fù)合樁基礎(chǔ)到模型邊界的水平距離為10倍復(fù)合樁外徑D，群樁基礎(chǔ)到模型邊界水平距離為40倍群樁直徑D1。土層簡(jiǎn)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(zhǎng)L變化（h＝L－4），同時(shí)保證樁端進(jìn)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(tái)對(duì)橫向、豎向承載力產(chǎn)生影響，群樁選擇高承臺(tái)樁。其中樁高出地面2m，承臺(tái)厚2m，相應(yīng)的復(fù)合樁做成高出地面4m的圓柱墩形。所建立的復(fù)合樁及群樁單元網(wǎng)格模型如圖1、2所示。

圖1 復(fù)合樁網(wǎng)格模型

圖2 群樁的網(wǎng)格模型

群樁與復(fù)合樁的樁側(cè)土體參數(shù)及混凝土標(biāo)號(hào)一致，模型參數(shù)具體如表1所示。

表1 模型參數(shù)

1．2 數(shù)值模擬分析方案

為減小對(duì)比分析誤差，加入無(wú)注漿區(qū)與水泥攪拌樁的大直徑空心樁作為參照。為對(duì)比分析大直徑空心樁基礎(chǔ)與實(shí)心群樁基礎(chǔ)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(duì)樁基承載力的影響，進(jìn)而確定超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的合理樁體尺寸參數(shù)，本文選擇樁長(zhǎng)變化、樁徑變化2種工況。

（1）樁長(zhǎng)的影響。以空心樁樁長(zhǎng)作為影響因素，建立與之對(duì)應(yīng)的相同樁側(cè)表面積的實(shí)心樁－土－承臺(tái)相互作用模型，分析同一空心樁樁徑的大直徑空心樁基礎(chǔ)與普通實(shí)心樁基礎(chǔ)的豎軸向承載特性的變化影響規(guī)律。計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 樁長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的相同樁側(cè)表面積的實(shí)心樁－土－承臺(tái)相互作用模型，分析同一空心樁樁長(zhǎng)的大直徑空心樁基礎(chǔ)與普通實(shí)心樁基礎(chǔ)的豎軸向承載特性的變化規(guī)律。計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 樁徑變化工況

2 豎軸向承載特性對(duì)比分析

2．1 豎軸向極限承載力

以樁徑5m、樁長(zhǎng)30m為例，對(duì)應(yīng)的群樁與空心樁、復(fù)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(nèi)，隨著樁長(zhǎng)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(fù)合樁沉降量大于群樁以及空心樁。當(dāng)樁頂沉降量為40mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁頂豎軸向荷載作為樁基礎(chǔ)豎軸向極限承載力。相應(yīng)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(duì)應(yīng)空心樁平面尺寸的對(duì)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(duì)比

樁長(zhǎng)為30m時(shí)，隨樁徑的增大，3種樁型的豎軸向極限承載力變化趨勢(shì)一致，呈直線增長(zhǎng)，且群樁承載力的增大趨勢(shì)明顯快于空心樁與復(fù)合樁。當(dāng)樁徑為3．5m時(shí)（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為8．6、群樁長(zhǎng)徑比為34．3），空心樁承載力強(qiáng)，群樁次之，復(fù)合樁最弱；當(dāng)樁徑為10m時(shí)（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為3、群樁長(zhǎng)徑比為12），群樁承載力略大于復(fù)合樁，復(fù)合樁相對(duì)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(cè)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(yīng)力疊加就越小，同時(shí)橫向超出空心樁尺寸的絕對(duì)值也就越大，相應(yīng)的樁側(cè)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(qiáng)，其豎軸向極限承載力提高更快。

圖6 不同樁長(zhǎng)下的分項(xiàng)承載力

樁徑為5m，樁長(zhǎng)增大時(shí)，3種樁型極限承載力的整體變化趨勢(shì)一致，近似直線增長(zhǎng)。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(fù)合樁并向空心樁靠攏。隨著樁長(zhǎng)增加，復(fù)合樁與空心樁的極限承載力差異有增大趨勢(shì)，樁長(zhǎng)增加到50m，復(fù)合樁相對(duì)于群樁豎向極限承載力的增幅從2．1%增加到5．1%，說(shuō)明有樁側(cè)土體加固的復(fù)合樁其樁側(cè)阻力有更大的潛能。群樁雖然與空心樁側(cè)面積相等，但考慮到群樁樁側(cè)的應(yīng)力疊加效應(yīng)，其側(cè)阻力要弱于空心樁，因此隨著樁長(zhǎng)增加即側(cè)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(xiàng)承載力

在不同工況各自的極限承載力下，樁側(cè)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(cè)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(zhǎng)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(shì)。其中復(fù)合樁端阻力值略小于空心樁；而群樁的端阻力則遠(yuǎn)小于空心樁和復(fù)合樁，且只有后者的50%左右。隨著樁長(zhǎng)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(fù)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(xiàng)承載力

隨樁長(zhǎng)增加，3種樁型的側(cè)阻力都呈直線增加，且復(fù)合樁的增幅要明顯大于其他2種樁型。在3種樁型中，樁側(cè)阻力一直保持群樁最強(qiáng)、復(fù)合樁次之、空心樁最差。隨著樁長(zhǎng)的增加，3種樁型的側(cè)阻力占比都明顯增加，整體規(guī)律一致，先快速增長(zhǎng)后逐漸趨于緩慢。群樁的樁側(cè)阻力占比增幅要小于空心樁與復(fù)合樁，僅從82．91%增加到88．93%，而空心樁和復(fù)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(zhǎng)增加，群樁一直保持摩擦樁的特性，而空心樁和復(fù)合樁則從端承樁過(guò)渡到摩擦樁。即隨著樁長(zhǎng)增加，3種樁型的承載特性越來(lái)越接近，由于群樁側(cè)阻力增長(zhǎng)幅度不如相同側(cè)面積的空心樁，更不如樁側(cè)土體加強(qiáng)的復(fù)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(fù)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(fù)合樁，而群樁端阻力明顯弱于空心樁與復(fù)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(fù)合樁極限承載力增幅巨大，分別從直徑3．5m時(shí)的26．13%、22．83%增加到直徑10m 時(shí)的44．30%、42．22%，而對(duì)應(yīng)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(cè)阻力也明顯增加。其中空心樁與復(fù)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(fù)合樁側(cè)阻力明顯大于空心樁。群樁的側(cè)阻力則保持直線增長(zhǎng)，且增幅明顯大于空心樁與復(fù)合樁。在極限承載力中，3種樁型的側(cè)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(fù)合樁阻力占比減小幅度更大，分別從直徑3．5m時(shí)的73．87%、77．17%減小到直徑10m 時(shí)的55．70%、57．78%，而對(duì)應(yīng)的群樁僅從87．21%減小到82．32%。

綜合上述分析可知，樁長(zhǎng)30m不變，樁徑變化時(shí)，群樁一直保持摩擦樁的特性，而空心樁和復(fù)合樁則從摩擦樁過(guò)渡到端承樁。所有樁徑下群樁的側(cè)阻力都大于空心樁、復(fù)合樁，由于群樁承載力的增量主要由樁側(cè)阻力提供，而空心樁與復(fù)合樁則更多由端阻力提供；所以相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)，群樁的豎軸向極限承載力隨樁徑的增大增長(zhǎng)更快。

3 橫軸向承載特性對(duì)比分析

3．1 橫軸向極限承載力

以樁徑5m、樁長(zhǎng)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(duì)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(fù)合樁，而空心樁小于復(fù)合樁，這說(shuō)明樁側(cè)土體加固對(duì)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(fù)合樁。當(dāng)取樁頂橫向位移量為6mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁頂橫軸向荷載作為樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力。

樁長(zhǎng)30m不變、樁徑變化及樁徑5m不變、樁長(zhǎng)變化時(shí)，其相應(yīng)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(zhǎng)一定（30m）時(shí)，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(zhǎng)，且空心樁與群樁的變化規(guī)律保持一致，群樁增長(zhǎng)速率略大一點(diǎn)。這說(shuō)明樁長(zhǎng)一定時(shí)樁徑的增大能有效提高橫向承載力。樁徑從3．5m（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為8．6）增大到10m（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為3），復(fù)合樁的橫向承載力相較于群樁的增長(zhǎng)幅度從52．2%逐漸減小到9．4%。這說(shuō)明隨著樁徑的增加，長(zhǎng)徑比減?。ù藭r(shí)群樁長(zhǎng)徑比從34．3減小到12），對(duì)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(dāng)樁徑一定（5m）時(shí)，隨著樁長(zhǎng)的增加，群樁的橫向極限承載力略有增長(zhǎng)，樁長(zhǎng)從20m增加到50m時(shí)，承載力增幅為49kN；空心樁與復(fù)合樁極限承載力先快速增大，到樁長(zhǎng)30m后變緩，40m后基本不變（小于1kN）。樁長(zhǎng)從20m（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為4）增加到50m（復(fù)合樁長(zhǎng)徑比為10），復(fù)合樁的橫向承載力相較于群樁，增長(zhǎng)幅度從29．1%增加到39．44%（40m）后，又降低到37．7%（50m）。這說(shuō)明隨著樁長(zhǎng)增加，長(zhǎng)徑比增大，復(fù)合樁的橫向極限承載力增加更快，但隨著長(zhǎng)徑比增大（超過(guò)8之后）復(fù)合樁也逐漸表現(xiàn)出柔性樁的特性，增加樁長(zhǎng)對(duì)其橫軸向承載力提高有限，相對(duì)于群樁的增幅反而有所下降。

3．2 樁身橫向位移

當(dāng)樁頂橫向位移量為6mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁頂橫軸向荷載為樁基礎(chǔ)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(zhǎng)為30m不變時(shí)，不同樁徑的樁身位移如圖10所示。

圖10 樁長(zhǎng)30m時(shí)不同樁徑下樁身位移的分布

由圖10可知：樁長(zhǎng)一定（30m）、樁徑變化時(shí)，隨著樁徑的增大，樁身位移曲線越來(lái)越直，逐漸表現(xiàn)出剛性樁轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)越深，影響越來(lái)越大。群樁實(shí)際上是由4根樁徑為空心樁樁徑1／4的實(shí)心樁組成的，所以當(dāng)對(duì)應(yīng)的空心樁樁徑由3．5m（長(zhǎng)徑比為8．6）增長(zhǎng)到10m（長(zhǎng)徑比為3）時(shí)，其實(shí)際樁徑僅從0．875 m（長(zhǎng)徑比為34．3）增加到2．5m（長(zhǎng)徑比為12）。雖然樁頂承臺(tái)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(nèi)?？招臉杜c復(fù)合樁的樁身橫向位移曲線則逐漸從柔性樁的“撓曲”過(guò)渡到剛性樁的“轉(zhuǎn)動(dòng)”，當(dāng)樁徑不小于5m（長(zhǎng)徑比為6）時(shí)，可認(rèn)為空心樁與復(fù)合樁表現(xiàn)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(fù)合樁略微小一點(diǎn)），說(shuō)明樁側(cè)土體注漿加固雖然能一定程度上提高復(fù)合樁的橫軸向承載力，但對(duì)于樁身剛?cè)嵝约昂奢d位移曲線變化規(guī)律的影響有限。

當(dāng)樁徑為5m不變、樁長(zhǎng)變化時(shí)，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(shí)，隨著樁長(zhǎng)的增加，在樁頂橫向位移一致（即極限橫向限荷載下）時(shí)，樁端位移逐漸減小，且樁身橫向位移曲線從直線逐漸過(guò)渡到曲線。這說(shuō)明隨著長(zhǎng)徑比的增加，樁基礎(chǔ)從剛性逐漸過(guò)渡到柔性。對(duì)于群樁，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)20m后，樁身橫向位移曲線基本重合，而空心樁與復(fù)合樁則是在樁長(zhǎng)超過(guò)30m后出現(xiàn)位移曲線的基本重合，這說(shuō)明在此長(zhǎng)度后樁長(zhǎng)增加對(duì)橫軸向承載力的提高不明顯?？招臉杜c復(fù)合樁橫向位移曲線基本一致，復(fù)合樁橫向位移較空心樁略有減小，說(shuō)明樁側(cè)注漿提高空心樁橫軸向承載力的程度有限。

圖11 樁徑5m時(shí)不同樁長(zhǎng)下樁身位移的分布

同時(shí)還可以看到，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)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(xiàn)負(fù)值，而空心樁與群樁雖然樁長(zhǎng)超過(guò)30m后表現(xiàn)出明顯的柔性樁特性，但樁下部一直存在負(fù)值位移，這說(shuō)明空心樁與復(fù)合樁由于樁徑大，其橫截面抗彎慣性矩相應(yīng)也大，樁土協(xié)調(diào)變形較群樁弱荷載傳遞得更深。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）在豎軸向荷載作用下，復(fù)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(dòng)。隨著樁長(zhǎng)增加，復(fù)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(fù)合樁極限承載力增加幅度則小于對(duì)應(yīng)群樁。

（2）隨著樁長(zhǎng)增加，復(fù)合樁的樁側(cè)阻力增幅略大于群樁；隨著樁徑增大，復(fù)合樁端阻力增加幅度明顯高于群樁。復(fù)合樁的豎軸向極限承載力中端阻力占比明顯高于群樁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行樁端持力層承載力驗(yàn)算（必要時(shí)對(duì)樁端進(jìn)行壓漿處理）。

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

（4）從承載力的技術(shù)合理性來(lái)講，復(fù)合樁樁徑不宜過(guò)大（小于10m）并應(yīng)保持一定的長(zhǎng)徑比（不小于6），以便合理提高其豎軸向承載力。