黏性土中仿生微型群桩性能的现场评价

《Biogeotechnics》：Field evaluation of bio-inspired minipile group performance in cohesive soil

　　

本文聚焦于借鉴树根构型（architectures）以设计具有韧性与多功能性的基础体系。研究提出了由不同取向构成的浅埋击入式斜微型桩体系，并对其性能进行了评估。首先，在黏性（细粒）土场地开展了单桩竖直微型桩与斜置（25°）微型桩在竖向抗拔与受压荷载作用下的足尺现场试验。随后，对四种微型群桩构型及两类承台宽度进行了抗拔与受压加载试验。为考虑土体条件的非均一性，文中将群桩内单根微型桩的承载力表示为无量纲值。研究还采用其中一种群桩构型对数值模型进行了标定，并在假定土体性质均一的条件下模拟了现场试验方案。群桩内微型桩之间的相互作用通过土体剪应力分布及微型桩弯矩与轴力进行推断。群桩中各微型桩对抗压与抗拔承载力的贡献随承台宽度、桩间距及桩位而变化。研究观察到，群桩体系在群组内的投影几何面积会影响其竖向承载力。在给定桩体与土体参数条件下，所有微型群桩的群效率系数均大于 1。

该文发表于《Biogeotechnics》，围绕仿生岩土工程（bio-inspired geotechnics）的核心理念，探索树木根系锚固结构对新型基础体系设计的启发。现代岩土工程 increasingly 强调以自然界高效结构为原型，发展兼具高承载、韧性与施工便利性的基础形式。树根系统尤其是粗根与下扎根共同构成的空间网络，能够在较大土体范围内动员抗力并分散荷载，这一机制为微型桩基础的创新提供了重要生物学原型。既有研究表明，斜置微型桩或分枝式基础在砂土中具有较优的抗拔或侧向性能，且相比传统浅基础或常规竖直桩可表现出更高的单位体积承载效率。然而，对于黏性土中斜桩及其群桩体系的竖向受压与抗拔行为，尤其是足尺现场条件下的工作机制与群桩相互作用规律，现有研究仍相对不足。与此同时，这类浅埋、可快速施工的击入式微型桩体系具有明显工程优势，如设备需求低、适用于狭小场地、可即时加载、可减少混凝土养护时间，因此有必要在黏性土场地系统评估其承载特性与适用性。

基于上述问题，研究人员提出并检验了多种受树根构型启发的击入式斜微型群桩方案，重点考察其在黏性土中承受竖向压力和上拔力时的工作表现。研究首先通过足尺现场试验比较竖直单桩与 25° 斜单桩的受力响应，然后进一步测试四种群桩布置形式在两类承台宽度条件下的荷载—位移关系，并以无量纲单桩平均承载力指标消除现场土体非均质性的影响。随后，研究人员基于其中一种构型建立并标定三维数值模型，在均质土假定下分析土—桩相互作用、群桩内荷载分担、弯矩与轴力分布以及剪应力场特征。研究最终提出了斜微型桩竖向承载力的解析分解方法，将竖向荷载拆分为沿桩轴向分量与垂直桩轴分量，从而分别以侧摩阻与侧向被动土压力解释抗力来源。结果表明，该类仿生斜微型群桩在所研究的桩土参数范围内均表现出大于 100% 的群效率，说明其群体承载表现超过等效单桩简单叠加，具有显著工程意义。其意义不仅在于为轻型商业建筑、模块化建筑、通信塔、太阳能阵列等中轻型结构提供更高效、更可持续的基础选项，也在于为仿生地基设计提供了可现场验证的力学依据，并为相关设计方法的发展补充了黏性土条件下的重要数据基础。

研究所采用的主要技术方法包括：在澳大利亚 Victoria 北部 Dookie 试验场进行足尺现场加载试验，试验对象包括 0° 与 25° 单桩以及四种群桩构型；通过圆锥贯入试验（cone penetration test, CPT）与动态圆锥贯入试验（dynamic cone penetration, DCP）获取场地不排水抗剪强度（undrained shear strength, c_u）等参数，并结合室内土工分类试验判定土体为高塑性黏土（CH）；采用 FLAC3D 建立三维有限差分数值模型，以 S250–6 构型现场结果进行界面参数标定；在解析层面，将竖向荷载分解为轴向与法向分量，分别结合“λ”法与侧向极限抗力理论估算单桩极限承载力，并据此外推群桩承载能力。

在研究结果方面，论文首先通过“Non-dimensional capacity”说明了无量纲承载力分析的必要性与主要发现。由于试验场地土性并不均一，研究人员将极限承载力按 c_u、桩长 L 和桩径 D 进行归一化处理，以实现不同试验点结果的可比性。结果表明，竖直微型桩的抗拔与抗压能力基本相同，说明对这种小直径桩而言桩端阻力贡献可忽略。相比之下，25° 斜桩的无量纲抗拔承载力较竖直桩提高 10.1%，无量纲抗压承载力提高 92%，显示斜置布设在受压工况中优势尤为突出。对于群桩，S250 组在增加两根桩后单桩平均抗拔能力下降，提示较小承台宽度下可能出现应力遮蔽效应；而 S400 组随着桩数增加，单桩平均抗拔与抗压能力均有所提升，说明较大的承台宽度有利于减弱群桩间不利相互作用。总体而言，S400 组在受压和抗拔下均表现出更优的单桩效率增长趋势。

在“Numerical model”部分，研究人员建立了三维有限差分模型，以均质黏性土条件排除现场非均质因素的干扰，并用 S250–6 的受压与抗拔荷载—位移曲线进行校准。土体采用 Mohr-Coulomb（摩尔—库仑）弹塑性模型，桩—土界面采用零厚度界面单元模拟滑移与破坏。该模型虽然未显式模拟击入安装效应，但通过界面参数标定，等效反映了安装后土—桩接触状态。数值结果显示，随着承台宽度和桩数增加，群桩总抗拔与总抗压能力单调提高；但群效率在不同构型之间并非单调增加，表明承台尺寸、桩数和桩间相互作用需综合权衡。

“Displacement vectors”部分揭示了群桩的整体旋转与单桩受力转化机制。数值模拟表明，在受压荷载下，承台有向内径向旋转趋势，群桩呈逆时针旋转；在抗拔荷载下则向外径向旋转并呈顺时针转动。由此，各组成斜桩在受压时相当于承受有利方向的正斜桩（positively battered pile）侧向作用，而在抗拔时则表现为不利方向的负斜桩（negatively battered pile）受力状态。这一差异直接解释了为何同一构型在受压时通常表现出高于抗拔工况的竖向承载力。

“Vertical displacement profile”部分进一步说明了桩周土体位移场及群桩相互作用特征。受压时，承台下方浅层土体出现与外荷载方向相反的位移，这与浅层桩贯入时土体被挤抬的现象一致。S250–6 的位移泡（displacement bulbs）重叠更明显，而 S400–6 的重叠程度较低，说明更大的承台宽度可减弱各桩影响区重合。由此可知，群桩内单桩效率与桩间位移场干扰程度密切相关，干扰越弱，单桩在群体中的承载贡献越高。

“Shear stress profile”部分从剪应力场角度揭示了群桩协同机制。研究在距地表 5D、10D 与 20D 深度上分析了 xy 平面内剪应力分布。结果显示，受压工况下剪应力团更集中、峰值更高且更易在相邻桩之间重叠，尤其在 S250 型承台中更为显著，表明群内土体更倾向以整体受限土块形式参与承载，从而提升群体刚度。抗拔工况下剪应力团则更弥散，峰值较低，反映围压减小后土体更早进入屈服，抗剪动员效率较低。随着深度增加，剪应力团逐渐衰减并相互分离，说明主要荷载传递集中于桩身上部，而斜桩几何导致下部各桩逐渐作为相对独立单元工作。

“Bending moment”部分总结了群桩内弯矩分布和潜在破坏控制位置。结果显示，各构型中最大负弯矩位于桩头附近，这与承台—桩连接所形成的固定端约束有关；同时在地表以下约 0.5–0.6 m 处出现最大正弯矩，对应第二个塑性铰（plastic hinge）可能形成的位置。所有工况下，最大负弯矩均高于最大正弯矩，符合固定头柔性长桩的典型行为。不同桩在群内承担的弯矩并不均匀，其中编号“1”和“3”的桩多数情况下在桩头附近承受更高弯矩，说明桩的空间取向和位置会显著影响内力分配。值得注意的是，S400–8 在承受最高总荷载的同时，其最大弯矩却低于其他群桩构型，说明该构型在承载能力与结构受力之间具有较好的平衡。

“Axial force”部分则表明群桩内轴力分担同样具有明显非均匀性。所有工况下，最大轴力均出现在桩头。抗拔时，“1”和“3”号桩在各构型中普遍维持最高轴力；S250–6 中新增的两根桩可接近其最大能力参与工作，而 S400–6 中新增桩仅承担约 60% 的最大轴力。受压时也存在类似规律，但荷载分布更趋均匀，尤其在 S400–6 和 S400–8 中更明显。这说明即使承台刚度较高、桩头沉降近似一致，群内各桩承担荷载的比例仍不相等，位置效应与桩间相互作用不可忽略。

在“Analytical solution”部分，论文给出了斜微型桩竖向承载力的解析框架。研究人员将斜桩在竖向作用下的荷载分解为沿桩轴向的分量 Q_v 与垂直桩轴的分量 Q_h。其中，Q_v 由桩侧摩阻提供，采用 Focht 与 Vijayvergiya 提出的“λ”法估算；Q_h 由被动土压力承担，结合 Randolph & Houlsby 以及 Martin & Randolph 的方法确定单位长度侧向抗力，并依据 Broms 理论利用最大弯矩深度估算净侧向抗力。再结合正斜桩与负斜桩的 p-multiplier（侧向反应修正系数），分别求得抗拔与抗压下 25° 单桩的解析承载力。该解析结果与数值模型在 5 mm 桩头竖向位移下得到的结果较为接近，验证了模型与方法的可靠性。在此基础上，研究采用数值预测的群效率外推各群桩构型承载力，并指出仿生斜桩布置相较等效竖直群桩可实现 1.2–2.8 倍的抗拔能力和 2.3–5.1 倍的抗压能力提升。这种优势被归因于群桩水平投影面积的扩大及其更广泛的土体动员范围。

论文讨论部分的核心可概括为：仿生斜微型群桩的性能优势并非单纯来源于桩数增加，而是承台宽度、桩头间距、桩体空间取向和投影承载面积共同作用的结果。研究人员指出，即便最小桩头间距仅为 2.5D，在本研究土体与构型参数条件下，群效率仍大于 1，这与常规竖直群桩常见的效率折减现象明显不同。其根本原因在于斜桩随深度展开，使群体在水平面上的等效投影面积显著增大，并在上部土体内形成有利的群体约束和协同承载。数值模拟反复显示，受压与抗拔工况下土体位移场、剪应力场、弯矩与轴力分配均存在显著构型依赖性，因而新型仿生基础的设计不应仅依据单桩承载力叠加，而需综合考虑群效率与结构受力协调。论文同时强调，尽管本研究为静力竖向承载性能提供了依据，但微型桩和承台几何参数、不同土类中的适用性以及更广泛工况下的表现，仍有待进一步分析。

研究结论部分可翻译概括如下：本研究考察了澳大利亚 Victoria 北部 Dookie 试验场中多种斜微型群桩在竖向受压与抗拔荷载下的性能。不同群桩构型所形成的桩体多方向布置受树根结构启发而设计。研究报告了四种群桩构型与两种承台宽度在黏性土中的足尺荷载—位移响应，并对其中两种构型进行了重复性验证，随后利用结果对数值模型进行标定。针对现场条件非均一性，研究采用群桩内单桩无量纲承载力评价群体性能。研究最主要的发现是：所提出斜微型群桩构型在竖向荷载下表现出超过 100% 的群效率。具体而言，随着承台宽度与桩数增加，群体总竖向承载力提高，但单桩承载力变化并不一致；群桩在受压和抗拔时分别呈现逆时针与顺时针旋转趋势，使组成桩分别表现为正斜桩和负斜桩；剪应力区在受压与抗拔条件下呈现不同的深度演化规律；尽管最小桩距仅为 2.5 倍桩径，群效率仍大于 100%，其原因在于该类群桩相较常规竖直群桩具有更大的水平投影面积；群桩内弯矩与轴力分布具有明显非均质性，说明各桩对群体承载的贡献并不相同。研究还提出了斜微型桩竖向荷载分解方法，将其极限承载力表述为侧摩阻与正、负斜桩净侧向抗力之和。论文认为，这些构型可通过类似施工技术在工程中实施，并可结合本文提出的群效率用于相应微型群桩的设计估算，但仍需进一步研究微型桩和承台几何特征对承载力的影响。