變截面樁承載特性及施工關(guān)鍵技術(shù)探討

汪貴華，張 恒，黃俊光，李偉科

（1、湯和控股有限公司 廣東 珠海 519000；2、廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620；3、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

0 引言

隨著大型橋梁、超高建筑、高速鐵路的迅猛發(fā)展，對(duì)基礎(chǔ)的承載、變形能力、功能性及經(jīng)濟(jì)效益提出了更高的要求，最大限度地發(fā)掘地基承載潛力，充分利用構(gòu)件承載特性，成為時(shí)下研究的熱點(diǎn)。在此背景下，各種異型承載構(gòu)件層出不窮，其中異型樁因其獨(dú)特的承載優(yōu)勢(shì)逐漸受到了工程技術(shù)人員的青睞，而變截面樁就是其中一種。古時(shí)候人們就曾將樹干倒置作為房屋基礎(chǔ)的主要支撐結(jié)構(gòu)，這也是最早的變截面樁，到了現(xiàn)代，利用變截面樁的工程案例更是屢見不鮮。變截面樁是在傳統(tǒng)等截面樁形式基礎(chǔ)上研究發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)的樁型，與傳統(tǒng)樁型有所不同，變截面樁的樁身截面尺寸或形狀大小沿著樁身軸向發(fā)生變化，依據(jù)樁體構(gòu)造形式可以分為楔形樁、擴(kuò)底樁、階梯型變截面樁、擠擴(kuò)支盤樁等，而階梯型截面樁由于更加符合軸力沿樁身向下傳遞呈現(xiàn)上大下小的特征，且制作施工方便可靠，因而在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先從理論、數(shù)值、試驗(yàn)等方面論述了變截面樁承載特性的研究現(xiàn)狀，然后重點(diǎn)分析了階梯型變截面樁橫向和豎向荷載作用下位移和應(yīng)力變化特征，以及施工過程的關(guān)鍵影響因素，以期為實(shí)際工程中樁型選擇與施工提供有益指導(dǎo)。

1 變截面樁承載特性研究現(xiàn)狀

希臘工程技術(shù)人員將上部3 m范圍內(nèi)的樁徑擴(kuò)大一倍，使得單樁的豎向極限承載力提高了約30%［1］，這一試驗(yàn)結(jié)果引起了廣泛的關(guān)注。后來，科威特大學(xué)的ISMAEL［2］對(duì)變截面樁在水平荷載下的承載特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著樁體變截面段尺寸的增大，單樁的水平承載力增加而位移減小，這主要是因?yàn)闄M截面增大后樁身抗彎剛度加強(qiáng)。ISMAEL［3］還通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了變截面樁的水平承載特性。另外，PAIK 等人［4-5］也對(duì)變截面樁的承載特性進(jìn)行了一系列研究。

相較于國外，國內(nèi)對(duì)變截面樁的研究起步較晚，首次應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代廣東省九江大橋主墩基礎(chǔ)建造工程。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，許多研究人員從理論分析、室內(nèi)模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面對(duì)變截面樁加以研究。

1.1 理論研究方面

方燾等人［6］分析了變截面樁承載特性及變形規(guī)律，并基于臨界狀態(tài)假設(shè)建立了變截面樁的容許承載力計(jì)算理論。王景梅等人［7］結(jié)合變截面樁橫向靜荷載作用下的變形及受力特性推導(dǎo)得出理論計(jì)算模型，并根據(jù)實(shí)際水平承載試驗(yàn)驗(yàn)證了理論的有效性。王小敏等人［8］采用地基反力系數(shù)對(duì)變截面樁樁徑比、變截面位置的初步確定提供了理論依據(jù)。楊有蓮等人［9］對(duì)比分析了變截面樁和等截面樁在豎向荷載作用下荷載傳遞機(jī)理的異同。

1.2 室內(nèi)模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面

王駿煒［10］利用室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)對(duì)比分析了變截面樁和等截面樁豎向承載特性差異。羅照等人［11］采用自制試驗(yàn)裝置對(duì)變截面樁沉降規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)最佳樁徑比介于0.9～0.8 之間，這與王振波等人［12］的研究結(jié)論一致；劉新榮等人［13］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)變截面段占整個(gè)樁長的40%～50%時(shí)效率最高，超過50%后，對(duì)提高橫向承載力作用有限。黃禮勝［14］研究發(fā)現(xiàn)階梯形變截面管樁樁端反力明顯小于等截面管樁樁端反力，說明階梯形變截面管樁與樁周土的相互作用明顯強(qiáng)于等截面管樁。

1.3 數(shù)值計(jì)算方面

董瓊英等人［15］運(yùn)用有限元分析軟件研究了豎向荷載下不同變形階段，變截面樁與等截面樁的受力差異，發(fā)現(xiàn)在彈性變形階段，等截面樁比變截面樁身沉降較小，在塑性屈服階段，變截面樁與等截面樁的承載力幾乎一致。王緯東［16］采用FLAC 3D 軟件對(duì)不同變截面長度的變截面樁在橫向荷載作用下位移及應(yīng)力進(jìn)行研究，認(rèn)為當(dāng)變截面位置在樁總長的47%左右時(shí)，樁身位移及應(yīng)力差值較小。張龍等人［17］考慮了變截面樁幾何尺寸和土層分布的影響，對(duì)變徑比與豎向承載力關(guān)系進(jìn)行數(shù)值分析。

2 階梯型變截面樁承載特性分析

階梯型變截面樁是指樁身截面沿軸向呈階梯型逐漸減小的樁型，在受力特性方面，階梯型變截面樁的受力更加合理，增大了樁身橫截面積有利于達(dá)到提高承載力的效果，尤其是在層狀土中，通過在良好土層中增大樁身截面，提升樁周側(cè)摩阻力，充分發(fā)揮該層土的承載能力；而縮減樁身的橫截面積，又可以節(jié)省工程材料及造價(jià)，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 豎向承載特性

一般情況下，單樁豎向承載力可以根據(jù)樁端阻力、樁側(cè)摩阻力和樁身自重按照靜力學(xué)原理計(jì)算得到，如式⑴所示，而樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮過程也就是樁-土荷載的傳遞過程。當(dāng)樁頂承受豎向荷載后，樁身產(chǎn)生壓縮位移，樁側(cè)土體對(duì)樁身產(chǎn)生向上的摩阻力，樁頂荷載通過摩阻力傳遞到樁側(cè)土體。隨著豎向荷載的加大，樁端產(chǎn)生豎向沉降和樁端反力，而樁端沉降加大了樁土相對(duì)位移，促使樁側(cè)摩阻力的進(jìn)一步發(fā)揮。O'NEIL［18］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁基沉降量達(dá)到5～10 mm 時(shí)，樁側(cè)摩阻力即已達(dá)到極限，而樁端阻力通常在沉降量達(dá)到樁徑的10%以上時(shí)才完全發(fā)揮，因而樁側(cè)摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮，且靠近樁身上部土層的側(cè)摩阻力先于下部土層發(fā)揮。

式中：Qu為單樁豎向豎向承載力；Qpu為端阻力；Qsu為側(cè)阻力；Wp為樁身自重；dz為樁長積分項(xiàng)；fpu、fsu分別為極限荷載作用下樁端土阻力和樁側(cè)摩阻力；D為樁身直徑；Ap為樁端面積。

對(duì)于階梯型變截面樁，其樁端阻力包括樁尖阻力和變截面處端阻力，而變截面端阻力的發(fā)揮介于側(cè)阻力和樁尖阻力之間，因而豎向荷載作用下，階梯型變截面樁受力可以簡(jiǎn)化為3 種臨界狀態(tài)：變截面段樁側(cè)阻力全部發(fā)揮為第一臨界狀態(tài)；變截面端阻力達(dá)到極值為第二臨界狀態(tài)；樁端阻力開始發(fā)揮為第三臨界狀態(tài)，具體如圖1所示。

圖1 階梯型變截面樁受力簡(jiǎn)化圖Fig.1 Simplified Diagram of Stepped Variable Section Pile under Vertical Load

在實(shí)際工程中，由于截面發(fā)生突變、地層復(fù)雜等原因，階梯型變截面樁豎向荷載傳遞特性與理論有很大的差異，某實(shí)際工程中測(cè)得的階梯型變截面嵌巖樁的豎向荷載傳遞分布規(guī)律［19］如圖2所示，由圖2可知，階梯型變截面樁由于樁身斷面發(fā)生突變而使荷載傳遞出現(xiàn)了更加復(fù)雜的情況。荷載傳遞規(guī)律圖可以很好的說明該樁的荷載傳遞特性，由圖2 可以簡(jiǎn)要得出階梯型變截面樁豎向荷載傳遞的一些特性：

⑴變截面段的底面和側(cè)面是豎向荷載傳遞的主要途徑。當(dāng)樁頂荷載增加時(shí)，變截面段的軸力變化最明顯，而下部樁身和樁端軸力的變化則十分微弱，說明荷載首先通過變截面端底和樁身傳遞。同時(shí)，從圖2 中還可以明顯看出，通過利用上部較好土層的承載力，變截面段承擔(dān)的荷載占總荷載的半數(shù)以上，從而可以有效縮短總樁長。

圖2 變截面嵌巖樁豎向受力特征Fig.2 The Stress Pattern of Variable Section Rock-socketed Pile under Vertical Load

⑵變截面段底面與樁底面類似，也是豎向荷載的主要傳遞途徑，并引起變截面段底面以下土體的壓縮和沉降：①壓縮后土體變得更加密實(shí)，物理力學(xué)性能增強(qiáng)，增強(qiáng)了樁土相互作用，有利于將荷載傳遞到樁周土；②當(dāng)樁周土沉降量大于樁身沉降量時(shí)，局部樁身會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，并影響下部樁身摩阻力的充分發(fā)揮。

⑶嵌巖段樁身與基巖之間具有很高的阻力，可以傳遞大量的荷載，但在變截面的情況下，由于上部樁身先于下部樁身已把大量荷載傳遞給性質(zhì)較好的上覆土層，以致嵌巖段的阻力不能充分發(fā)揮，即只傳遞很少的荷載，因而階梯型變截面樁是以摩阻力為主的摩擦支撐樁。

2.2 橫向承載特性

相較于豎向承載特性，階梯型變截面樁的橫向承載特性更加復(fù)雜，與樁長、樁周土性質(zhì)、變截面段長度、樁徑比、橫向荷載作用等多種因素相關(guān)。王景梅等人［9］基于winkler 假設(shè)和等截面樁水平承載力計(jì)算公式，建立變截面樁基的受力模型理論計(jì)算得到的變截面樁身彎矩和樁頂水平位移變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在樁頂施加橫向荷載后，樁身彎矩先是隨深度的增加而增大，然后隨深度的增加而減小，并在變截面附近樁身彎矩減小到0 kN·m，也就是樁身的反彎點(diǎn)，隨后樁身彎矩反向增加，對(duì)于變截面以下的樁身，彎矩變化并不十分明顯。從總體來看，樁身彎矩最大值和大部分均由變截面以上樁體承擔(dān)，增大變截面尺寸，可以提供更高的抗彎剛度，從而增加樁基的橫向承載能力；而樁頂位移則隨著荷載的增加呈明顯的非線性變化，并隨著荷載的增加，變形幅度逐漸增大。

圖3 階梯型變截面樁彎矩位移理論值Fig.3 Theoretical Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

同樣，由于截面的突變，橫向荷載作用下階梯型變截面樁身應(yīng)力和位移變化更加復(fù)雜，且變化規(guī)律與理論預(yù)測(cè)差別較大。方燾［20］基于室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)得的樁身彎矩和位移曲線如圖4所示，可以看出，樁身彎矩分布規(guī)律復(fù)雜，隨著變截面位置的下移，彎矩曲線逐漸由單峰曲線過渡到雙峰曲線，然后又重新回歸為單峰曲線，由此可見，變截面位置對(duì)樁身彎矩分布影響顯著，優(yōu)化變截面位置會(huì)使樁身受力更加合理。從樁身位移曲線可以看出，很小的橫向荷載作用下，樁身位移表現(xiàn)明顯的非線性，這與上述理論相似，而隨著變截面的下移，樁身位移差值減小，即存在最佳變截面位置，超過此位置后，增加變截面段長度對(duì)提高橫向承載力的作用不明顯。

圖4 階梯型變截面樁彎矩位移實(shí)測(cè)值Fig.4 Measured Values of Bending Moment and Displacement of Stepped Variable Section Pile

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

階梯型變截面樁施工通常采用沉井（護(hù)筒）、鉆孔（挖孔）和樁端壓漿等幾種傳統(tǒng)工藝相結(jié)合方式，而施工工藝的選擇往往也是決定成樁效果的關(guān)鍵因素。

3.1 鋼護(hù)筒措施

從階梯型變截面樁承載特性可以看出，變截面段是荷載傳遞的主要途徑，采用鋼護(hù)筒方式可以更好地發(fā)揮變截面的承載效應(yīng)，而鋼護(hù)筒的埋置深度除了滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94—2008》要求外，其本身也要有一定的剛度，保證在埋設(shè)過程中不會(huì)發(fā)生變形，且鋼護(hù)筒一般應(yīng)打入相對(duì)穩(wěn)定的土層，并進(jìn)入一定的深度，能承受其上施工平臺(tái)的荷載。

對(duì)于鋼護(hù)筒的直徑應(yīng)按照式⑵計(jì)算確定：

式中：d為鉆孔形成的樁徑；α為護(hù)筒直徑增大系數(shù)，建議取值為1.1～1.3，但考慮到施工需要，護(hù)筒直徑增大值不宜小于20 cm。

鋼護(hù)筒埋設(shè)可采用上埋式、下埋式和下沉埋設(shè)。埋設(shè)過程中應(yīng)注意平面位置準(zhǔn)確，護(hù)筒四周應(yīng)夯填密實(shí)的粘土，護(hù)筒底應(yīng)埋置在穩(wěn)固的黏土層中，如無法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)換填粘土并夯實(shí)密度，其厚度一般為0.5 m。

3.2 鉆孔設(shè)備及方法

階梯型變截面樁施工的關(guān)鍵技術(shù)之一就是鉆孔設(shè)備及鉆孔方法，鉆孔設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、水文條件、施工周期、場(chǎng)地環(huán)境等因素綜合確定，同種設(shè)備在不同性質(zhì)土體中的鉆孔直徑也有差異，因此應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況選擇合適鉆孔設(shè)備。

鉆孔方法可采用高速、控壓法，在等截面段正常鉆進(jìn)，變截面段時(shí)，吊緊鋼絲繩，使鉆具處于拉伸狀態(tài)，讓每根鉆具充分伸展，高速鉆進(jìn)過程中切削孔壁，并利用泥漿旋流作用沖刷孔壁土層，等充分回轉(zhuǎn)后，再緩緩松動(dòng)鋼絲繩，控制進(jìn)尺速度，達(dá)到擴(kuò)孔的目的；其次還可以采用變截面成孔器，通過控制擴(kuò)徑刀桿的收縮與舒張，從而在特定位置處形成不同直徑的樁孔。此外，還可以采用預(yù)制樁拼接方法，然后壓入土體中，但此種方法僅適用于強(qiáng)度較低的地層，且在壓樁過程中在變截面處容易形成應(yīng)力集中，造成樁體破壞。

3.3 護(hù)壁泥漿選擇

護(hù)壁泥漿也是施工的關(guān)鍵影響因素之一，尤其對(duì)于大直徑樁的鉆孔施工，因泥漿選擇不當(dāng)造成的塌孔案例屢見不鮮。高效可靠的護(hù)壁泥漿能夠保證復(fù)雜地層中孔壁的穩(wěn)定性，確保成孔、成樁質(zhì)量，提高施工效率。在變截面樁施工中，往泥漿里加入絮凝劑聚丙烯酰胺可以保持泥漿不分散、低固相、低密度、低粘度的性能，從而提高施工速度，降低擴(kuò)孔率，并能在遇到滲透性較大地層時(shí)發(fā)揮防漏堵漏作用，有效降低鉆孔成本。

4 結(jié)語

本文從承載特性和施工技術(shù)總結(jié)了變截面樁的研究現(xiàn)狀，并得出以下主要結(jié)論：

⑴變截面樁主要通過變截面段底面端阻力和側(cè)面摩阻力傳遞豎向荷載，相較于等截面樁，可以充分利用上覆良好土層，并通過壓密下層土體，使受力更加合理。

⑵橫向荷載作用下，樁身彎矩大部分由變截面段樁體承擔(dān)，通過增大變截面尺寸，可以提供更高的抗彎剛度，從而增加變截面樁的橫向承載能力，但也存在最佳變截段比例，超過此比例后，對(duì)提高變截面樁橫向承載能力意義不大。

⑶施工工藝的是決定變截面樁成樁效果的關(guān)鍵因素，采用鋼護(hù)筒方式可以更好的發(fā)揮變截面的承載效應(yīng)，鋼護(hù)筒直徑、埋深、鉆孔設(shè)備及方式、護(hù)壁泥漿等方面應(yīng)根據(jù)具體工程地質(zhì)條件選擇。

⑷變截面樁受力相對(duì)合理，但影響因素也較多，受力變形情況也較為復(fù)雜，未來還需進(jìn)一步改進(jìn)研究，以更好地應(yīng)用于實(shí)際工程。