摘要：作为水域中桩基础施工的围堰结构，钢护筒的应用愈加广泛，钢护筒因为施工或者拆除困难等原因有时不再回收，从而与钢筋混凝土材料一起形成钢管混凝土复合桩。为探明钢管埋深对钢管混凝土复合桩竖向承载特性的影响，通过离心模型试验，着重研究钢管埋深对钢管混凝土复合桩桩侧摩阻力、桩端阻力等因素的影响。结果表明：钢管混凝土复合桩的上部钢管段（钢护筒）合理埋深为桩长的1/3，当钢管段埋深小于1/3桩长时，钢管混凝土复合桩的桩侧摩阻力会出现双峰现象，当钢管段埋深大于1/3桩长时，钢管混凝土复合桩的桩侧摩阻力双峰现象将逐渐消失；根据钢管混凝土复合桩的竖向承载特性，提出适用于钢管混凝土复合桩的竖向极限承载力计算公式，以期为钢管混凝土复合桩的设计与施工提供理论指导。
关键词：桩基础；钢管混凝土复合桩；离心模型试验；钢管埋深；竖向承载特性
1 离心模型试验
1.1 试验原理与材料选取
本试验将采用长安大学 TLJ-3 型土工离心机，运用土工相似理论，确定原型与模型的比例为 100，即采用 100g 的离心加速度。试验土将采用人工制备的黄土，最终配制的土样含水率为 13.5%，与最佳含水率一致。钢管挤土区（本试验挤土区范围为0.5D，D 为钢管直径）土体模量为 21.74MPa，非挤土区土体模量为 19.76MPa。钢筋混凝土桩将采用长35cm、外径 25mm、壁厚 2mm 的铝合金管材进行模拟，其弹性模量为6.33×1010 MPa。钢护筒将采用外径 30mm、壁厚 2mm 的钢管进行模拟，其弹性模量为1.64×1011 MPa。
1.2 试验装置设计
1.2.1 模型箱选取
为了尽可能减少尺寸效应对于钢管混凝土复合桩竖向承载特性的影响，本试验将选取长安大学TLJ-3型土工离心机配套的大模型箱，具体的模型箱尺寸如图1所示。
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图 1 模型箱示意图
1.2.2 反力架的设计
反力架的目的将用来调节荷载的大小以及固定安装位移计，本试验根据模型箱的尺寸以及固定位移计的空间设计了如图 2 所示的反力架。
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图 2 反力架设计示意图
1.2.3 加载装置设计
竖向加载将通过在模型桩桩顶的加载平台上添加铁片来实现，竖向总共分为8级加载，其中加载平台自身的重量可视为第一级加载，加载大小依次为225N、450N、675N、900N、1125N、1350N、1575N、1800N。加载装置如图3所示。
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图 3 竖向加载装置
1.2.4 测量装置的布设
本试验应变片将采用BE120-3AA型号，为保证应变片在测试过程中的完好性，将在模型桩内部布设应变片，过程中需要将模型桩纵向剖开，贴完应变片后再用环氧树脂对模型桩进行黏贴复原，桩身应变片布设的位置如图4所示。桩底土压力盒将黏贴固定在模型桩的封底铁片上。桩顶沉降将采用WDL-25直滑式导电塑料位移计进行测量，如图5所示。
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图 4 应变片布设图
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图 5 WDL-25 直滑式导电塑料位移计
1.3 试验工况设计
为分析钢管埋深对钢管混凝土复合桩竖向承载特性的影响，本试验将钢管埋深分为8cm、12cm、16cm、20cm四种工况，其他参数详见上述描述，还将与无钢管的钢筋混凝土桩进行对比，不同钢管埋深的钢管混凝土复合桩如图6所示。
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图 6 不同钢管埋深的钢管混凝土复合桩
2 试验成果分析
2.1 钢管埋深对钢管混凝土复合桩桩侧摩阻力的影响
钢管混凝土复合桩不同埋置深度时桩侧摩阻力的分布规律如图7~图10所示，无钢管时的桩侧摩阻力分布如图11所示。桩侧摩阻力的产生是由于在桩顶施加荷载，桩土之间发生相对位移，桩周土体产生剪切变形，然后桩周土体会对桩侧产生一个方向向上的力，这个力就是桩侧摩阻力，此时的桩相对于土体向上运动。当桩相对于桩侧土体向上运动时，桩侧土体会对桩产生一个向下的力，这个力是桩侧负摩阻力。
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图 7 钢管埋深 8cm 时桩侧摩阻力分布规律
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图 8 钢管埋深 12cm 时桩侧摩阻力分布规律
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图 9 钢管埋深 16cm 时桩侧摩阻力分布规律
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图 10 钢管埋深 20cm 时桩侧摩阻力分布规律
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图 11 无钢管时桩侧摩阻力分布规律
从图7~图8可知，当钢管段的埋深较小时，也就是当钢管埋深为8cm、12cm时，钢管混凝土复合桩的桩侧摩阻力会出现双峰的现象，即在上部钢管段出现一个峰值，在下部钢筋混凝土段出现一个峰值，在上部钢管段和下部钢筋混凝土段之间会产生一个桩侧摩阻力较小值，而且上部钢管段出现的峰值要明显大于下部钢筋混凝土段出现的峰值。分析其原因，出现双峰值的主要原因是上部钢管段端部会对土体产生向下及外侧的挤压，使得上部钢管段与下部钢筋混凝土段交界处附近出现一个桩土位移相对较小的区域，所以此部位的桩侧摩阻力较小。而上部钢管段及下部钢筋混凝土段的相对位移较大，因此会产生一个相对较大的桩侧摩阻力。至于上部钢管段的桩侧摩阻力峰值要明显大于下部钢筋混凝土段的原因主要是上部钢管段的直径相对下部钢筋混凝土段要大，对土体产生的挤压效应更加明显。
从图9~图10可知，当钢管段的埋深较大时，也就是当钢管埋深为16cm、20cm时，钢管混凝土复合桩的桩侧摩阻力将不会出现双峰的现象。分析其原因，主要是当钢管埋深较大时，桩端对土体侧向挤压，会阻碍钢管段端部土体的沉降变形，使得桩土之间的相对位移变大，因此原来的桩侧摩阻力较小段将逐渐消失，即双峰现象消失。
由于钢管混凝土复合桩的桩长为 35cm，根据上述分析可知，当钢管混凝土复合桩上部钢管段小于1/3 桩长时，桩侧摩阻力分布会出现双峰现象；当钢管混凝土复合桩上部钢管段大于 1/3 桩长时，桩侧摩阻力分布的双峰现象将逐渐消失。
由图11可知，无钢管时的钢筋混凝土桩桩侧摩阻力整体呈现上大下小的现象，但桩侧摩阻力峰值相对于图7中的钢管混凝土复合桩较小。分析其原因，主要是钢管混凝土桩存在上部钢管段，会对土体产生更大的挤压效应，因此钢管混凝土复合桩桩侧摩阻力峰值较钢筋混凝土桩桩侧摩阻力峰值更大。
2.2 钢管埋深对钢管混凝土复合桩桩端阻力的影响
钢管不同埋深对钢管混凝土复合桩桩端阻力的影响规律如图12所示。
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图 12 钢管埋深对桩端阻力的影响规律
从图12中可知，桩端阻力随着桩顶荷载的增加而逐渐递增，而且当桩顶荷载较小时，桩端阻力变化缓慢，当桩顶荷载较大时，桩端阻力变化急剧。分析其原因，当桩顶荷载较小时，桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力的形式传递到土体中，当桩顶荷载超过一定值时，桩侧摩阻力已经充分发挥，桩顶荷载将主要通过桩端阻力的形式传递到土体中。随着钢管埋深的增加，桩端阻力出现拐点所需施加的桩顶荷载逐渐增大，依次为1003.5N、1271.9N、1447.4N、1462.6N、1483.8N，从中可知，当钢管埋深超过12cm时，出现拐点所需施加的桩顶荷载增幅明显降低。分析其原因，主要是当钢管埋深较大时，钢管段下端对土体产生挤压，上部钢管段、下部钢筋混凝土段以及钢管段端部以下的土体形成一个类似整体的桩，桩侧摩阻力发挥的规律基本一致，因此桩端出现拐点所需施加的桩顶荷载基本一致。
2.3 钢管埋深对钢管混凝土复合桩桩侧摩阻力占比及桩端阻力占比的影响
当桩顶达到极限荷载时，可以得到桩侧摩阻力、桩端阻力和极限荷载的比值，分别称为桩侧摩阻力占比、桩端阻力占比。在本试验中，当钢管埋深分别为0cm、8cm、12cm、16cm、20cm时，其极限承载力分别为892.6N、920.1N、938.7N、947.0N、952.1N，其桩侧摩阻力分别为772.7N、824.9N、851.6N、863.4N、871.7N，其桩端阻力分别为119.9N、95.2N、87.1N、83.6N、80.4N，桩侧摩阻力占比和桩端阻力占比如图13所示。
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图 13 桩侧摩阻力占比和桩端阻力占比
由图13可知，桩侧摩阻力占比随着钢管埋深的增加呈现下降趋势，桩端阻力占比随着钢管埋深的增加呈现上升趋势，两者在钢管埋深为12cm时都出现了一个明显的拐点。分析其原因，当钢管埋深小于12cm时，钢管段的扩径及挤土效应对承载力的贡献较大。当钢管埋深大于12cm时，钢管段及下侧土体基本与内部钢筋混凝土形成了一个整体，再增大钢管埋深对承载力的影响不大。又由于钢管混凝土复合桩的整体桩长为35cm，12cm基本处于桩长的1/3，在实际工程中可以认为当钢护筒的埋深大于1/3桩长时对承载力的提升影响不大，因此在实际工程中为了提升钢筋混凝土桩的承载力又不浪费钢护筒，可将钢护筒合理埋深定为桩长的1/3。
3 钢管混凝土复合桩竖向极限承载力
根据钢管混凝土复合桩的受力特性，提出关于钢管混凝土复合桩的竖向极限承载力公式：
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式中：uQ为钢管混凝土复合桩竖向极限承载力；m ml、u为上部钢管段桩周第m层土厚度和相应的桩身周长；sumpumq、q为上部钢管段第m层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力；pmA为上部钢管段桩端环壁面积；i il、u为下部钢筋混凝土段桩周第i层土厚度和相应的桩身周长；suipuiq、q为下部钢筋混凝土段第i层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力；piA为下部钢筋混凝土段桩端面积。在本试验中，当钢管埋深分别为8cm、12cm、16cm、20cm时，若荷载在极限荷载附近（900N），其桩侧摩阻力相对于无钢管分别提升6.8%、10.2%、11.7%、12.8%。由上述讨论可知钢护筒的合理埋深为桩长的1/3，即约为本试验钢管埋深8cm的情况，因此可在工程实际中将有钢护筒的钢管混凝土复合桩的桩侧摩阻力视为无钢护筒情况下的1.1倍。至于上部钢护筒段底部的环壁面积，相对于整个钢管混凝土复合桩截面面积可忽略不计，因此在工程实际中可不计此部分的端阻力。综上所述，在工程实际中，可将钢管混凝土复合桩的竖向极限承载力公式简化为：
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式中：uQ为钢管混凝土复合桩竖向极限承载力；i il、u为钢管混凝土复合桩桩周第i层土厚度和相应的桩身周长；suipuiq、q为钢管混凝土复合桩第i层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力；piA为钢管混凝土复合桩桩端面积。
4 结论
本文通过离心模型试验，探究了钢管埋深对钢管混凝土复合桩竖向承载特性的影响，主要得出以下结论：
（1）通过离心模型试验，发现当钢管混凝土复合桩上部钢管段小于1/3桩长时，桩侧摩阻力分布会出现双峰现象；当上部钢管段大于1/3桩长时，双峰现象消失。
（2）通过对钢管混凝土复合桩在不同埋深下极限承载力、桩侧摩阻力占比、桩端占比的分析，得到了钢护筒的合理埋深为钢管混凝土复合桩桩长的1/3。
（3）根据钢管混凝土复合桩承载特性，提出了适合工程实际的钢管混凝土复合桩竖向极限承载力计算公式。
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论文作者:陈迪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
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