大直徑開口鋼管樁承載性狀試驗分析

何敏斐

(歌山建設集團有限公司，浙江 杭州 310052)

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大直徑開口鋼管樁承載性狀試驗分析

何敏斐

(歌山建設集團有限公司，浙江 杭州 310052)

摘要：開口鋼管樁以具有抗沖擊、打入容易、回收方便等優點,在港口工程和橋梁工程中得到了廣泛的應用。在此結合大直徑開口鋼管樁的現場載荷試驗，分析了樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力的發揮規律。試驗結果表明，大直徑開口鋼管樁的承載力表現為摩擦樁的性狀。樁身側摩阻力沿樁深的發揮是一個異步的過程，上部土層的側摩阻力發揮先于下部土層。同時，簡要分析了土塞對樁基承載性狀的影響。

關鍵詞：大直徑開口鋼管樁；土塞；荷載傳遞；豎向承載力

近年來，隨著港口工程、橋梁工程的發展，開口鋼管樁因具有抗沖擊、打入容易、回收方便等優點,得到了廣泛的應用。雖然開口鋼管樁的應用越來越廣泛，但其計算理論遠落后于工程實踐[1-2]。一些現場試驗結果表明，按照現有的計算方法得到的結果較實測承載力大，這對工程安全性極為不利[3]。大直徑鋼管樁的承載特性與樁周土、入巖深度、沉樁工藝等因素有關[3-4]。目前，針對管樁承載力的理論研究，主要有基于可靠度理論的承載力分析方法、數值計算方法及對現有計算方法的改進。現有的開口鋼管樁承載力計算忽略了樁端土層閉塞效應的影響，在很多情況下，這與實際工程情況不符合[5-6]。

本文主要結合某工程大直徑開口鋼管樁靜載荷試驗，分析了大直徑開口鋼管樁的豎向承載性狀和荷載傳遞機理，并簡要分析了土塞對樁基承載性狀的影響。

1工程概況

試樁場地為江蘇某風電項目，場地工程地質分布情況及試樁場地地基土物理性質指標見表1。風電場位置離岸約20 km，水深為2～12 m，海底地形變化較平緩。場區水下均為海底灘涂。以第9層粉砂為樁端持力層，埋藏深度適中。最高潮位4.22 m，最低潮位-3.15 m，平均海平面0.08 m，波浪以N向和E向為主，有效波高3.9 m，最大波高6.5 m。試樁長度均為38 m，直徑為1 200 mm，壁厚22 mm，彈性模量為210 GPa，樁身材料為Q345B。為保證鋼管樁的施工質量，選擇整根樁進行沉樁施工，不考慮接樁。鋼管樁的施工由打樁船和駁船配合完成。打樁船到現場后，每個樁都采用GPS精確定位。沉樁過程中應盡量保持導管架的水平，防止由于偏擊使導管架結構及鋼管樁產生過大的樁身應力。試驗采用慢速靜載荷試驗方法，試樁最大加載量為15 000 kN。

表1　土層物理力學參數

2靜載試驗結果及分析

2.1樁頂與樁端沉降性狀

采用同時觀測樁頂、樁端的靜載荷試驗技術，得到試樁各級荷載下的樁頂沉降、樁端沉降見圖1。由圖1可以看出，當荷載較小時，樁頂即產生沉降，試樁的荷載-沉降曲線表現為線性關系，樁端沉降較小。

當樁頂荷載增大到一定值時，樁頂沉降增速逐漸增大，荷載-沉降曲線逐漸變為非線性，樁端沉降亦逐步增大。由圖1還可以看出，樁頂荷載增大到一定值后，樁端沉降開始趨于明顯，且表現為非線性沉降，最終發生刺入破壞。單樁豎向承載力取發生明顯陡降時的起始點對應的荷載。

圖1　試樁荷載-沉降曲線

由圖2可知，只有當樁頂荷載增大到一定程度時，樁端阻力才開始逐步發揮；樁端阻力隨樁頂荷載的增大而接近線性增大。樁端阻力的發揮與樁端位移的增大接近雙折線關系。當樁頂荷載加載至15 000 kN 時，試樁均發生刺入破壞，表明樁端土已達到極限承載力。

圖2　樁端力與樁端位移曲線

2.2樁身軸力傳遞性狀

通過預埋在樁身的應力計可以得到試樁在各級荷載下的樁身軸力分布曲線。由式(1)可計算得到某一級荷載作用下任意斷面鋼筋軸力Q(z)：

Q(z)=ε(z)·Ep·Ap

(1)

式中：Ep為樁身彈性模量；AP為樁身截面，對等截面鋼管樁AP=π(D2-d2)/4，其中D和d分別為鋼管樁的外徑和內徑。

試樁的樁身軸力沿深度的分布見圖3。

圖3　樁身軸力分布圖

由圖3可知，樁頂荷載由樁側摩阻力與樁端阻力承擔，樁端阻力占樁頂荷載的比例隨樁頂荷載的增加有所增大。試樁在樁頂荷載為7 500kN時，樁端力發揮趨于明顯，在樁頂荷載為13 500kN時，樁端阻力達2 727kN，承擔了20.2%的樁頂荷載，表現為摩擦樁的承載性狀。

2.3樁側摩阻力發揮性狀

樁身位置處各土層的平均側摩阻力分布見圖4。

由圖4可知，樁身各土層側摩阻力的發揮是一個異步的過程。當樁頂荷載較小時，上部土層的側摩阻力先于下部土層發揮作用；隨著樁頂荷載的增大，上部土層的側摩阻力逐漸趨于穩定，而下部土層的側摩阻力還遠未完全發揮。在不同的土層中，平均側摩阻力有所差別，這是由各層土體力學性質的不同而造成。

圖4　樁側平均摩阻力沿深度的分布

在同一土層中，隨著樁頂荷載的增大，平均側摩阻力也相應增大，但增加的幅度也有差別。在荷載小于4 500kN時，樁端處的側摩阻力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端處的側摩阻力逐漸發揮出來，其值隨著樁頂荷載增加而逐步增大。

由此可見，樁側摩阻力的發揮程度與土層性質及樁頂荷載的大小等因素有關。

3土塞效應分析

目前，針對開口鋼管樁的承載力的計算理論還不完善，相關的試驗研究亟待開展，特別是大直徑開口鋼管樁的承載力計算方法。在施工過程中，由于大直徑開口鋼管樁中間是空的，其擠土效應與實心樁擠土機理存在較大的區別，部分土體會擠入到樁中，形成土塞，土塞與樁內壁的相互作用是一個與多種因素相關的復雜問題。土塞的性質不僅會直接影響到樁端阻力的發揮，還會對樁側摩阻力產生影響。開口鋼管樁的樁端阻力主要來自樁內壁所形成的土塞。

由試驗和理論分析可知[7]，鋼管樁樁身側摩阻力與樁內壁土塞阻力的發揮是不同的。樁側摩阻力在各級荷載下均得到有效發揮，而樁內壁的摩阻力，只有當荷載增大到一定程度時，才能得到有效發揮。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分發揮土塞側阻所需沉降也越大。

一些研究結果表明，一定高度以上的土柱部分對于土塞承載力的貢獻非常小，即存在土塞的有效高度[7-8]。目前，被認可的土塞有效高度一般為5倍樁徑左右，當高度大于此數值時，土柱多數情況下不會發生破壞[8]。

4結語

1)大直徑開口鋼管樁的承載力表現為摩擦樁的性狀。

2)各級荷載下，樁身軸力隨著深度的增加而減少。當樁頂荷載較小時，樁身下部軸力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端阻力也開始逐漸發揮出來，所占樁頂荷載的比例隨荷載的增加逐漸增大。

3)樁身側摩阻力沿樁深的發揮是一個異步的過程，上部土層的側摩阻力發揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側摩阻力也相應增大，但增加的幅度也有所差別。

4)樁內壁所形成的土塞，其與內壁相互作用與樁頂荷載大小密切相關。只有當樁頂荷載增大到一定值，土塞與內壁的摩阻力才能得到有效發揮，樁端力主要與有效土塞高度內的摩阻力相平衡。

參 考 文 獻

[1]賈德慶，陳鋒，呂黃.大直徑開口鋼管樁承載力特性的分析[J].水運工程，2004(10):22-24.

[2]金東振，施嗚昇，秦玉琪,等.提高大直徑鋼管樁承載力的探討[J].水運工程，1980(9):1-6.

[3]李學民，伍軍，李國亮,等.開口鋼管樁豎向承載力機理及計算探討[J].橋梁建設，2005(4)：38-40.

[4]胡利文，賈德慶，傅潔馨.開口鋼管樁承載力影響因素[J].水運工程，2005(9):17-22.

[5]許英，徐駿，吳興祥.港口工程大直徑管樁豎向承載力可靠性研究[J].江蘇科技大學學報:自然科學版，2011,25(6):516-519.

[6]王君輝，馮建國，張華平.開口鋼管樁樁基承載力樁端部分計算方法探討[J].水運工程，2012(1):49-53.

[7]RANDOLPHM.F,LEONGE.C,HOULSBYG.T.OnedimensionalAnalysisofsoilplugsinpipepiles[J].Geotechnique,1991,41(4):587-598.

[8]BRUCYF,MEUNIERJ,NAUROYJF.Behaviorofpilepluginsandysoilsduringandafterdriving[C]//Proc. 23rdOffshoreTech.Conf.Houston:[s.n.], 1991：145-154.

收稿日期：2015-12-16

作者簡介：何敏斐(1975—)，男，浙江杭州人，高級工程師，從事建筑工程施工技術管理工作。

中圖分類號：TU473

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707(2016)03-0023-04

Experimental Analysis on the Bearing Behavior of theOpen Steel Pipe Pile with Large Diameter

HE Minfei