陈贵发 朱峰

摘要：为了掌握钢护筒桩基础的受力特性与破坏机理，提高工程结构的安全性，以某内河直立码头项目为研究对象，开展了1∶20的室内钢护筒嵌岩桩模型试验，分别对普通预制桩和钢护筒预制桩进行了嵌岩竖向承载试验和水平承载试验，对比分析了有钢护筒和没有钢护筒的条件下，桩体嵌岩深度对桩基承载性能的影响。分析结果表明，由于钢-岩土界面的咬合力较弱，钢护筒嵌岩桩的竖向承载力略小于普通嵌岩桩的竖向承载力;钢护筒对桩身刚度的加强可以将桩顶水平荷载的作用效应放大传递至钢护筒下端面，导致下端面的混凝土呈水平向脆性剪切破坏，从而可能降低钢护筒嵌岩桩的水平承载力。研究结果可以为钢护筒嵌岩桩码头结构设计提供数据参考。

关键词：港口工程;嵌岩桩;钢护筒;模型试验;承载力

中图分类号：TU45文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03013

Abstract：In order to master the stress characteristics and failure mechanism of steel casing pile foundation and improve the safety of engineering structure， the 1∶20 indoor model test of rock embedded steel casing pile was carried out by taking an inland river vertical wharf as the research project. The vertical bearing test and horizontal bearing test of common precast piles and steel casing precast piles were carried out respectively， and the influence of rock embedded depth on the bearing capacity of pile foundation with and without steel casing. The results show that the vertical bearing capacity of the steel casing rock embedded piles is slightly less than that of the ordinary rock embedded piles due to the weak bite force of the steel-soil interface; the reinforcement of pile stiffness by steel casing can amplify the effect of horizontal load on pile top and transfer it to the lower end face of steel casing， resulting in horizontal brittle shear failure of concrete at the lower end face， which may reduce the horizontal bearing capacity of rock embedded piles with steel casing. The research results can provide data reference for the structural design of steel casing rock embedded pile wharf.

Keywords：port engineering; rock embedded pile; steel casing; model test; bearing capacity

近年來，得益于内地大型水利设施的不断完善，各大干线航道的通航水深条件均得到巨大改善[1-2]。长江航道沿途新增设了多个深水港口，内河航运的优势得到了进一步充分发挥[3-4]。框架式直立码头作为一种可以通过分层系缆而适应水位变化的水工结构形式，在内河港口建设中得到了广泛应用[5-6]。

受到施工工艺的影响，内河码头施工过程中通常需要在泥质岸坡中提前埋入钢护筒直到基岩作为钢筋混凝土桩基的成桩支护，然而在成桩完成后，钢护筒一般直接保留于原地，从而形成钢护筒嵌岩桩复合基础[7]。与钢筋混凝土嵌岩桩相比，钢护筒嵌岩复合桩的不同组件之间具有明显的协同受力特征[8]。现有的工程经验表明，钢护筒的存在对提高施工便捷度和结构刚度起到积极作用，但是钢护筒显著改变了结构抗力分布的均匀性，从而使得结构的破坏模式变得复杂而且难以预测。因此开展结构受力特性研究有利于优化结构设计承载力，提高工程结构的安全性和可靠度。

已有研究[9]认为，钢护筒嵌岩桩与普通钢管混凝土桩相比，在承受的荷载类型上有巨大差异。普通混凝土桩，由于约束作用，而需要承受额外的弯矩，因此钢套筒与混凝土之间的变形协调问题显得格外突出，钢护筒对混凝土桩基的保护机制显得极为复杂[10]。现有针对钢护筒混凝土结构的研究大多数集中在数值模拟计算和局部结构试件试验方面。如汪德隆等[11]参考数值计算的分析结果对钢护筒桩的变形处理提出了应对措施;曾定帮等[12]基于大量局部模型试验的结果对钢护筒灌注桩的施工过程提出了定量要求。从已有的研究报道看，针对钢护筒灌注桩的整体模型试验成果相对较少。

本文依托重庆港果园作业区二期扩建工程，通过室内单桩的物理模型对比试验，对内河框架码头钢护筒嵌岩桩基在竖向和水平力作用下的受力特性、桩基失效模式分别进行了研究，定量分析钢护筒对结构的加强作用，为类似工程提供参考案例。第3期陈贵发，等：钢护筒嵌岩桩基联合受力响应特性试验研究河北工业科技第38卷

1模型试验

钢护筒外侧与地基土体直接接触，内侧裹有钢筋混凝土桩体结构。在荷载作用下，钢护筒与地基土之间必然会产生相对滑移等非线性作用;在荷载逐渐增大的过程中，钢护筒与混凝土桩体之间同样会在界面位置发生不协调变形，从而在结构的力学响应上呈现不同特性[13]。为了对上述现象开展直观定量的研究，本文选取1∶20作为模型试验比尺，开展钢护筒嵌岩桩的承载特性研究。

1.1试验模型与装置

模型试验中，依据相似规则，采用直径100 mm，壁厚1 mm的钢管模拟真实情况下的钢护筒;桩芯混凝土采用M30水泥砂浆进行模拟，其质量配合比设定为m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）=100∶176∶32;按照配筋率一致为标准，钢筋主筋设置为4根，直径4 mm;箍筋选用直径0.1 mm钢丝，间距设置为3 cm。配筋示意图如图1所示。

根据长江中下游的典型基岩特性[14]，泥岩的单轴抗压强度约4 MPa，强风化状态下的地基承载力可达到300 kPa。试验中采用低强度混凝土来模拟基岩对桩的作用，选取质量配合比m（水泥）∶m（粗骨料）∶m（细骨料）=100∶100∶400制作人工混凝土基岩，经测试混凝土基岩的抗压强度为300 kPa。

试验中采用液压千斤顶对桩体分别进行竖向与水平向加载，加载装置如图3所示。实施过程中采用逐级加载的方式进行控制[15-17]，每一级载荷大小为预估承载力的10%。实施过程确保荷载传递均匀有效，并以5 min内位移响应差值小于0.01 mm为加载稳定的标准。

试验中，在桩顶部及桩身侧面布设传感元件记录加载过程中桩体不同部位的动态响应过程。采用荷载传感器与千斤顶串联方式直接测量荷载大小;采用位移计测量桩顶的纵横向位移及地基位置处的横向位移;采用应变片测量桩身轴向应变和地基横向应变。应变片具体布置如图4所示。

1.2试验设计

为了对比分析钢护筒及嵌岩深度对桩基承载性状的影响，根据嵌岩深度，在有/无钢护筒以及不同加载方向条件下，共设计12根模型桩，试验模型桩编号及基本尺寸参数见表1。

表1中，桩的代号中，Z代表嵌岩深度：Z1，Z2和Z3分别代表嵌岩深度为300，400和500 mm;P代表有无钢护筒：P1代表有钢护筒，P2代表无钢护筒。

2试验结果分析

2.1桩基础竖向承载力结果分析

为对比说明钢护筒对嵌岩桩竖向受力与变形的作用，试验选取了Z1P1（有钢护筒）和Z1P2（无钢护筒）2组结果进行对比，荷载-位移结果如图5所示。

从图5中可以看到：在荷载加载至9 kN之前，2个试验方案的竖向力-位移曲线几乎重合，当竖向荷载进一步加大后，有钢护筒的试验桩（Z1P1）位移变化幅度大于Z1P2桩。经过对试验的分析可知，该结果是由于随着竖向力的增加，钢护筒逐渐被压入地基中，但钢与地基的咬合作用弱于混凝土与地基的咬合作用，因此竖向刚度随着竖向位移的增加而逐渐减弱。对于竖向承载力亦是同理，由于钢护筒的机械咬合力较弱，导致嵌岩桩的整体竖向承载力相比无钢护筒的情况减小约10%。

为进一步说明钢护筒对嵌岩桩侧摩阻力的影响，试验选取了Z2P1（有钢护筒）和Z2P2（无钢护筒）2组结果进行对比，桩身轴力沿着深度的变化结果如图6所示。从图中可以看出，Z2P1桩与Z2P2桩侧摩阻力分布均呈双峰型。在岩面至桩身嵌岩深度1/3之间，侧摩阻力得到充分的发挥。在桩身嵌岩深度1/3至2/3之间，桩侧阻力均减小，但钢护筒嵌岩桩的减小程度小于传统嵌岩桩。在桩身嵌岩深度2/3至嵌岩底端之间，桩侧摩阻力又因为复杂的端部土体变形而有所增加。从轴力分布结果来看，钢护筒嵌岩桩的桩侧摩阻力值变化较小，分布较为均匀。

2.2桩基础水平承载力结果分析

为说明钢护筒对嵌岩桩在横向力作用下变形的影响，选取了Z4P1（有钢护筒）和Z4P2（无钢护筒）2组结果进行对比，其对应的水平力-位移结果如图7所示。

从图7中可以看到，对于模型桩Z4P1，当水平位移小于3 mm时，桩顶的水平位移随横向荷载的增加呈线性增大;当水平位移超过3 mm之后桩体水平承载力停止显著增长，当桩顶的水平位移接近9 mm时，水平荷载达到桩的水平极限承载能力。对于桩Z4P2，当水平位移超过6 mm之后则呈非线性变化;当桩顶的水平位移接近15 mm时，桩体达到水平极限承载能力。从试验结果看，钢护筒嵌岩桩的水平极限承载能力约为0.4 kN，而传统嵌岩桩的承载能力约为1.65 kN，这表明，在相同的嵌岩深度下，钢护筒嵌岩桩的极限承载能力仅为普通嵌岩桩的1/4，另外2种嵌岩深度下的规律也基本一致。因此钢护筒会大幅降低桩身的水平承载能力。

为比较不同嵌入深度对钢护筒嵌岩桩的水平承载力的影响，选取了Z4P1（嵌入3D）、Z5P1（嵌入4D）和Z6P1（嵌入5D）3组试验结果进行对比，其对比结果如图8所示。

从图8中可以看出，3条曲线的斜率随着嵌岩深度的增加而增加，这说明嵌岩深度的增大会提高桩体的水平变形模量;3个试验桩的水平极限承载能力呈现先增大后减小的趋势，Z4P1的承载力为0.45 kN，Z5P1的承载力为0.70 kN，Z6P1的承载力降低为0.40 kN，结论说明嵌岩深度对桩基承载力的影响同样是非线性的。

桩基破坏模式是影响桩体承载力的根本因素。本次试验在完成水平向加载后，记录普通桩和钢护筒桩的失效状态，结果如图9所示。从图9中可以看到对于普通嵌岩桩，其在水平加载作用下的破坏面出现在泥面附近，与水平向呈45°，是典型的斜截面受弯破坏;钢护筒嵌岩桩的破坏模式与混凝土桩相比存在显著区别，由于钢护筒的局部加强作用，护筒包裹区无显著破坏，直到钢护筒底部出现水平向失效面，呈典型的正截面剪切破坏。

结合桩基础的破坏模式和受力与变形的实测结果进行分析，发现钢护筒对混凝土的保护作用可以有效提高对应区域的桩身刚度和强度。但是由此带来的影响是来自桩顶部的荷载均传递至桩底部嵌岩段，因此结构的整体承载力是由嵌岩段的强度决定的。在實际使用过程中，由于在弯剪联合作用下桩结构正截面缺少有效的抗力，导致沿着钢护筒下边缘的结构截面承载力较低，甚至出现脆性破坏。因此钢护筒桩基础在设计过程中应当充分考虑到这一点。

3结语

本文基于模型试验的方法研究了钢护筒对嵌岩桩受力变形以及承载力的影响，试验采用分组对比的方法对不同荷载类型、不同荷载大小、不同嵌岩深度条件下嵌岩桩承载力和破坏模式在有/无钢护筒状态下的差异。得到的結论如下。

1）竖向荷载作用下，由于钢-岩土界面的咬合力较弱，钢护筒嵌岩桩的承载力略小于无钢护筒的嵌岩桩。

2）水平荷载作用下，钢护筒可以有效提高桩体的水平变形刚度，但是由于钢护筒可以有效将顶部荷载放大传递至桩底部，因此桩底部的混凝土结构强度和嵌岩深度对嵌岩桩水平承载力有较大影响;除此以外，钢护筒嵌岩桩的破坏模式也与无钢护筒桩存在差异，呈现水平截面剪切破坏的状态。因此在后续工程中，建议钢护筒的打设深度尽量短浅，以足够形成护壁为标准，过大的深度会对桩基的破坏模式产生不利影响。

3）在水平力作用下，钢护筒嵌岩桩的薄弱面位于钢护筒下端面。因此在工程实践中需要对该区域混凝土开展特殊的形状与配筋设计，从而实现局部加固。

试验研究仅考虑了单一荷载类型加载，在后续研究中可以进一步开展组合荷载试验以获得结构连续的承载力包络曲线。

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