軟土地基靜壓PHC樁的工程性狀研究

徐策 徐新躍

【摘要】在總結(jié)以往靜壓樁應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，討論靜壓樁的成樁機(jī)理、單樁荷載-沉降特性及樁的承載力時間效應(yīng)機(jī)理等；通過對274根樁的試驗(yàn)檢測資料，研究分析了靜壓樁施工終止壓力和極限承載力的關(guān)系，提出了靜壓樁適用的承載力估算的經(jīng)驗(yàn)公式；這對軟土地基靜壓PHC樁的設(shè)計、施工和深入研究具有重要指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】軟土地基；靜壓PHC樁；終壓力；承載力

[文章編號]1619-2737（2016）01-30-643

1. 概述

預(yù)應(yīng)力管樁是采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種空心體細(xì)長混凝土預(yù)制構(gòu)件，它具有：

（1）單樁承載力高；（2）設(shè)計選用范圍廣；（3）適應(yīng)于樁端持力層起伏變化大的地質(zhì)條件；（4）單樁可接成任意長度，不受施工機(jī)械能力和施工條件局限；（5）施工速度快、工效高、工期短；（6）樁身抗裂性好，穿透力強(qiáng)；（7）良好的抗彎性能；（8）成樁質(zhì)量可靠，現(xiàn)場文明及制作方便、施工速度快。

2. 靜壓PHC樁的工程性狀

2.1試驗(yàn)場地地質(zhì)及試驗(yàn)概況。

通過對溫州軟土地區(qū)某工程預(yù)應(yīng)力混凝土管樁靜力壓樁工程進(jìn)行的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，研究靜力壓樁施工及單樁豎向承載力的特點(diǎn)。

試驗(yàn)場地所處地基土（巖）工程條件及主要設(shè)計參數(shù)見表1所示。

擬建工程為一住宅區(qū)樓群，12層，設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，靜壓法施工，樁長控制采用樁端進(jìn)入粉質(zhì)粘土夾圓礫層且壓樁力不小于4500KN，表2為各試樁的基本參數(shù)。

單樁豎向荷載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，第一級荷載為740KN，以后每級加荷增量為370KN；樁頂沉降觀測的時間間隔以及每級荷載作用下變形的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，均按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）的有關(guān)要求執(zhí)行。

圖1、圖2分別為試樁的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)荷載～沉降（Q～S）和荷載對數(shù)～沉降（logQ～S）曲線，由圖可知：各試樁的Q～S曲線多以緩降型為主，在發(fā)生明顯陡降之前，樁的沉降隨荷載近似呈線性變化，沉降量較小。當(dāng)荷載超過陡降起始點(diǎn)，樁沉降的速度明顯增大。

2.2靜壓PHC樁的沉樁機(jī)理。

靜壓PHC樁屬擠土樁，沉樁施工時，樁尖“剌入”土體時原狀土的初始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，造成樁尖下土體的壓縮變形，土體對樁尖產(chǎn)生相應(yīng)阻力，隨著樁貫入壓力的增大，當(dāng)樁尖處所受應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時，土體發(fā)生急劇變形而達(dá)到極限破壞，土體產(chǎn)生塑性流動，在地表處，粘性土體產(chǎn)生向上隆起；在地面深處由于上覆土層的壓力，土體主要向樁周水平方向擠開，使貼近樁周處土體結(jié)構(gòu)完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用使鄰近樁周處土體受到較大擾動影響，此時，樁身必然受到土體的法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗，當(dāng)樁頂?shù)撵o壓力大于沉樁時的抵抗阻力時，樁將繼續(xù)“剌入”下沉[1]。

壓樁時，地基土體受到強(qiáng)烈擾動，樁周土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與地基土的靜態(tài)抗剪強(qiáng)度有很大的差異。隨著樁的沉入，樁與樁周土體之間將出現(xiàn)相對剪切位移，由于土體的抗剪強(qiáng)度和樁土之間的粘著力作用，土體對樁周表面產(chǎn)生摩阻力。當(dāng)樁周土質(zhì)較硬時，剪切面一般發(fā)生在樁表面處的土體內(nèi)，粘性土中隨著樁的沉入，樁周土體的抗剪強(qiáng)度逐漸下降，直至降低到重塑強(qiáng)度。

壓樁過程終止后，土體中孔隙水壓力逐漸消失，樁周土隨之產(chǎn)生徑向固結(jié)，使其密度增加，樁側(cè)摩阻力增大，擾土重塑的樁端土體強(qiáng)度逐漸得到恢復(fù)。

2.3單樁荷載——沉降特性。

當(dāng)豎向荷載逐步施加于單樁樁頂時，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對于土的向下位移，與此同時樁側(cè)表面受到土的向上摩阻力。樁身荷載通過所發(fā)揮出來的樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土層中去，致使樁身荷載和樁身壓縮變形隨深度遞減。在樁土相對位移為零處，其摩阻力尚未開始發(fā)揮作用而等于零。隨著荷載增加，樁身壓縮量和位移量逐漸增大，樁身下部的摩阻力隨之逐步調(diào)動起來，樁底土層也因受到壓縮而產(chǎn)生樁端阻力。樁端土層的壓縮加大了樁土的相對位移，從而促使樁身摩阻力的進(jìn)一步發(fā)揮。當(dāng)樁身摩阻力全部發(fā)揮出來達(dá)到極限后，若繼續(xù)增加荷載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔(dān)。由于樁端持力層的大量壓縮和塑性擠出，位移增長速度顯著加大，直至樁端阻力達(dá)到極限，位移迅速增大而破壞。此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。樁的豎向靜力荷載試驗(yàn)的荷載～沉降（Q～S）曲線是樁土體系荷載傳遞、側(cè)阻和端阻發(fā)揮性狀的綜合反應(yīng)。Q～S曲線線型隨樁側(cè)土層的分布與性質(zhì)、樁端持力層性質(zhì)、樁徑、樁長、長徑比、成樁質(zhì)量等諸多因素而變化。由于樁側(cè)阻力一般先于樁端阻力發(fā)揮，因此Q～S曲線的前段主要受側(cè)阻力制約，而后段則主要受端阻力制約。

2.4影響單樁承載力的因素。

影響軟土地基靜壓PHC樁單樁極限承載力的主要因素有：靜力壓樁終止壓力，樁的長徑比，靜壓樁殘余應(yīng)力及樁周土的性狀。

2.4.1靜壓樁的終壓力。

靜壓樁的壓樁力是指PHC樁沉樁過程為克服樁尖土層的抗沖剪阻力及樁周土摩阻力所施加的壓樁力，而靜壓樁的終壓力是樁尖達(dá)到持力層終止壓樁時顯時的最終壓樁力。

壓樁力過大，容易壓壞樁身；壓力過小，樁尖無法進(jìn)入至合適的持力層，樁尖嵌固長度不足，造成有效樁長無法滿足，單樁承載力無法滿足設(shè)計要求，如在樁基布樁密度較大區(qū)域施工時，宜產(chǎn)生鄰樁上涌現(xiàn)象。合理確定安全合適的壓樁力，不僅保證樁身質(zhì)量、確保樁端嵌固長度、提高樁端土體的力學(xué)性能。

由于影響靜壓樁的終壓力與單樁極限承載力之間相互關(guān)系的因素相當(dāng)復(fù)雜，單樁極限承載力是一個隨機(jī)模糊問題[2]，很難找出反映各種影響因素的定量計算公式；因此，通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)資料的統(tǒng)計分析，定性地分析靜壓樁的終壓力與單樁極限承載力之間相互關(guān)系。

本文將收集到的溫州地區(qū)有代表性的274根靜壓樁的靜載試驗(yàn)資料（其中樁基沉降量15～40mm之間），以樁的長徑比為橫軸、樁的極限承載力與終壓力之比為縱軸進(jìn)行分析；圖3為樁的極限承載力/終壓力比與長徑比的關(guān)系曲線，由圖可見，靜壓樁屬于端承摩擦樁或摩擦端承樁，當(dāng)長徑比約為75時，樁極限承載力約等于樁的終壓值；當(dāng)長徑比大于80時，樁極限承載力大于樁的終壓值；當(dāng)長徑比小于70時，樁極限承載力小于樁的終壓值。

2.4.2樁端持力層的工程性質(zhì)。

靜壓PHC樁樁端注漿是在PHC樁壓入預(yù)定的持力層深度后，在樁的中間空心部位采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，安放注漿管路，采用高壓注漿泵通過注漿管路向樁端持力層注入水泥漿液，使樁端持力層和樁周土體得到加固，改善樁端及樁周土體的特性，從而提高樁承載能力。

樁端注漿與未注漿對單樁豎向承載力的影響，圖4為同一施工場地的四根試樁，樁長為60.5m～62.0m，樁端持力層為粉質(zhì)粘土夾圓礫，其中S1、S2樁采用孔底注漿，而S3、S4未進(jìn)行注漿；由圖可見，注漿樁S1、S2的Q～S曲線表現(xiàn)為緩變型，在一定程度上帶有端承樁的性質(zhì)，當(dāng)加載至第十級荷載4MN時，樁頂沉降分別為20.86mm、17.58mm；常規(guī)樁S3、S4的Q～S曲線表現(xiàn)為陡降型，表現(xiàn)為明顯摩擦樁的特性，其加載至第十級荷載4MN時，樁頂沉降分別為47.24mm、45.26mm。

由此可見，軟土地基超長靜壓PHC樁樁端注漿，能減少樁端沉降和改善樁端持力層的性狀。

2.4.3靜壓樁殘余應(yīng)力[3]。

靜壓樁殘余應(yīng)力是指靜壓樁樁頂荷載卸除后，由于以前的荷載歷史或施工工藝產(chǎn)生的樁內(nèi)應(yīng)力或樁土之間的應(yīng)力；它包括樁的樁側(cè)殘余應(yīng)力和樁端殘余應(yīng)力。

樁側(cè)殘余應(yīng)力是因?yàn)樵诔翗哆^程中，沿樁身產(chǎn)生方向向上的正的動摩阻力，同時伴隨擠土產(chǎn)生的法向殘余應(yīng)力。樁頂卸荷后，對于摩擦型樁，樁頂和樁端兩頭伸縮自由，樁側(cè)應(yīng)力漸漸趨于平衡，殘余應(yīng)力消失；對于端承型樁，樁端存在殘余應(yīng)力，其平衡反力必然是向下的負(fù)摩阻力。當(dāng)樁側(cè)土很軟時，提供的這種摩阻力較小，樁端力大部分得以釋放；而當(dāng)樁側(cè)土較強(qiáng)量，限制了樁端應(yīng)力的釋放，樁端殘余應(yīng)力大，樁側(cè)殘余摩阻力也大。樁側(cè)殘余應(yīng)力影響沉樁過程或其后的一段較短的時間。

樁端殘余應(yīng)力是沉樁結(jié)束后存在于樁身下端的未釋放的應(yīng)力，它作用的時間較長，影響到樁的承載力。當(dāng)樁端土層較軟時，樁端的應(yīng)力隨著土層的壓縮很快被釋放，而當(dāng)樁端處于硬層時，樁端土的壓縮量有限，因?yàn)樾逗珊髽秱?cè)向下摩阻力限制，樁身向上的回彈量達(dá)不到釋放樁端阻力所需要的值。

2.5單樁豎向承載力估算方法

2.5.1壓樁過程所需能量估算單樁極限承載力。

靜壓PHC樁時每根樁所消耗的能量反映了樁在各層土內(nèi)沉入的難易程度，也就反映了樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的實(shí)際情況，故能利用耗能大小較準(zhǔn)確的估算出單樁承載力[4]。將溫州地區(qū)以粉質(zhì)粘土夾圓礫為樁端持力層的55根樁的單樁極限承載力Qu與壓入這些樁時所需能量PE進(jìn)行統(tǒng)計分析，其散點(diǎn)圖見圖5所示，得到確定其單樁極限承載力Qu的經(jīng)驗(yàn)公式：

2.5.2壓樁時的終止壓力值估算單樁極限承載力。

靜壓樁的施工終止壓力與極限承載力是兩個不同的概念[5]，靜壓樁在靜壓力作用下沉入地基土中時，樁側(cè)表面與樁周土體的摩擦力是滑動摩擦力，其值較小，在同一土層中基本保持不變，不隨樁身入土深度的增大而累計增大。壓樁阻力隨樁端處土體的軟硬程度即樁端處土體的抗沖剪阻力的大小而波動，靜壓樁沉樁穿越的土層一般是較軟弱而松散，含水量較高，孔隙比較大。當(dāng)靜壓樁樁垂直受力下沉?xí)r，樁尖直接使土體產(chǎn)生沖剪破壞，同時樁周土體也產(chǎn)生沖剪擠壓破壞，孔隙水受此沖剪擠壓作用形成不均勻水頭。產(chǎn)生超孔隙水壓力，擾動了土體結(jié)構(gòu)，使樁周一定樁徑范圍內(nèi)的土體抗剪強(qiáng)度降低，粘性土發(fā)生稠化，粉土、砂土發(fā)生軟化。壓樁一旦終止，隨著時間的推移，超孔隙水壓力逐漸消散，樁周土體固結(jié)，土的抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，甚至超過其原始強(qiáng)度。土體完全恢復(fù)后，原來施工下沉?xí)r樁側(cè)滑動摩阻力變成承載時的靜摩阻力，靜壓樁才獲得工程上所需要的所謂極限承載力。

2.5.3靜壓PHC樁承載力的時效性。

靜壓PHC樁承載力的時效性從機(jī)理分析可以歸納為以下幾方面：

（1）土的觸變性：樁周圍的土體受到沉樁擾動，強(qiáng)度降低，經(jīng)過一段時間的休止期后，土的觸變作用使損失的強(qiáng)度得到恢復(fù)，甚至超過其原始強(qiáng)度；經(jīng)過足夠的休止期，土體的強(qiáng)度最大可達(dá)到原始強(qiáng)度的130%[6]。

（2）土的固結(jié)作用：樁基沉樁引起很大的超靜孔隙水壓力，沉樁后初期，超靜孔隙水壓力大，消散速度也大，土體固結(jié)速度和樁承載力增長速度也快；隨著時間的推移，地基土中的超孔隙水壓力逐漸減小，其消散速度、土體固結(jié)速度均逐漸減小，直至停止，此時樁的承載力也達(dá)到最大值。（3）沉樁引起樁側(cè)土性質(zhì)的變化：沉樁時，緊靠樁側(cè)的土體受到嚴(yán)重擾動，在擠壓和剪切作用下完全重塑并快速固結(jié)，在緊貼樁表面處形成一層硬殼；該硬殼的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其周圍土體的強(qiáng)度，因此當(dāng)樁體發(fā)生豎向位移時，其剪切破壞面不是發(fā)生在樁土接觸界面上而是發(fā)生在距樁周邊緣處一薄層內(nèi)，致使樁的承載表面積加大，從而提高樁的承載力。表4為單樁極限承載力初、復(fù)壓變化情況[7]。

3. 結(jié)束語

（1）當(dāng)靜壓樁長徑比約為75時，樁極限承載力約等于樁的終壓值；當(dāng)長徑比大于80時，樁極限承載力大于樁的終壓值；當(dāng)長徑比小于70時，樁極限承載力小于樁的終壓值。

（2）影響靜壓PHC樁單樁極限承載力的主要因素有：靜力壓樁終止壓力，樁的長徑比，靜壓樁殘余應(yīng)力及樁周土的性狀。

（3）（靜壓樁的終壓力與單樁極限承載力之間相互關(guān)系是一個隨機(jī)模糊問題。

（4）超長靜壓PHC樁樁端注漿，能減少樁端沉降和改善樁端持力層的性狀。

（5）由于荷載歷史或施工工藝產(chǎn)生的樁內(nèi)應(yīng)力或樁土之間的應(yīng)力，靜壓樁存在殘余應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]杜顯洲. 靜壓預(yù)應(yīng)力管樁壓樁力及常見問題的探討[J]. 山西建筑，2005，31（6）：50～51

[2]和禮紅，汪稔，王芝銀. 靜壓樁壓樁終止壓力與極限承載力的隨機(jī)模糊分析[J]. 巖土力學(xué)，2004，25（3）：399～402

[3]張明義. 靜力壓入樁的研究與應(yīng)用[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

[4]史佩東等.深基礎(chǔ)工程特殊技術(shù)問題[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]林本海，王離. 靜壓樁承載性能分析研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25（3）：120-124

[6]Fleming， W. G. K. Elson. Pile Engineering， 2nd edition， 1992， 118-122

[7]肖軍華， 韓愛民. 軟土地基上靜壓預(yù)制樁承載力的工后增大效應(yīng)[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2003，30（10）：24-26