大直径开口钢管桩承载性状试验分析

何敏斐

(歌山建设集团有限公司，浙江 杭州 310052)



大直径开口钢管桩承载性状试验分析

何敏斐

(歌山建设集团有限公司，浙江 杭州 310052)

摘要：开口钢管桩以具有抗冲击、打入容易、回收方便等优点,在港口工程和桥梁工程中得到了广泛的应用。在此结合大直径开口钢管桩的现场载荷试验，分析了桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥规律。试验结果表明，大直径开口钢管桩的承载力表现为摩擦桩的性状。桩身侧摩阻力沿桩深的发挥是一个异步的过程，上部土层的侧摩阻力发挥先于下部土层。同时，简要分析了土塞对桩基承载性状的影响。

关键词：大直径开口钢管桩；土塞；荷载传递；竖向承载力

近年来，随着港口工程、桥梁工程的发展，开口钢管桩因具有抗冲击、打入容易、回收方便等优点,得到了广泛的应用。虽然开口钢管桩的应用越来越广泛，但其计算理论远落后于工程实践[1-2]。一些现场试验结果表明，按照现有的计算方法得到的结果较实测承载力大，这对工程安全性极为不利[3]。大直径钢管桩的承载特性与桩周土、入岩深度、沉桩工艺等因素有关[3-4]。目前，针对管桩承载力的理论研究，主要有基于可靠度理论的承载力分析方法、数值计算方法及对现有计算方法的改进。现有的开口钢管桩承载力计算忽略了桩端土层闭塞效应的影响，在很多情况下，这与实际工程情况不符合[5-6]。

本文主要结合某工程大直径开口钢管桩静载荷试验，分析了大直径开口钢管桩的竖向承载性状和荷载传递机理，并简要分析了土塞对桩基承载性状的影响。

1工程概况

试桩场地为江苏某风电项目，场地工程地质分布情况及试桩场地地基土物理性质指标见表1。风电场位置离岸约20 km，水深为2～12 m，海底地形变化较平缓。场区水下均为海底滩涂。以第9层粉砂为桩端持力层，埋藏深度适中。最高潮位4.22 m，最低潮位-3.15 m，平均海平面0.08 m，波浪以N向和E向为主，有效波高3.9 m，最大波高6.5 m。试桩长度均为38 m，直径为1 200 mm，壁厚22 mm，弹性模量为210 GPa，桩身材料为Q345B。为保证钢管桩的施工质量，选择整根桩进行沉桩施工，不考虑接桩。钢管桩的施工由打桩船和驳船配合完成。打桩船到现场后，每个桩都采用GPS精确定位。沉桩过程中应尽量保持导管架的水平，防止由于偏击使导管架结构及钢管桩产生过大的桩身应力。试验采用慢速静载荷试验方法，试桩最大加载量为15 000 kN。

表1　土层物理力学参数

2静载试验结果及分析

2.1桩顶与桩端沉降性状

采用同时观测桩顶、桩端的静载荷试验技术，得到试桩各级荷载下的桩顶沉降、桩端沉降见图1。由图1可以看出，当荷载较小时，桩顶即产生沉降，试桩的荷载-沉降曲线表现为线性关系，桩端沉降较小。

当桩顶荷载增大到一定值时，桩顶沉降增速逐渐增大，荷载-沉降曲线逐渐变为非线性，桩端沉降亦逐步增大。由图1还可以看出，桩顶荷载增大到一定值后，桩端沉降开始趋于明显，且表现为非线性沉降，最终发生刺入破坏。单桩竖向承载力取发生明显陡降时的起始点对应的荷载。

图1　试桩荷载-沉降曲线

由图2可知，只有当桩顶荷载增大到一定程度时，桩端阻力才开始逐步发挥；桩端阻力随桩顶荷载的增大而接近线性增大。桩端阻力的发挥与桩端位移的增大接近双折线关系。当桩顶荷载加载至15 000 kN 时，试桩均发生刺入破坏，表明桩端土已达到极限承载力。

图2　桩端力与桩端位移曲线

2.2桩身轴力传递性状

通过预埋在桩身的应力计可以得到试桩在各级荷载下的桩身轴力分布曲线。由式(1)可计算得到某一级荷载作用下任意断面钢筋轴力Q(z)：

Q(z)=ε(z)·Ep·Ap

(1)

式中：Ep为桩身弹性模量；AP为桩身截面，对等截面钢管桩AP=π(D2-d2)/4，其中D和d分别为钢管桩的外径和内径。

试桩的桩身轴力沿深度的分布见图3。

图3　桩身轴力分布图

由图3可知，桩顶荷载由桩侧摩阻力与桩端阻力承担，桩端阻力占桩顶荷载的比例随桩顶荷载的增加有所增大。试桩在桩顶荷载为7 500kN时，桩端力发挥趋于明显，在桩顶荷载为13 500kN时，桩端阻力达2 727kN，承担了20.2%的桩顶荷载，表现为摩擦桩的承载性状。

2.3桩侧摩阻力发挥性状

桩身位置处各土层的平均侧摩阻力分布见图4。

由图4可知，桩身各土层侧摩阻力的发挥是一个异步的过程。当桩顶荷载较小时，上部土层的侧摩阻力先于下部土层发挥作用；随着桩顶荷载的增大，上部土层的侧摩阻力逐渐趋于稳定，而下部土层的侧摩阻力还远未完全发挥。在不同的土层中，平均侧摩阻力有所差别，这是由各层土体力学性质的不同而造成。

图4　桩侧平均摩阻力沿深度的分布

在同一土层中，随着桩顶荷载的增大，平均侧摩阻力也相应增大，但增加的幅度也有差别。在荷载小于4 500kN时，桩端处的侧摩阻力几乎为0，随着荷载的增大，桩端处的侧摩阻力逐渐发挥出来，其值随着桩顶荷载增加而逐步增大。

由此可见，桩侧摩阻力的发挥程度与土层性质及桩顶荷载的大小等因素有关。

3土塞效应分析

目前，针对开口钢管桩的承载力的计算理论还不完善，相关的试验研究亟待开展，特别是大直径开口钢管桩的承载力计算方法。在施工过程中，由于大直径开口钢管桩中间是空的，其挤土效应与实心桩挤土机理存在较大的区别，部分土体会挤入到桩中，形成土塞，土塞与桩内壁的相互作用是一个与多种因素相关的复杂问题。土塞的性质不仅会直接影响到桩端阻力的发挥，还会对桩侧摩阻力产生影响。开口钢管桩的桩端阻力主要来自桩内壁所形成的土塞。

由试验和理论分析可知[7]，钢管桩桩身侧摩阻力与桩内壁土塞阻力的发挥是不同的。桩侧摩阻力在各级荷载下均得到有效发挥，而桩内壁的摩阻力，只有当荷载增大到一定程度时，才能得到有效发挥。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分发挥土塞侧阻所需沉降也越大。

一些研究结果表明，一定高度以上的土柱部分对于土塞承载力的贡献非常小，即存在土塞的有效高度[7-8]。目前，被认可的土塞有效高度一般为5倍桩径左右，当高度大于此数值时，土柱多数情况下不会发生破坏[8]。

4结语

1)大直径开口钢管桩的承载力表现为摩擦桩的性状。

2)各级荷载下，桩身轴力随着深度的增加而减少。当桩顶荷载较小时，桩身下部轴力几乎为0，随着荷载的增大，桩端阻力也开始逐渐发挥出来，所占桩顶荷载的比例随荷载的增加逐渐增大。

3)桩身侧摩阻力沿桩深的发挥是一个异步的过程，上部土层的侧摩阻力发挥先于下部土层。随着荷载的增加，平均侧摩阻力也相应增大，但增加的幅度也有所差别。

4)桩内壁所形成的土塞，其与内壁相互作用与桩顶荷载大小密切相关。只有当桩顶荷载增大到一定值，土塞与内壁的摩阻力才能得到有效发挥，桩端力主要与有效土塞高度内的摩阻力相平衡。

参 考 文 献

[1]贾德庆，陈锋，吕黄.大直径开口钢管桩承载力特性的分析[J].水运工程，2004(10):22-24.

[2]金东振，施呜昇，秦玉琪,等.提高大直径钢管桩承载力的探讨[J].水运工程，1980(9):1-6.

[3]李学民，伍军，李国亮,等.开口钢管桩竖向承载力机理及计算探讨[J].桥梁建设，2005(4)：38-40.

[4]胡利文，贾德庆，傅洁馨.开口钢管桩承载力影响因素[J].水运工程，2005(9):17-22.

[5]许英，徐骏，吴兴祥.港口工程大直径管桩竖向承载力可靠性研究[J].江苏科技大学学报:自然科学版，2011,25(6):516-519.

[6]王君辉，冯建国，张华平.开口钢管桩桩基承载力桩端部分计算方法探讨[J].水运工程，2012(1):49-53.

[7]RANDOLPHM.F,LEONGE.C,HOULSBYG.T.OnedimensionalAnalysisofsoilplugsinpipepiles[J].Geotechnique,1991,41(4):587-598.

[8]BRUCYF,MEUNIERJ,NAUROYJF.Behaviorofpilepluginsandysoilsduringandafterdriving[C]//Proc. 23rdOffshoreTech.Conf.Houston:[s.n.], 1991：145-154.

收稿日期：2015-12-16

作者简介：何敏斐(1975—)，男，浙江杭州人，高级工程师，从事建筑工程施工技术管理工作。

中图分类号：TU473

文献标志码：A

文章编号：1008-3707(2016)03-0023-04

Experimental Analysis on the Bearing Behavior of theOpen Steel Pipe Pile with Large Diameter

HE Minfei