张波 董晓彦 屠海明

(1.上海邮电设计咨询研究院有限公司 200092；2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海200092)

引言

钢管桩基础作为一种成熟的基础形式在港口工程、电力和通信等行业中有广泛的应用，而钢管桩单桩基础作为其中一种，主要应用于承受水平荷载和弯矩的高耸结构。

常规钢管桩单桩基础在沉桩完成后将开挖的基坑用素土回填夯实；而市区道路附近的钢管桩基础工程，当周边存在着较多的煤气、给水或电力等重要管道时，为避免回填土夯实对管道产生不利影响，常采用素混凝土在无模板支护的情况下填充基坑。

本文将根据钢管桩单桩基础水平承载力试验数据，分析素混凝土回填对钢管桩单桩基础水平承载能力的影响。

1 钢管桩单桩基础水平力承载力试验

在软土地基中对相邻的两根钢管单桩进行水平承载能力试验，分别记为1#、2#桩。两根钢管桩材质均为Q235B，桩长均为6m，桩径均为0.5m，壁厚均为10mm。1#桩采用C15素混凝土在无模板支护的情况下回填，2#桩采用素土回填。基坑长宽均为1m，深2m。钢管桩基础尺寸如图1所示，试验现场如图2所示。

图2 试验现场Fig.2 Test site

试验场地下方土体第1层为老填土，以粘性土为主，厚度在0.9m左右；第2层为粉质粘土，以粘性土为主，液性指数IL=0.61，厚度在2m左右；第3层为淤泥质粉质粘土，流塑，压缩性高，液性指数IL=1.31，厚度在8.2m左右，地基土主要物理力学性质指标见表1。

表1 地基土主要物理力学性质指标Tab.1 Main physical and mechanical properties of soil

试验采取在桩顶逐级施加和卸载水平力及弯矩的方法，待土体稳定后读取桩顶水平位移读数，结果如图3所示。在试验过程中桩周边土体均未产生明显的塑性变形，所施加荷载未超出桩的水平承载力极限。

图3 荷载-桩顶水平位移Fig.3 Load-horizontal displacement of pile top

试验结果显示，在桩顶施加水平力15.4kN、弯矩128kN·m的荷载，1#桩、2#桩桩顶水平位移分别为8mm、6.5mm，表明采用素混凝土回填的钢管桩单桩基础桩顶水平位移增大，水平承载能力下降。

2 素混凝土回填钢管桩单桩基础的计算分析

1#桩顶部采用素混凝土回填，行成的桩头长宽均为1m，与桩身直径差距不大，且桩头和桩身形成一个整体共同抵抗顶部传递来的水平力和弯矩，故将1#桩按照变截面单桩基础进行分析。

邹贵华等[1]总结了变截面桩水平承载能力的变化规律，任士房等[2]给出了变截面桩桩身承载力和位移的计算方法，陈允锐[3]等验证了钢管桩基础SAP2000软件分析结果和数值分析结果的一致性。借鉴上述计算方法分析钢管桩单桩基础桩顶水平位移，在SAP2000中建立1#桩模型并在长度方向分为60段，每一段0.1m，在节点处施加弹簧约束来模拟土体提供的水平位移抵抗力，在桩顶施加上部荷载，在桩底施加竖向位移约束，计算分析模型如图4所示。

图4 1#桩计算模型Fig.4 Calculation model of pile 1

每一节点处施加的弹簧约束刚度K取值与桩身计算截面宽度和桩侧地基土水平抗力系数有关[3]，并增加弹簧约束刚度折减系数来体现地基土扰动产生的不利影响:

式中:m为地基土水平抗力系数；z为弹簧约束施加位置的深度；φ为弹簧约束刚度折减系数；b0为计算截面宽度；Δh为桩身分段长度。

1.地基土水平抗力系数m取值

根据规范[4]和地基土的主要物理力学性能指标，第一层土属于老填土，m1值取10000kN/m4；第二层土属于可塑状粘性土，m2值取10000kN/m4；第三层土属于淤泥质土，m3值取4000kN/m4。

2.计算截面宽度b0取值

上层素混凝土回填部分截面为方形，根据李维树等[5]的研究，方桩的计算截面宽度b0与桩的截面宽度b有关，并与截面高度h和桩侧土体裂隙扩散角度θ有关，计算公式如下:

一般土体裂隙扩散角度为30°，而本工程因采用素混凝土在无支护措施下直接填充基坑的施工方法，缺乏混凝土养护措施，且没有采用素土回填夯实，混凝土终凝后产生的收缩会降低其与周边土体的结合力，导致素混凝土回填部分侧面无法有效传递摩擦力给周边土体，故取桩侧土体裂隙扩散角度为0°，由此可得素混凝土回填部分计算截面宽度为:

下层钢管桩计算截面宽度可直接按规范[4]进行计算:

3.弹簧约束刚度折减系数φ取值

采用素混凝土回填对周边土体产生的扰动，除了影响桩身计算截面宽度外，同时会降低土体对桩水平位移的抵抗能力，故增加折减系数φ以考虑抵抗能力的变化。其取值与施工过程产生的扰动有关，扰动越大，φ的取值越小；下部未扰动的土体不进行折减，取φ=1.0。

按上述方法可计算出桩身各节点的弹簧约束刚度，当素混凝土换填部分的弹簧约束刚度折减系数φ取0.3时，部分节点的数值见表2。

表2 1#桩换算弹簧刚度(部分节点)Tab.2 The equivalent spring stiffness of pile 1(part node)

3 计算与试验结果对比分析

首先利用第2章方法分析2#桩，因未采用素混凝土换填，在弹簧约束刚度计算时桩身计算宽度通长取1.125m，弹簧约束刚度折减系数φ取1.0。建立模型分析后得到2#桩的桩顶水平最大位移为6.59mm，与实测值6.5mm的误差为1.5%，证明计算合理。

对存在土体扰动的1#桩，参照表2数据，按照素混凝土回填部分弹簧约束刚度折减系数φ分别取值0.3、0.4、0.7和1.0四种情况进行分析，并将位移计算结果与试验结果进行对比，结果如图5所示。

图5 1#桩荷载-桩顶水平位移曲线Fig.5 The curve of pile1# about load-horizontal displacement of pile top

从图5可以得出，当φ取值为1.0即土体无扰动时，在桩顶水平力15.4kN、弯矩128kN·m的荷载下，桩顶水平位移计算值为5.0mm，小于2#桩的位移实测值6.5mm，这证明1#桩顶部进行素混凝土回填后可以提高桩身刚度，如顶部混凝土基础部分按常规方法进行施工养护并在周边采用素土回填夯实，基础水平承载力会显著提高。

随着土体扰动的增加，桩顶水平位移逐步放大，桩身水平承载能力相应降低；当体现扰动情况的弹簧约束刚度折减系数φ取值0.3时，在桩顶水平力15.4kN、弯矩128kN·m的荷载下，桩顶水平位移理论计算值为8.26mm，与试验实测值8mm的误差为3.25%，且桩顶水平位移曲线能够包络试验结果，计算数值与试验结果基本吻合。

4 结论

1.在软土地基中进行的钢管桩单桩基础水平力承载试验表明，钢管桩顶部小面积范围内采用素混凝土回填会降低桩身水平承载力。

2.用SAP2000进行钢管桩单桩基础受力分析时，可利用弹簧约束来模拟地基土对桩基础产生的侧向抗力，并可以通过弹簧约束刚度折减系数来体现土体扰动产生的不利影响。

3.计算分析采用素混凝土回填的钢管桩单桩基础时，素混凝土回填部分的桩身计算截面宽度取实际截面宽度，弹簧约束刚度折减系数φ取0.3，桩顶水平位移计算结果与试验相近。