人工挖孔灌注桩承载特性研究

人工挖孔灌注桩（简称人工挖孔桩或挖孔桩），它是利用人力在工程需打桩的位置挖掘成设计桩径的圆孔，边挖边采取护壁措施，在挖到设计深度后对桩孔进行清理然后在孔内放置钢筋笼，最后灌注设计标号的混凝土养护成型的一种桩型，即采用某种技术手段将传统的实心断面改为环形断面的基础桩。人工挖孔灌注桩在质量和经济性等方面都具有明显的优点，如直径大、能扩底、单桩承载力高、在成桩施工过程中能够直接人工观察、施工工艺和设备比较简单、无须重大设备、利于环保、节省材料与体积以及利于组织流水作业等，为中、高层建筑、框架结构的构筑物，实现一柱一桩创造了条件。因为人工挖孔灌注桩荷载传递机理、荷载-沉降特性以及其破坏模式的复杂性，对于该桩型，尤其对承载性状及破坏机理的研究工作还不够，还没有彻底清楚其工作机理，因此，对人工挖孔灌注桩承载特性进行研究，是极为必要的。

一、人工挖孔桩承载力影响因素分析

1、设计理论和设计方法

建筑桩基的设计一般应满足以下两点要求：第一必须保证桩和土之间具有非常稳定的相互作用，第二必须保证桩自身具有满足要求的强度。同时桩的截面尺寸和桩长应根据建筑物的结构类型、楼层数量、荷载情况、场地地质和环境条件、当地使用桩基的经验、施工能力和造价等多方面因素综合考虑确定。人工挖孔桩的设计主要包括以下内容：

1） 桩的几何尺寸的选择及桩的布置

在实际工程应用中，桩径与桩长的选择，一般是根据已经掌握的各方面资料，由设计人员依靠经验初步选定桩长与桩径，而后，充分考虑各个方面对于桩的要求，核算初步选定的桩型是否满足，如果不能满足要求，则需重新拟定尺寸，再次进行核算，直到最终满足要求为止。一般来说，人工挖孔桩采用一柱一桩，可使基础结构设计大大简化。按《建筑桩基技术规范（JGJ94一2008）》，扩底桩最小中心距为1.5D或D+lm，其中D为扩大端的设计直径。

2） 桩基竖向承载力计算公式

据《建筑桩基技术规范（JGJ-2008）》和《建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）》[31，32]，大直径桩单桩极限承载力特征值计算公式为：

2、工程地质勘察

在工程建设中采用桩基础，必须首先根据桩基的特点做好岩土工程勘察工作。在实际工程中，由于勘察工作的失误造成的工程质量事故不胜枚举，因此勘察工作的成功与否直接影响到人工挖孔桩的承载能力和工作状态。工程建设采用桩基，必须首先根据桩基的特点做好岩土工程勘察工作。桩基勘察在按常规要求弄清场地工程地质水文条件的同时，要着重注意解决三个问题，即合理选择桩端持力层、正确提供桩侧阻力和桩端阻力标准值、正确估计沉桩的可能性、提出桩型选择和桩基设计施工建议。

3、桩身混凝土质量

上部荷载通过桩体传给桩端持力层，如果桩身混凝土质量得不到保证，那么桩自身的强度就会成为桩承载力的瓶颈。因此，桩身混凝土质量优劣是影响人工挖孔桩承载力的重要因素。

4、桩端持力层的可靠性

人工挖孔桩一般为端承桩，它的竖向承载力主要是由桩端持力层所提供的。因此，在桩身质量得到充分保证时，桩端持力层的可靠性对于人工挖孔桩的承载力有决定性的作用。

5、成孔质量

工挖孔桩依靠人力和简单原始的工具进行开孔，所以受人为因素影响较大。在成孔过程中经常会出现孔径、孔深等指标与设计值的偏差。孔径的偏差会使桩径出现偏差从而影响到桩身的承载能力，孔深的偏差会导致桩端不能很好的进入持力层从而导致桩的承载力不能满足要求。

二、人工挖孔桩在竖向荷载作用下的有限元分析

1、ADINA系统简介

ADINA系统是一个单机系统的程序，用于进行固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动的复杂有限元分析。借助ADINA系统，用户无需使用一套有限元程序进行线性动态与静态的结构分析，而用另外的程序进行非线性结构分析，再用其他基于流量的有限元程序进行流体流动分析。

2、建立模型

模型是轴对称的，考虑到模型边界条件、材料属性和计算的收敛性，这里选择多节点的四边形单元。另外，在桩土接触面上建立了摩擦单元，把桩体作为刚性目标面，土体作为柔性接触面。

该人工挖孔桩桩径1m，桩埋深10m，上部荷载为1000t。桩身混凝土采用C25，则桩身材料建模参数为：fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2，弹性模量Ec=2.5×104MPa。泊松比μ=0.2，密度为2.5×10-9t/mm3。

地基土为粉质粘土，地基土建模参数为：粘聚力c为21.6kPa，内摩擦角22°，土的重度为r=18.56kN/m，弹性模量为E=15.8MPa，泊松比μ=0.4。选取413个节点，建模如下图所示：

初始模型

3、沉降变化分析

荷载逐渐施加，取七个荷载子步来分析竖向位移变化规律，从桩底中心向边缘每间隔10cm取一个结点，共6个结点。

桩的竖向位移变化

桩的横向位移变化

从表和图中可以看出桩底中心在荷载作用下沉降最大，沉降量由中心向两侧递减。越远离桩底中心沉降值变化率越大，同一结点处随荷载增加所产生的竖向位移值变化率显著增加。从扩底处开始向两侧沉降值明显减小，这是由于扩底端阻力逐渐增大，使得桩端土层受压缩变小，产生变形减小。

在施加荷载某一时刻后各结点沉降基本相同，沉降趋于稳定，随着荷载增大，竖向变形基本变化不大。这是由于随着荷载和时间的增加桩摩阻力与桩端阻力得到充分发挥，桩与土接触紧密，压缩量变小，挠度变形趋于稳定。

4、应力变化分析

Z方向上的应力变化

三、结论

1. 通过静载荷试验直壁桩与扩底桩相比：尽管扩底后桩端面积增大，桩端阻力也增大，但是桩端处的应力却减小了，桩端土层产生的压缩也相应减小。因此，当坚硬土层的埋深较浅，厚度较大，可以作为扩底桩的持力层时，可以通过对桩端直径的增加来提高桩的竖向承载力。在同样的设计荷载下，通过扩底也可以缩短桩长，降低工程量，同时还可以降低桩顶沉降。

2. 通过逆斜率法或者将桩的荷载沉降曲线按照规范给出不同类型桩的荷载沉降曲线型式进行延伸，以预测极限荷载，与理论计算出的单桩承载力值偏差不大。

3. 通过模拟桩受荷载各个子步过程中竖向位移随荷载变化情况发现：随着荷载和时间的增加桩摩阻力与桩端阻力得到充分发挥，桩与土接触紧密，压缩量变小，挠度变形趋于稳定。到某一时刻后各结点沉降稳定于93mm左右，沉降趋于稳定，随着荷载增大，竖向变形基本变化不大。由于随着荷载和时间的增加桩摩阻力与桩端阻力得到充分发挥，桩与土接触紧密，压缩量变小，挠度变形趋于稳定。

4. 通过模拟桩的竖向位移随荷载变化情况得出：桩底中心在荷载作用下沉降最大，沉降量由中心向两侧递减。越远离桩底中心沉降值变化率越大，同一结点处随荷载增加所产生的竖向位移值变化率显著增加。

第一作者信息：邢皓枫，男，1969年7月，河南开封，博士，地基处理、桩基工程、检测技术，副教授，同济大学地下建筑与工程系，地址就是上海市虹口区西安路88号“206室经营开发部”，200080，电话13818497567

第二作者信息：

姓名：时间

单位：同济大学土木工程学院