1、广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.008作者简介：莫成（1970-），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程领域的研究。基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题（2017G007-D、2017G008-J）；中国中铁股份有限公司科技研究开发计划重点课题（202011，202112）E-mail：0引言随着经济的发展，扩底桩由于具有高承载力的特点得到了广泛应用1。其中超长超大直径扩底桩荷载传递机理复杂，且
2、国内相关工程较少，缺乏能够提供参考的资料，因此开展超长超大直径扩底桩桩基承载力性状研究对指导现场施工尤为重要。对于超长桩来说，桩身的轴力会随着桩长的增加逐渐减小，但是桩身长度的增加可以有效的避免桩身的脆性破坏2。超长桩的承载力与施工因素、土层性质、土层分布及后注浆效果密切相关3。在计算软土中超长的灌注单桩的承载力时，钟杰等人4对桩侧的摩阻力系数进行优化，使得计算值更接近实验数据。徐源等人5通过实验发现，当桩身达到40 m时，桩的侧向摩擦阻力会达到极限状态。郭一斌等人6发现桩身侧阻力由上往下依次减小，桩侧阻力的软化现象发生在桩身的中上部。唐杰等人7通过小比例模型实验，验证了超长桩具有有效桩长这一
3、概念，同时通过有限元分析，得出土层的性质及桩顶沉降对有效桩长的影响较为显著，而泊松比对有效桩长的影响可以忽略。在实际工程这种，扩底桩能够在复杂地层中的满足透水性和强度要求8。对于大直径扩底桩承载力的计算，江杰等人9认为桩端模量是变化的，采用非线性函数，对桩侧采用双曲线函数进行荷载传递法。认为桩长对承载力的影响大于桩侧和桩端。目前，国内外学者主要通过现场试验、理论分析、数值模拟及模型试验等方法对桩基侧阻力分布、沉降规律等进行了大量研究工作。在现场试验方面，管金深厚软土地层超长超大直径扩底桩承载力性状及机理研究莫成1，岳琪迪1，刘昭1，周浩2（1、中铁五局集团华南工程有限责任公司广东东莞52316
4、0；2、中铁五局集团有限公司长沙410007）摘要：深厚软土地区超长超大直径扩底桩荷载传递机理复杂，且国内相关工程数量少，可供施工人员参考资料有限，传统桩基理论已无法合理的分析其工作机理和受力特性。文章依托深圳大运枢纽超长超大直径扩底桩工程，通过现场静载试验与数值仿真分析，研究了在深厚软土地层中超长超大直径扩底桩在静载作用下的荷载传递机理及沉降规律。基于荷载传递法，针对深厚软土地基的特殊性质，考虑了桩侧土初始剪应力、软化特性以及桩端土加工硬化特性，进行了沉降公式的推导。并基于MATLAB，开发了高性能的迭代算法以研究单桩的承载力性状。结果表明：现场试验、数值模拟与理论算法得到的荷载-沉降曲线线
5、型吻合较好。当传递深度达到约0.4倍桩长时，下部桩身基本不产生压缩变形；桩基极限承载力大于设计值，存在较大的承载潜力，桩基设计较合理，满足承载力要求，可以为同类地区桩基工程设计与施工提供参考。关键词：超长超大直径扩底桩；深厚软土；沉降规律；静载试验；数值仿真；荷载传递法中图分类号：TU473.1文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-030-06Study on Bearing Capacity and Mechanism of Super-long and Large Diameter Belled PileStudy on Bearing Capacity and Me
6、chanism of Super-long and Large Diameter Belled Pilein Deep Soft Soil Areain Deep Soft Soil AreaMO Cheng1，YUE Qidi1，LIU Zhao1，ZHOU Hao2（1、South China Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd.Dongguan 523160，China；2、China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd.Changsha
7、410007，China）AbstractAbstract：As the load transfer mechanism of the super-long and large-diameter belled pile is complicated，there are seldom related projects in China.The reference files are limited and the traditional theory cannot analyze the working mechanism and bearing capacity of the super-lo
8、ng and large-diameter belled pile foundation reasonably.Based on the project of the super-long and large-diameter belled pile in Shenzhen Dayun junction center station，the load transfer mechanism and settlement law of the super-long and large-diameter belled pile are studied through on-site static l
9、oad test and numerical simulation.Considering the deep soft soil，the initial shearing stress and softening behaviorof the pile lateral soil，and the hardening behavior of the pile end soils，the settle formula of the belled pile is derived through the loadtransfer method.What s more，the superior itera
10、tive algorithm for the calculation of the bearing capacity is developed based on the Matlabsoftware.The results show that：the predicted load-settlement curves agree well with those from on-site tests and numerical simulation.Whenthe transfer depth reaches 0.4 times of the pile length，the below pile
11、does not cause compressive deformation.The ultimate bearing capacityis larger than the design value，which meets the basic requirements and provides some references for future projects.Key wordsKey words：super-long and large-diameter belled pile；deep soft soil；settlement law；static load test；numerica
12、l simulation；load transfer method30莫成，等：深厚软土地层超长超大直径扩底桩承载力性状及机理研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期萍等人10、刘增荣等人11发现桩基穿越地层的性质对桩基承载力性能影响较大。赵程等人12、LI 等人13、MOHAMMADREZA 等人14分别对钻孔灌注桩、大桩径嵌岩桩及螺旋桩的荷载-沉降特性进行研究和实验，结果表明不同桩型的荷载传递机理及沉降规律同样具有较大的差异。现场静载试验作为评定桩基质量最直接、最常用的技术手段，一直受到工程界的青睐，但也存在工程量大、费用高及耗时长等不足。在理论计算方面
13、，剪切位移法15-17、荷载传递法18-21及弹性理论法22-23是目前对桩基荷载-沉降特性及桩-土荷载传递机理研究的最常用方法，这些方法在较为合理的假定基础上，进行弹塑性力学公式的推导，或搭建了桩侧非线性弹簧模型来进行沉降的计算，在操作上简单易行，且能保证一定的精度，因此也广泛应用于工程项目。但各个方法均存在一定的缺陷和问题需要讨论，如不良地质下，桩侧土软化特性24、低荷载作用下初始剪应力对桩-土的影响25、桩端沉渣等施工质量不佳等情况的影响等等。基于此，本文以深圳大运枢纽超长超大直径扩底桩工程为依托，首先开展了现场静载试验，研究深厚软土地层扩底桩的静载特性，然后采用数值模拟方法，研究静载作
14、用下的扩底桩的荷载传递机制及受力行为，结合现场试验验证其可靠性。最后基于荷载传递法，考虑桩侧土初始强度与软土的应力软化特性，采用桩侧三折线模型与桩端双折线模型构建的荷载传递函数对单桩受力性状进行研究，得出桩顶荷载-沉降曲线。成果可以为深厚软土地区桩基工程设计及施工提供指导。1工程概况深圳某新建交通枢纽工程为集城际、快线、普线多层次的区域性客运交通枢纽，辐射范围达 800 m。大运枢纽工程的地下结构在建设初期，涉及大量桩基的施工，且穿越地层以粉质黏土、全风化砂岩、强风化砂岩为主，纵向地质差异较大，性质较为复杂。因此，本工程选择采用大量超长长大扩底桩基来解决以上问题。车站扩底桩标准段桩身直径2.5
15、 m，桩底段高4.7 m，最大直径为4.2 m，其直径之大在国内少有，对施工设备要求较高。对大运枢纽场地的E1#扩底桩进行现场静载试验，其中桩基设计采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，混凝土强度设计等级为C35，混凝土添加抗裂防水剂和聚丙烯网状纤维，以减少混凝土的收缩裂缝，增加混凝土的抗裂能力。设计未扩大段桩径为2.5 m，扩大段最大直径为4.2 m，设计桩长为32 m，设计单桩承载力特征值为17 500 kN，持力层为粉质黏土。2现场静载试验2.1试验加载装置本次试验采用的是压重平台反力装置，配重方面采用2.5 t/个标准混凝土荷载块。支撑结构部分，主要包括反力横梁和钢架，其中，反力横梁由主梁和次梁组
16、成且均采用工字形钢梁。接着，使用型号为 QF-320-20及QF630-20油压千斤顶施加分级荷载，荷载大小通过油压表进行读取，桩顶位移使用型号为RS-JYD或RSWS-50百分表来读取，试验装置如图1所示。2.2现场试验采用慢速维持荷载法进行分级加卸载，根据 建筑桩基检测技术规范：JGJ 106201426相关要求，采用慢速维持荷载法，每级加载量为预定最大加载量的1/10，第一级按2倍分级荷载加载，在每一级荷载作用下，桩顶每小时的沉降量小于0.1 mm，可加载下一级荷载。本次单桩静荷载试验每级施加荷载1 750 kN，最大施加荷载为17 500 kN，卸载量取分级加载的2倍。在桩基顶面的正交直径方向对称安装4个百分表进行沉降测量，测量精度为0.01 mm，以4个百分表的平均值为最终读数。此外，需要确保固定和支承百分表的夹具和横梁不受地表影响而发生竖向位移，因此在使用前需提前调零，并保持加载速率不能过快导致百分表读数的震荡。当荷载达到设计竖向抗压承载力特征值时27，停止加载并等待指针稳定后读取沉降值。卸载过程中，每级卸载稳定后测取桩顶残余沉降量。2.3试验结果根据设计方案，采用分级加卸