砂土中大直径刚性钻孔桩桩底压力对水平承载力的影响——离心机试验与修正系数研究

《Soils and Foundations》：Centrifuge investigation of pile base effect on the lateral load capacity for large diameter rigid piles embedded in sand

　　

大直径钻孔灌注桩（drilled shafts）在水平荷载下表现出转动行为，并在桩底诱发压力，该压力可能影响水平承载力。本研究考察砂土中桩底压力（p_base）对大直径钻孔灌注桩水平承载力的影响。研究人员针对不同长径比（L/D）和土体条件的模型桩开展了一系列离心机试验，并直接测量p_base。系统分析了水平荷载–位移响应、弯曲力矩（BM）及p_base分布。试验结果表明，p_base在桩底呈非对称分布，并在整体水平抗力中发挥不可忽略的作用。通过评估桩底发挥的BM值（BM_b）量化p_base效应。BM_b对总BM（BM_t）的贡献随L/D减小和桩刚度增加而增大，在松散砂中尤为明显。在承载能力极限状态（ULS）下，BM_b/BM_t百分比范围为3.6%至15.0%；在正常使用极限状态（SLS）下最高达25.7%。基于这些结果，提出了量化BM_b对水平承载力贡献的修正系数，目标是建立更稳健且优化的钻孔桩设计策略。

研究背景方面，水平荷载与倾覆力矩作用下桩基础的水平响应是重要设计内容，钻孔灌注桩因轴向与水平承载能力较高而用于高层建筑、输电塔和风机等大型结构。既有设计通常分别在正常使用极限状态（SLS）与承载能力极限状态（ULS）评价桩性能；柔性桩与刚性桩的破坏机制不同，小L/D且高抗弯刚度的大直径钻孔桩易呈刚体转动并引起桩底压力。既有ULS估算方法多假设水平承载力仅由桩侧土抗力提供，桩底效应未纳入；已有桩底压力研究主要针对海上风机开口管桩，试验数据稀缺，且对随位移水平变化的ULS与SLS能力关注不足，因此需要澄清并量化桩底压力对水平承载力的影响。作者Donggun Nam与Junhwan Lee开展了带桩底压力直接测量装置的离心机试验，分析水平荷载–位移响应、弯曲力矩（BM）与桩底压力分布，量化桩底弯矩（BM_b）贡献，并提出将桩底效应纳入设计的修正系数（M_f）。研究得出桩底压力呈非对称分布且贡献不可忽略，BM_b/BM_t在ULS为3.6%～15.0%、SLS最高25.7%，所提修正系数可改进既有四弹簧模型（FSP）和PISA方法的适用性，对大直径钻孔桩优化设计具有意义。
关键技术方法概括（不超过250字）：采用100g土工离心机试验（平台半径3 m，试验箱600 mm×800 mm×500 mm），以清洁硅砂（d₅₀=0.19 mm，C_u=2.69，G_s=2.65，?^′_c=33.0°，?^′_p=35.7°/40.9°）制备D_R=50%和80%试样；共9组模型桩，原型直径3.0/4.5 m、L/D=2～6，铝合金管厚度调至匹配同直径混凝土钻孔桩EI_p，桩身布设应变片、桩底布设3个压力盒、桩头布设激光位移传感器，增量加载并连续测量；用ABAQUS有限元（FE）验证代表性桩底压力分布，并与FSP、PISA模型比较及拟合修正系数。无样本队列来源。
研究结果如下。4.1 测量的水平荷载响应：通过离心机水平荷载（H）–位移（y）与H–转角（θ）曲线，H_u按y=0.1D与θ=2.0°判定结果接近，后续采用0.1D准则；BM沿深度先增至约0.39L处后向桩底减小，桩底BM为零且未出现塑性铰，符合自由头刚性桩响应。4.2 水平加载下发挥的桩底压力分布：通过p_base^net随y/D及y=0.1D时分布，桩底压力非对称，桩中心呈负净变化、压缩侧增大、卸载侧减小；中性轴约距桩中心0.1D，不同于传统桩底弹簧理想化假设；FE分析验证了该分布合理性。5.1 水平加载条件下发挥的桩底弯矩：通过BM_t=BM_s+BM_b并积分p_base^net计算BM_b，BM_b随y/D非线性增大至约0.04后增速减小；L/D越大、桩底围压越高，BM_b越大；相同L/D下桩宽较大者BM_b较大，D_R=50%时更明显。5.2 ULS下BM_b贡献量化：通过y/D=0.1时BM_b,u/BM_t,u得到3.6%～15.0%，随L/D增大而减小、随EI_p/E_s增大而增大，较低D_R时更高，说明松砂中桩底贡献更大。5.3 SLS下BM_b贡献量化：通过分解BM–y/D、FS_(b+s)/FS_(s)及H_all=H_u/3对应y_all=0.018D～0.035D，BM_b,all/BM_t,all为5.34%～25.7%，高于ULS；随y/D增大BM_b/BM_t逐渐降低，因BM_s持续增大，SLS下桩底效应更显著。6 与FSP和PISA模型的比较：通过实测与模型预测BM_b,u、BM_b,all比较，FSP一致低估，PISA更接近但ULS高估、SLS低估；以L/D、EI_p/E_s、D_R进行多变量拟合得到M_f，修正后吻合改善；该M_f源于闭口、预埋钻孔桩型基础，扩展至开口打入桩或其他安装条件需进一步校准。
讨论与结论部分总结及研究结论翻译：讨论表明既有FSP与PISA模型对桩底弯矩的预测存在系统性偏差，需按ULS与SLS分别修正，且修正关系受L/D、EI_p/E_s和D_R控制。研究结论可译述为：本研究考察了砂土中大直径钻孔灌注桩桩底压力对水平承载力的影响与贡献；研究人员采用带桩底压力测量装置的模型桩开展一系列离心机试验，考虑不同桩配置和土体条件，处理并量化了ULS和SLS下桩底效应。实测桩底压力在水平加载中呈非对称分布，压缩侧增大、卸载侧减小，FE分析支持该解释；p_base^net=0的中性轴约位于距桩中心0.1D处，不同于传统桩底弹簧理想化的简化假设；D=4.5 m的p_base^net大于D=3.0 m，进一步显示桩配置影响。为量化桩底贡献，引入水平加载机制计算BM_b；随L/D增大，BM_b/BM_t减小，说明较长桩的桩侧抗力更占主导；给定L/D时，EI_p/E_s较大的桩BM_b较大，且D_R=50%比80%更明显；结果表明桩底效应受L/D、EI_p/E_s和D_R共同控制，这些因素控制桩转动程度及桩底接触压力重分布。ULS下BM_b,u/BM_t,u为3.6%～15.0%，随L/D增大和EI_p/E_s减小而减小，说明响应由刚体向柔性条件转变时桩底贡献变弱。SLS下BM_b,all/BM_t,all最高25.7%，表明较小位移水平下桩底贡献更显著；随y/D增大，BM_b,all/BM_t,all逐渐减小，因为BM_s持续增大而BM_b相对增长减弱，说明桩底效应在正常使用水平评价中可能尤为重要。总体上，结果表明桩底压力对砂土中短而相对刚性的钻孔灌注桩水平响应具有可测且不可忽略的贡献；基于量化的BM_b贡献，建立了纳入桩底效应的修正系数（M_f），以改进现有FSP和PISA方法用于大直径钻孔灌注桩；M_f采用试验识别的主要控制变量L/D、EI_p/E_s和D_R构建。