２０１７年第ｌ２期 西部探矿工程 １ ・岩土工程・ 载体桩的受力机理分析 曹平华 ，张育铠 （江西有色地质勘查五队，江西九江３３２０００） 摘要：载体桩作为一种新的桩型，正在逐步在全国范围内推广。通过分析载体桩在轴向荷载作用 下桩身摩阻力与端阻力的分布来分析研究其受力机理。 关键词：载体桩；应变；轴向力；摩阻力 中图分类号：ＴＵ４７３．１文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１７）１２—０００１—０４ 载体桩自诞生以来，由于其相对一般传统的夯扩 桩等相似桩型，具有造价低、质量易控制、承载力高、生 态环保等特点，在全国范围内逐步推广。但是，作为一 种以改善地基承载力来提高桩身承载力的新桩型，与 传统的以改善桩端或桩身来提高承载力的桩型在受力 机理方面是否相似，缺少相关的研究资料，这使载体桩 在运用推广上受到一定的影响。本文着重介绍了运用 桩身内力测试的方法研究载体桩在轴向力作用下，其 摩阻力和端阻力的关系，对载体桩在不同地质情况下 的运用有着一定的指导意义。 １载体桩的基本原理 干硬性混凝土 填充料 传统基桩为了增加单桩承载力一般都是通过特定 的工艺增加桩侧面积或桩端面积。载体桩突破了传统 的桩基础和地基处理观念，避软就硬，即避开浅部软弱 松散的土层，选择下部层位稳定、土质较好的土层作为 被加固土层，以桩端土体为研究对象，利用重锤冲击成 孔，对周围土体进行挤密加固，当沉管达到设计标高 时，对桩端进行连续填料、夯实、挤密等操作，以三击贯 影响土体 图１载体桩剖面示意图 混凝土，相当于把桩身分成若干个ｌｍ长的单元进行研 究）间绝对长度，在实际工作中，桩身应变的测定是与静 载荷试验同步进行，在试验桩未加荷前，可以测得桩身 任何ｌｍ间的绝对长度，当给桩身施加轴向外力时，桩身 会产生压缩变形，只要反复测得这一位置的长度，其差 值即为这ｌｍ桩身在相应的轴向力作用下的应变昭 ］。 人度作为控制指标，再填以干硬性混凝土，使桩端以下 深度３～５ｍ、直径为２～３ｍ区域约１０ｒｎ３土体得到最有 效的加固挤密，形成自上而下的干硬性混凝土、填充 料、挤密土体和影响土体组成的复合载体，然后再放置 钢筋笼、灌注混凝土［１］。见图１。 ２内力测试方法 本次试验的内力测试是采用目前国内最先进的内 力测试方法——线性监测。在灌注桩身混凝土前在桩 身内部预埋一根测管，测管中每隔ｌｍ安装一个测环，用 根专用探头测量２个测环之间的混凝土（即ｌｍ长的 一桩身混凝土在未受到外力作用下，其桩身的弹性模 量Ｅ是一恒量（桩身材料均匀），当在桩顶施加一轴向力 后，桩身会产生应变，此时桩身的弹性模量Ｅ也会发生 定的变化。在不同的轴向力的作用下，桩身产生的应 一变各不相同，其弹性模量Ｅ也会随之改变，由此，我们可 以建立弹性模量Ｅ与应变￡之间的函数关系式： ｝收稿日期：２０１７—０４—２５修回日期：２０１７－ｏ６—１２ 第一作者简介：曹平华（１９７５一），男（汉族），江西九江人，高级工程师，现从事桩基检测、工程物探与物探勘查工作。 ２ 西部探矿工程 ２０１７年第ｌ２期 Ｅ＝ｆ（ｅ１ 间的混凝土，一般长为ｌｍ）的弹性模量值Ｅ。 依据弹性模量的定义，我们知道： （１） 根据测试的每级荷载作用下的桩身每米的应变量， 根据式（１），可很容易得到桩身每段（即２个测环之 可绘制成应变曲线图，当桩身材料均匀时，测得的应变 自上而下应当是递减的，不应有明显的高应变和低应变 段（点），如在原始应变曲线中有一些不太明显的高（低） Ｅ＝詈： 可得到： Ｑｆ＝ＥｆＸ￡ｆｘＡ （２） （３） 应变值，是因桩身材料强度不均匀造成的。桩身某处若 其应变值高，表明在轴向力作用下，该处桩身的压缩量 大，很可能是在混凝土浇注时，该处混凝土强度比其它 部位稍低，反之，应变值低则表明该处混凝土强度稍高。 式中： 、￡ ——桩身各段的轴向力及应变； Ｅ ——桩身各段的弹性模量； Ａ——桩身横截面积。 可求出桩身各段（每米桩身的上下面）的轴向力Ｑｆ。 根据： － ｒ一一：— Ｑｉ一７ｃ．Ｄ・ ｈ ＋Ｉ （４）Ｉ ．Ｊ一 式中： 一桩身直径； ——每段桩身的长度，一般取值为ｌｍ。 可求得桩侧单位摩阻力的大小。 ３工程实例 江西省某多层建筑，其基础拟采用载体，由于载体桩 在南方使用较少，为了积累载体桩在环鄱阳湖地区承载 力的经验，也是给设计单位提供设计依据，在工程桩施工 前打３根试桩进行静载荷试验，为了精确计算基桩在此地 质条件下阻力和端阻力的分布情况，我公司选了２根试桩 进行内力测试，内力测试使用的仪器是瑞士产的滑动测 微计。现就其中一根试桩的测试隋况简述如下： （１）试桩概况：载体桩，桩长１７．３５ｍ，桩径５００ｍｍ， 桩身混凝土强度等级为Ｃ３０，预估极限承载力为２７００，－－， ３３００ｋＮ，静载荷试验采锚桩反力装置，锚桩提供的反力 预计超过３８００ｋＮ，内力测试与静载荷试验同步进行，试 验加载至３０００ｋＮ时，沉降能达到相对稳定，且沉降量未 超过规范要求，在加下一级荷载（３３００ｋＮ）过程中，桩顶 沉降出现陡降段，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉 降量的５倍，且沉降量超过规范要求，终止加载。 （２）地质情况：共分３层，①层素填土（Ｏ．８ｍ）；②层 粉质粘土（１３．２ｍ）；③层漂（卵）石（５．７ｍ，未揭穿）。 （３）Ｎｇ试结果分析：在桩身混凝土灌注前，在桩身 埋设了一条测管，测管中每隔ｌｍ安装一测环。内力测 试工作是与静载荷试验同步进行，在加荷前（即桩身轴 向力为０ｋＮ时），测读两测环间的绝对长度，在每级荷 载稳定后再测读两测环间的长度，其值与初始之差即 为该级荷载作用下的应变，这样便可得到各级荷载作 用下，整个桩身每ｌｍ长度混凝土的应变。 为了便于对数据进行合理化分析，需对实测数据 进行光滑处理 ］。光滑处理后曲线见图２。 回归应变（１Ｏ一６） １０Ｏ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ 舍 一 聪 囊 图２回归应变 取各级荷载回归曲线（即经光滑处理后的实测应 变曲线）零点处的应变、桩径及桩顶处的轴向荷载，依 据式（２），建立弹性模量与轴向荷载、桩身截面积和应 变之间的关系，在这关系式中，桩身截面积是一固定 值，可以很容易得到不同的应变（即各级荷载作用下产 生的应变）时的桩身的弹性模量。 根据式（１），我们知道弹性模量（Ｅ）与应变（ｅ）是线性 关系，根据上述的不同应变所对应的弹性模量值，利用线 性回归方程，可得到弹ｌ生模量与应变的关系曲线表达式。 Ｅｆ＝一０．００９４ｅｆ＋３１．７１２ （５） 根据式（５）可计算出桩身各段（１ｍ）在相应应变状态 ２０１７年第１２期 西部探矿工程 冒一聒撑 Ｏ ２ ４ ６ ８ Ｏ ２ ４ ６ ３ ８ 下的弹性模量值Ｅ，再应用式（３）可计算出各级荷载作用 下桩身各段轴向力的大小。如图３所示。从图３可以看 出，随着桩的深度增加，在相同荷载作用下，作用在桩身 各段的轴向力一直在减小，减小值即为摩阻力，但减少的 速率不同。在桩的中部偏上部位，轴向力减少的速度最 快，在桩的下部，轴向力减少得很慢，说明试桩在轴向力 作用下，随着深度的不同，其摩阻力分布也不完全相同， 摩阻力（ｋＰａ） 总体而言，桩身上半部承担的摩阻力较大，下半部较小， 在接近桩底部位，由于桩端力的发挥，摩阻力很小。 轴向力（ｋＮ） ５００ ｌ０００ ｌ５００ ２０００ ２５００ ３０００ ３５００ 冒 藤 图４试桩摩阻力 ３０００ ２５００ Ｚ 。。ｏ 盛 密１５００ 幅 主ｍｏ 世 硇５００ ０ 图３试桩轴向力 ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ ３５００ ４０００ 桩顶载荷（ｋＮ） 根据式（４），可计算出桩侧各段单位摩阻力的大 小。如图４所示。从图４可以很直观地看出桩侧单位 摩阻分布，在桩的上部，摩阻力随着深度的增加而增 图５桩顶荷载与摩阻力及端阻力关系曲线 加，在桩的下部，摩阻力随着桩的深度增加而减小。 由式（３）计算出的桩身各段轴向力中最后一段的 值即可认为是桩端承载力，桩最前一段轴向力的值减 去桩端承力即为桩身摩阻力，由此可计算出试桩在各 级荷载作用下端阻力与摩阻力值。见图５。由图５可 以看出，随着桩顶荷载的增加，桩端承载力在不断增 加，摩阻力的增加却不明显，摩阻力占总阻力的比例在 不断减少，在极限承载力状态下，端阻力占总阻力的比 例为２Ｏ％，大大高于相同地质条下同类型的夯扩桩。 ４结论 由于载体桩将地基处理与基桩础施工相结合，提高 了桩端持力层的承载力，在不改变桩径、不增加混凝土 桩头的情况下，大大地提高了载体桩的极限承载力。由 上述试验结果结合以往的施工经验可以得出，在相同的 条件下，载体桩的承载力明显高于其它类型的基桩，而 且载体桩承载力的提高主要是表现在端承力上，即载体 桩的承载力主要为端承力。在实际工程中，我们一般是 把桩型与载体桩相近的夯扩桩当摩擦端承桩或端承摩 擦桩，而桩长不是太长的载体桩，在设计中，因摩阻力占 总阻力的比例较低，可不考虑其摩阻力，基本可以把夯 扩桩认为是端承桩。 （下转第７页） ２０１７年第１２期 西部探矿工程 ７ 岩治理中得到推广使用。 ４．３危岩防治新技术——生态坝 方法中引入了如无人机、Ｃａｌｒａ等先进技术，使治理更高 效、经济，但如何将数值计算与具体勘察防治技术相结 合，如何针对不同类型的危岩进行量化处理，依然是研究 ２１世纪以后，国家越来越注重环境可持续发展和 生态保护，而生态坝防护治理技术体现了治理与环保 中最大的难题，今后的研究中，应具体隋况具体分析，累 积经验，得到—个具体的、可行的、经济的治理方案。 参考文献： 结合的理念，通过就地取材做砌体，加以填土，再覆盖 植被，抵御危岩的冲击，种植的植被随着不断生长，把 土体固紧，达到更大的抵挡效果，最后坝体形成防护体 系，既消除了危岩的危害，也美化了环境。 ［１１ 陈洪凯，杨红梅，叶四桥，】等．危岩防治原理【Ｍ】．北京：地震出 ５危岩研究的展望 版社，２００６． 综上所述，国内的危岩研究，尚未形成完善的体 ［２】王波．四川省巴中地区某危岩体特征及稳定性分析【Ｊ】．地质 系，各地方的危岩治理，缺乏一个可参考的、成熟的依 灾害与环境保护，２０１６，２７（４）：５６—５８． 据，又随着山区建设越来越多，危岩的治理势在必行， ［３Ｊ钟明生．针对工程中危岩体失稳的物理分析与解析办法 ［Ｊ］．２０１７，４３（１）：７６－７７． 不可草率。 ［４］王玉锁，李俊杰，李正辉，冯高飞，吴浩，何俊男．落石冲击力评 （１）关于危岩的分类。现有的分类系统地分为滑 定的离散元颗粒流数值模拟［Ｊ】．西南交通大学学报，２０１６（１）： 移式危岩、倾倒式危岩、坠落式危岩３类 ］，但依然具有 ２２—２９． 局限性，具体的危岩往往更为复杂，现有的破坏模式分 ［５ Ｐｏｔ５］ｙｏｎｄｙ Ｄ ０，Ｃｕｎｄａｌｌ Ｐ Ａ．Ａ Ｂｏｎｄｅｄ—ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｒｏｃｋ 类不能比较普遍地反映危岩的破坏情况，今后应总结 ［Ｊ】．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， 经验，不断细化危岩的破坏模式。 ２００４，４１（８）：１３２９—１３６４． （２）关于稳定性计算方法。目前，危岩稳定性评价 ［６］何潇，赵鹏，杜春兰，王建力，李清．基于ＰＦＣ２Ｄ数值模拟座滑 方法主要有经历分析法、可靠度分析法、比较识别法， 危岩破坏过程研究［Ｊ］．自然灾害学报，２０１６（６）：１６７—１７３． 近年来，国内外学者越来越多地运用数值分析、有限元 【７】杜岩，谢谟文，蒋宇静，等．基于固有振动频率的滑坡安全评价 新方法［Ｊ］．工程科学学报，２０１５，３７（９）：１ ｌ １８－１ １２３． 分析等新型方法，相对于传统分析方法更为科学精细， ［８］林国庆．三维借光扫描技术在铁路危岩体监测中的应用［Ｊ］． 进一步的分析方法也在不断探索和完善中。 测绘与空间地理信息，２０１７，４０（２）：１４３—１４５． （３）关于危岩勘察治理方法。研究的目的在于勘察 ［９ 陈洪凯，９】杨红梅，王林峰，叶四桥．危岩崩塌演化理论及应用 治理，专家既引入了薄层削方的新技术，又在传统的治理 ［Ｍ】．北京：科学出版社，２００９． （上接第３页） ［５】陈尚桥．用滑动测微计实测桩的荷载传递函数［Ｊ］．岩石力学 载体桩是近年来发展的一种新型的桩型，由其施 与工程学报，２００５，２４（７）：１２６７—１２７１． 工工艺决定了其拥有质量易控制、造价低、生态环保等 特点，通过以上的内力分析也可表明，承载力高是载体 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｔｒｅｓｓ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｒａｍ－Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ Ｐｉｌｅｓ 桩的另一大特点，是一种值得大力推广的新桩型。 ＣＡＯ Ｐｉｎｇ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ—ｋａｉ 参考文献： （Ｎｏ．５ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｅａｍ ｏｆＪｉａｎｇｘｉ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ 【１１］ 王罗春，周飞梅．建筑垃圾作复合载体夯扩桩填料加固软土 ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，ＪｉｕｉｆａｎｇＪｉａｎｇｘｉ ３３２０００，Ｃｈｉｎａ） 地基的工艺［Ｊ］．上海电力学院学报，２００６，２２（１）：７９—８３． 【２】曹平华．基桩应变监测中的线法监测原理及运用［Ｊ】．物探与 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌａｌｎ－ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｐｉｌｅｓ ａｌｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ 化探，２００６，３０（１）：９２－９４． ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｒｙ ａｓ ａ ｎｅｗ ｐｉｌｅ ｓｔｙｌｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｒｉｅｓ ｔｏ ａｌｉａ－ 【３］李光煜，黄粤．岩土工程应变监测中的线法原理及便携式系 ｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｒｅｓｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｎ—ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｐｉｌｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ 列仪器［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００１，２０（１）：９９—１０９． ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｈｔｅ ａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ． ［４］朱国甫，李光煜．确定桩侧摩阻力曲线的约束样条拟合方法 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｎ－ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｐｉｌｅｓ；ｓｔｒａｉｎ；ａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ；ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ［Ｊ］．岩土力学，１９９４，１５（３）：卜８． ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
