勁性復合管樁支護結構水平受力變形特性研究

摘要：為了研究勁性復合管樁（SCP樁）與傳統管樁在基坑支護中的性能差異，運用室內模型試驗與有限元模擬的方法，研究SCP樁支護結構在開挖過程中的受力變形特性，并揭示水泥土參數對其支護效果的影響規律。研究結果表明：在實驗條件下，水泥土包裹管樁的支護效果提升顯著；相較于傳統管樁，SCP樁樁頂水平位移下降范圍為24.7%～58.3%，外側土體沉降減小幅度為11.4%～44.9%，樁身彎矩減小幅度為10.9%～24.6%。水泥土可以有效地提高管樁作為支護結構的支護能力，并且提高水泥土的彈性模量以及增加其厚度均能顯著增強勁性復合樁的支護效果，不過，相比之下，增加厚度對支護效果的提升作用更為突出。

關鍵詞：勁性復合管樁；支護結構；室內模型試驗；支護結構與土體位移；樁身彎矩

中圖分類號：TU473.1；[U25] 文獻標志碼：A

本文引用格式：余少華，鄭小晴，夏良利，等. 勁性復合管樁支護結構水平受力變形特性研究[J]. 華東交通大學學報，2025，42（1）：16-25.

Research on the Horizontal Stress and Deformation Characteristics of the Strength Composite Pipe Pile Support Structure

Yu Shaohua1， Zheng Xiaoqing2， Xia Liangli3， Fang Tao3， Luo Ruping3， Fu Li3，4， Zhu Xiaojie3

（1. Jiangxi Communications Design and Research Institute Co.， Ltd.， Nanchang 330052， China;

2. Jianhua Building Materials （Jiangxi） Co.， Ltd.， Nanchang 330225， China; 3. Jiangxi Key Laboratory of

Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang

330013， China; 4. Jiangxi Water Resources Institute， Nanchang 330013， China）

Abstract： In order to study the performance differences between the strength composite pipe pile （SCP pile） and traditional pipe piles in foundation pit support， using indoor model tests and finite element simulation methods， the stress and deformation characteristics of SCP pile support structure during excavation are studied， and the influence of cement soil parameters on its support effect is revealed. The research results indicate that under experimental conditions， the support effect of cement soil wrapped pipe piles is significantly improved; Compared to traditional pipe piles， the horizontal displacement at the top of SCP piles decreases by 24.7% to 58.3%， the settlement of the outer soil decreases by 11.4% to 44.9%， and the bending moment of the pile body decreases by 10.9% to 24.6%.Cement soil can effectively improve the support capacity of pipe piles as supporting structures， and increasing the elastic modulus of cement soil and increasing its thickness can significantly enhance the supporting effect of reinforced composite piles. However， in contrast， increasing the thickness has a more prominent effect on the supporting effect.

Key words： strength composite pipe pile; support structure; indoor model test; supporting structure and soil displacement; pile bending moment

Citation format： YU S H， ZHENG X Q， XIA L L， et al. Research on the horizontal stress and deformation characteristics of the strength composite pipe pile support structure[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2025， 42（1）： 16-25.

SCP樁是一種新型樁型，通過將剛性樁嵌入水泥土柔性樁中，實現了復合受力和互補增強。這種樁型融合了水泥土攪拌樁和預制混凝土樁的優點，不僅確保了高承載力，還提供了較大的摩阻力。其施工難度小，黏結力強，工作性能近似于剛性單樁，施工效率則可與鉆孔灌注樁相媲美。尤為重要的是，勁性復合樁的單位承載力造價降低了35%，充分體現了其高效且經濟的顯著優勢[1-5]。

近年來，眾多學者對勁性復合樁的承載特性開展了一系列研究。在承受豎向荷載方面，Wu等[6]對2根模型樁和24根全尺寸單樁的承載性能進行對比研究，結果表明勁性復合樁豎向承載性能和灌注樁相似，是同直徑水泥土攪拌樁的2.66～3.57倍。李立業[7]采用室內直剪試驗探究混凝土-水泥土的界面特性，其界面剪切強度約為水泥土無側線抗壓強度的0.188倍。Jamsawang等[8]研究水泥摻量對混凝土-水泥土界面摩擦特性的影響，得到15%的水泥摻量產生了最佳的界面抗剪強度。劉漢龍等[9]通過靜荷載試驗，發現高噴插芯組合樁在同一截面的芯樁與水泥土的軸力比值約為其彈性模量之比，內外摩阻力比值約為外徑和芯樁直徑之比。Wonglert等[10]發現勁性復合樁芯樁對豎向極限承載性能的提高主要取決于芯樁尺寸、體積比和水泥土的強度。顧士坦等[11]推導出了芯樁的軸向應力及界面剪應力的數學表達式，并發現水泥土的彈性模量對應力分布范圍具有顯著影響。任連偉等[12]針對JPP樁的不同組合，采用多種力學模型模擬其非線性特性，并基于荷載傳遞法提出了簡化計算方法。Wang等[13]基于剪切位移法，得到了樁基軸向應力與位移的封閉解及荷載-位移響應。

學者們在水平承載特性上也取得了一些研究成果。岳建偉等[14]指出，組合樁具有較好的水平承載力，且這一承載力受到水泥土強度以及芯樁位置影響。黃曉亮等[15]通過對3根組合樁進行水平承載力試驗，得出了組合樁的m值與實際受力狀態相符，考慮芯樁和攪拌樁的抗彎剛度EI的代數和，可采用m法近似計算。Wang等[16]通過試驗表明復合樁水平極限承載力比鉆孔灌注樁提高64.2%～68.9%，同時能夠降低最大彎矩，提高樁頭剛度。張孟環[17]研究勁性復合樁水平受荷變形特性的影響規律，建立了適用于不同水泥土參數水平承載力的計算公式。王安輝等[18-19]通過現場實測數據與數值模擬分析相結合的方式，發現勁性復合樁相較于管樁，在水平極限承載力上提升了40%，最大彎矩降低了20%，樁頂位移減小了30%～67%； 在此基礎上構建了適用于軟黏土中勁性復合樁水平承載特性的p-y曲線計算方法。

上述研究已在一定程度上闡明了勁性復合樁單樁的承載機制和界面特性，然而，關于勁性復合樁排樁支護體系的承載特性分析，尤其是支擋結構的力學特性，目前仍鮮有研究報道。鑒于此，本研究采用室內模型試驗與數值模擬相結合的方法，深入探究了勁性復合管樁支護結構在開挖過程中的受力與變形特性，并分析了水泥土參數對其支護效果的影響規律。通過這一研究，獲得了不同水泥土條件下的支護性能參數，進一步拓展了SCP樁在支護領域的應用范圍，為其在工程實踐中的廣泛應用提供了科學指導。

1 支護樁室內模型試驗

1.1 試驗概況

考慮到實驗室條件及模型箱邊界效應，選用了凈空尺寸為2 m（長）×0.8 m（寬）×1.3 m（高）的模型箱。試驗中采用的土樣與徐翔[20]在先期研究中使用的砂土為同批次，具體參數見表1。水泥土制備所用土為粉質黏土，土樣參數如表2所示。試驗砂土和粉質黏土顆粒級配曲線如圖1所示。

根據現場使用PHC I 800預應力管樁，通過幾何相似比10∶1對模型樁等比例縮小，選擇直徑為80 mm，厚10 mm有機玻璃管模擬管樁。有機玻璃彈性模量為3.2 GPa，實際工程中預應力管樁該材料的彈性模量為30～38 GPa，符合模型試驗10∶1的相似比要求。根據現場取樣測得水泥土彈性模量為500 MPa。設計了水泥摻量分別為5%，8%，11%，14%和18%的水泥土試塊，并利用WDW-100C電子萬能試驗機測得試塊抗壓強度和彈性模量[21]，結果如圖2所示。為了滿足材料相似比的要求，選擇了水泥摻量為8%、水灰比為1的水泥土作為試驗材料。

1.2 模型樁與測量系統

SCP樁樁徑100 mm，其中樁芯直徑為80 mm，壁厚為10 mm有機玻璃管（PMMA），水泥土厚度為10 mm；樁距120 mm，控制SCP樁支護結構總長為1 000 mm。管樁直徑為80 mm，壁厚為10 mm有機玻璃管，控制管樁支護結構總長為1 000 mm。冠梁由3塊尺寸為800 mm×100 mm×18 mm的木板組合連接而成。

圖3和圖4分別為樁體水平位移和地表豎向沉降的測量布置情況。在模型箱的側面預設位置鉆孔，插入鋼棒和空心玻璃管。鋼棒通過熱熔膠緊密黏附于樁體表面，其一端延伸至模型箱外部，并與位移百分表緊密相連；另一端則套有空心玻璃管，該玻璃管雖與樁體表面有所接觸但并不固定。為確保穩固，使用熱熔膠填充并固定模型樁側面的縫隙以及玻璃管。至于地表豎向沉降的測量，我們在位移百分表與地表接觸的位置放置鐵片，以避免在測量過程中砂土發生局部下沉，具體如圖4（b）所示。

1.3 試驗過程

試驗前，為了降低砂土與模型箱內壁之間的摩擦，在模型箱內壁先涂抹一層凡士林。在模型箱上標注排樁安放位置、砂土堆填高度、開挖的深度以及儀器測量的位置。在填筑過程中，采用人工砂雨法進行填筑，放入支護樁前，在支護樁外側粘上網格紗布，以防止試驗開挖過程中砂土外漏，如圖5（a）所示。分4組工況開挖，開挖深度分別為150，300，450，600 mm。每次開挖完穩定后采集數據，如圖5（b）所示。

2 試驗結果分析

2.1 樁體水平位移

圖6為不同工況下樁身水平位移曲線。隨著開挖深度的增加，樁身水平位移逐漸增大，當開挖到基坑底部，樁身位移增長速率變大，SCP樁和管樁最大水平位移分別為4.25 mm和5.81 mm。在不同工況下，SCP樁相較于管樁，在樁頂位置的水平位移減少量分別為0.07， 0.33， 0.65 mm和1.56 mm，減小的幅度為24.7%～58.3%。

SCP樁因水泥土的加入，其嵌固能力得到了顯著提升，從而有效減小了樁身的位移。同時，水泥土還顯著提高了極限開挖深度。然而，隨著開挖深度的不斷加大，水泥土對樁身位移減小的影響逐漸減弱。

2.2 地表豎向位移

圖7為不同工況下地表沉降位移曲線。SCP樁和管樁支護結構的地表豎向位移變形曲線都表現為凹形，且在距冠梁20 cm處測得的地表沉降最大。對比SCP樁與管樁可知，地表豎向位移最大值分別為1.39，1.89 mm，SCP樁支護結構相較于管樁支護結構的豎向位移減少了11.4%～44.9%。且兩類樁的沉降增長速率，SCP樁是一直增大，管樁是先增大后減緩，說明在管樁支護結構支護下，被動區土體發生塑性變形，同時期SCP樁還未達到此情況。

2.3 樁身彎矩

如圖8所示，SCP樁在不同開挖深度下的最大樁身彎矩相較于管樁，分別下降了14.5%，10.9%，24.6%和18.7%。隨著開挖深度的遞增，樁體所承受的土側壓力也隨之增大，導致其彎矩增加。同時，最大正彎矩點、反彎矩點以及最大負彎矩點均呈現向下移動的趨勢。此外，兩種樁在不同工況下的樁身彎矩曲線均呈現出反“S”形狀。

開挖至450 mm時，SCP樁和管樁的最大正彎矩和最大負彎矩分別為5.12，6.79 N·m和-4.23，

-6.02 N·m，最大正彎矩減少24.6%，最大負彎矩減少29.7%。開挖至600 mm時，SCP樁和管樁的最大正彎矩和最大負彎矩分別為7.23，8.89 N·m和-4.69，

-6.32 N·m，最大正彎矩減少18.7%，最大負彎矩減少25.8%。

從圖8中可以看出，SCP樁的支擋效果優于管樁。特別地，當開挖至450 mm時，SCP樁的效用達到了最大值。此外，在開挖至600 mm時，采用復合樁（即低強度水泥土包裹管樁）的支護效果相較于管樁提升了約20%。使用低強度水泥土包裹管樁不僅能增加管樁的樁徑，還能承擔部分水平荷載，從而提高管樁的支護能力。水泥土與管樁共同變形，有效減少了樁身的水平位移，進而增強了管樁的整體支護效果。

3 數值模擬研究

利用PLAXIS 3D軟件，以1∶1模擬了室內模型試驗，以此驗證所建模型的準確性和可靠性。隨后，通過應用相似比原理，還原了試驗原型，并進一步拓展了研究范圍，深入探討了SCP樁在不同水泥土參數條件下的支護效果及其對SCP樁支護結構力學特性的影響。其中，1號模型嚴格對應室內試驗，其詳細設計參數參見表3。

3.1 模型本構與相關材料參數

為了模擬基坑周圍土體的變形情況，選擇了土體硬化模型（HS）。水泥土層采用Mohr-Coulonb（MC）模型[22]本構，管樁采用線彈性，而冠梁選擇梁單元模擬。芯樁和土體接觸類型都選擇Soilamp;Interfaces，以充分考慮樁芯與周圍土體之間的相互作用，并計算二者之間應力傳遞的界面強度[Rinter=0.7][23]。

1號三維模型尺寸長寬高為2 m×0.8 m×1.3 m，單層砂土，模型砂土參數取自參考文獻[20]，見表4。土體界限與室內試驗相同，底端約束全部自由度，四周施加法方向位移約束；冠梁彈性模量為8 GPa，泊松比為0.35。基坑分4次開挖，每次開挖深度為0.15 m，總深度為0.6 m。有限元模型如圖9所示。

2～7號三維模型尺寸長寬高均為20 m×8 m×20 m，土層參數如表5所示。土體界限與室內模型試驗相同，底端約束全部自由度，四周施加法方向位移約束；冠梁采用C30混凝土。單次開挖，開挖深度為4.5 m，不考慮地下水的影響。

對土體和支護結構進行網格劃分，對開挖部分、支護排樁、冠梁處進行適當的網格加密，通過軟件自動生成。有限元模擬數值分析步驟如表6所示。

3.2 有限元模擬結果分析

3.2.1 數值模型驗證

將試驗結果與1號數值模擬結果中關于樁身水平位移和樁身彎矩的變化關系進行了對比，并將這一對比結果繪制成了圖10。

從圖中看出數值模擬與室內模型試驗有一定的偏差，但差距不大，且總體的變化趨勢是一致的。模擬值與試驗值二者的樁身彎矩分布趨勢相同，都呈反“S”形，隨著開挖深度的增加，最大正彎矩和最大負彎矩也隨之增加，反彎矩點的位置也隨之加深。故數值結果與模型試驗可相互驗證。

3.2.2 水泥土厚度參數分析

圖11展示了不同水泥土厚度配置下SCP樁支護結構的樁身位移、地表沉降及樁身彎矩的曲線圖。通過觀察圖11中的曲線變化趨勢，可以得出以下結論：水泥土厚度的增加，導致支護結構側的豎向沉降減小，樁身水平位移也逐漸降低，同時樁身所承受的彎矩也隨之減少。樁頂水平位移分別為3.4，3.1，2.6，1.7 cm，相比于模型2，減少幅度分別為8.82%，23.53%，50.00%；支護側位移沉降最大值分別為2.58，2.33，2.07，1.71 cm，都在距冠梁10 cm左右位置，減小幅度分別為9.69%，19.77%，33.72%。水泥土可以抑制樁體的位移，減小地表沉降，并且厚度越大，抑制效果越明顯。樁身最大彎矩分別為334.35，322.86，311.26，290.67 kN·m，減小幅度分別為3.44%，6.91%，13.06%，隨著水泥土厚度增加，樁身彎矩逐漸減小，但水泥土厚度對管樁彎矩影響較小。當水泥土厚度在0～40 cm范圍內，隨著厚度增加，SCP樁支護效果一直提升，但由于排樁間距的因素，水泥土厚度并不能無限制地增加。

3.2.3 水泥土彈性模量參數分析

圖12展示了在不同水泥土彈性模量條件下，SCP樁支護結構的水平位移、土體沉降以及樁身彎矩的曲線變化。在保持水泥土厚度為10 cm不變的情況下，可以觀察到，隨著水泥土彈性模量的增加，在相同的開挖深度下，樁身位移、土體沉降以及彎矩均呈現出逐漸減小的趨勢。特別地，當水泥土的彈性模量從500 MPa提升至1 000 MPa時，SCP樁的各項支護性能指標均得到了顯著改善。樁頂水平位移分別為3.1，3.0，2.8 cm，減小幅度分別為3.22%，9.67%；支護側土體沉降最大值分別為2.33，2.23，2.08 cm，減小幅度分別為4.29%，10.73%。樁身最大彎矩分別為322.86，296.20，289.73 kN·m，減小幅度分別為8.26%，10.26%。隨著水泥土彈性模量的增大，樁周水泥土能夠承受更多的土壓力，從而使得轉移到樁身上的荷載相應減少。這一變化導致樁身位移和彎矩也隨之減小。值得注意的是，樁身內力并不會隨著水泥土彈性模量的增加而線性減少。實際上，隨著彈性模量的提升，樁身內力的減少速率會顯著降低。

4 結論

基于室內模型試驗和有限元軟件探究在基坑開挖下勁性復合管樁與管樁的支護效果，研究水泥土參數對SCP樁支護性能影響規律，得到以下結論。

1） 由模型試驗可知，當SCP支護樁開挖至樁長的45%時，樁頂位移和樁身最大彎矩分別減少24.7%和24.6%；開挖至樁長的60%時，樁頂位移和樁身最大彎矩分別減少30.6%和18.7%。說明包裹水泥土可以有效的提高管樁作為支護結構的支護能力，減少芯樁的變形，提高基坑的穩定性。

2） 隨著水泥土厚度的增加，SCP樁的樁身位移和彎矩逐漸減小，同時支護效果逐漸增強。而當水泥土的彈性模量增大時，SCP樁的樁身位移和彎矩同樣逐漸減小，不過其變化趨勢起初表現為較為快速的減小，隨后逐漸放緩。

3） 在工程實踐中，提升預制樁的支護效果可以通過增加水泥土的厚度或提高其強度來實現。然而，相比之下，增加水泥土厚度所帶來的效果通常優于提高水泥土強度。

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第一作者：余少華（1975—），男，教授級高級工程師，研究方向為道路工程，橋梁工程。E-mail：59813387 @qq.com。

通信作者：方燾（1976—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為深基坑工程，地下空間及隧道工程，路基工程。

E-mail：378766675@qq.com。