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岩土研究院

静压桩沉桩可行性分析

325 2021-03-19 16:29:30


近年来,随着施工机械和施工工艺的不断改进,以及 PHC管桩的推广使用,预制桩已经超越了不能穿越硬土层的束缚,得到了越来越广泛的应用。然而,由于受桩型选择和设备选型的影响,预制桩在施工前要评价沉桩可行性。评价沉桩可行性首先需估算沉桩阻力,而沉桩阻力估算偏大或偏小都可能会产生相应的问题。


(1)如果对沉桩阻力估算偏小,会发生以下两种情况∶

①施工时,压桩施工单位可能会选择配重较小的压桩机,压桩机容易被顶起,从而造成桩头破坏或桩身折断等不良后果,且桩身难以压到设计标高。

②受现有压桩技术、设备和桩身强度的影响,压桩工作根本无法完成。


(2)如果对沉桩阻力估算偏大,会发生以下两种情况∶

①施工时,压桩施工单位可能会选择配重比较大的压桩机,压桩机配重增大,对施工场地耐力的要求将大幅度地提高,特别是大吨位压桩机,在新填土、耕植土及积水浸泡过的场地施工时容易发生陷机,从而造成桩位偏移大,桩身垂直度难以控制,严重的甚至出现桩上下接头断裂,或桩上部被侧挤而断桩的现象。

②因沉桩阻力估算偏大而弃用静压桩。


显然,沉桩阻力的合理估算是静压桩施工中的关键问题之一。

一、静力压桩与静力触探

软土地区,有经验的设计施工人员在进行桩基持力层选择、单桩承载力估算及判断沉桩可行性的过程中,一般都会参考岩土工程勘察报告中各土层的比贯入阻力 P。值。很多工程中,静力触探比贯入阻力 P。值甚至成为桩基设计施工最重要的参数。

事实上,静力压桩与静力触探在贯入过程方面的确有很大的相似性,如两者的贯入速度基本相同,约为 2cm/s;双桥静力触探与静压桩的桩端阻力、侧摩阻力在形式上相似。因此,现有国家行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)、《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ 72—2004),上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》(DGJ 08-37--2002)、上海市工程建设规范《地基基础设计规范》(DGJ 08-11—-2010)中均有根据静力触探资料估算单桩竖向承载力的计算公式。所以在研究静压桩的机理时,可以利用静力触探方面已有的研究成果,在工程上,则可以利用在岩土工程勘察阶段取得的静力触探资料,采用合适的方法对静压桩沉桩阻力进行估算。


但静力压桩与静力触探又有许多差别,如两者的尺寸不同,造成的挤土效应不同,对土层结构的破坏程度不同,对薄层土层的敏感程度也不同;在层状地层中,静力压桩与静力触探在穿越软硬不同的土层时表现出来的状态不完全一致;两者的材质不同,摩擦段长度也不同。因此,在利用静力触探资料及其已有研究成果的时候,需要根据不同的情况区别考虑。


二、沉桩阻力与单桩承载力

沉桩阻力是沉桩过程中使桩能贯入土层所施加的压力;单桩承载力是沉桩完成后该桩能保持正常使用时可承受的荷载。静力压桩沉桩过程中可定量地观测到压桩力,本身就类似于-次荷载试验,区别在于静力压桩的整个过程都在"动",即桩侧摩擦是动摩擦,桩端阻力也是动阻力,在桩的周围都是大变形造成的扰动了的土体。因此,静力压桩沉桩阻力与单桩承载;有一定的联系又有一定的差别。


一般来说,沉桩阻力越大,单桩承载力也越大。但由于桩侧和桩端土层土性的不同,其相互关系也会有所不同。


预制桩在黏土层中沉桩时,桩侧土由于剧烈的扰动,土的抗剪强度降低,沉桩阻力主要来自桩尖向下穿透土层时直接冲剪桩端土体的阻力,该阻力不一定随桩入土深度的增加而增大,而随桩尖土体的软硬疏密程度而波动,遇土层变化时会发生突变,土层相同时基本保持不变。当压桩终止且桩周土的孔隙水压力逐渐消散时,土体就发生固结,抗剪强度逐渐恢复,恢复的土体抗剪强度使静压桩获得单桩承载力。而在砂性土层中沉桩时,由于砂层的渗透系数较大,沉桩产生的孔隙水压力迅速消散,沉桩阻力不仅随桩端砂层的密实度不同而变化,而且在同一性质的砂层中,沉桩阻力也随桩入土深度的增大而显著增大。


当以砂层为持力层时,在终压力作用下,砂颗粒之间的咬合和摩擦作用提供的反作用力使桩处于动态平衡状态。卸载后一定时期内,砂颗粒之间会产生部分滑动,颗粒重新排列,根据沉桩引起土体"强化"效应和"松弛"效应的不同,单桩承载力较压桩力可能会增大,也可能会减小。


因此,在研究沉桩阻力时,可以有取舍地利用单桩承载力方面的研究成果。


三、静压桩沉桩阻力估算

1.已有沉桩阻力计算公式

对静压桩沉桩机理的理论研究相对较多,但对工程技术人员而言,其实用性相对较差。近年来,随着静压桩的迅速发展,人们一直在寻求相对简单、实用性强且有一定预测精度的估算沉桩阻力的方法,随之提出了大量经验公式或拟合公式,部分公式如表4-9 所示。


对上述经验公式对比分析后可以看出,沉桩阻力均由桩端阻力和桩侧摩阻力组成,且都与静力触探试验成果有一定的联系,并且同计算单桩承载力的公式具有相似性。这种研究思路无疑是正确的,公式在工程应用过程中方便简单,且容易被工程技术人员理解和使用。


然而,各公式对桩端阻力和桩侧摩阻力的取值又不尽相同,尤其是对桩端影响范围和桩侧摩阻力折减的取值方法有很大的差异,因此不同公式计算出的沉桩阻力必将有一定的差别。另外,各公式均为相关研究人员根据某一地区,甚至某一工程经验得出,由于土体本身的物理力学性质极其复杂,这些公式的适用性还需进一步研究。


2. 桩端阻力分析

1)桩端阻力影响范围

对桩端阻力影响范围,不同的公式具有不同的计算方法。而桩端阻力影响范围对桩端阻力的计算结果影响很大,因此有必要确定一个比较准确、实用的桩端阻力影响范围。


(1)桩端阻力影响范围的相关试验研究

对桩端阻力影响范围的研究,首先可以从桩端持力层的临界深度和最小厚度方面进行。如图 4-8所示,桩端阻力随桩入土深度按特定规律变化。当桩端进入均匀土层或穿过软土层进入持力层,开始桩端阻力随深度基本呈线性增大;当桩端进入持力层达到一定深度后,桩端阻力基本恒定,深度继续增加,桩端阻力增大很少,该深度即为桩端阻力的临界深度 h,该恒定桩端阻力即为桩端阻力稳值p。除了进入持力层的临界深度外,对于厚度有限的持力层,当持力层以下为软土层时,在桩端距软土层一定距离前,桩端阻力由原来的较大值迅速减小,这主要是由于桩端阻力受到软弱下卧层的影响而减小,这个距离即为最小厚度 h,对应的压力即为极限压力 pk。


桩端阻力的临界深度和最小厚度也可以从静力触探曲线得到反映。当探头进入某一土层一定的深度后,单桥静力触探比贯入阻力 p。值和双桥静力触探锥尖阻力q.值一般都趋于恒定;在不同土层的分界面,静力触探也存在超前滞后现象,即也有影响范围的问题。


因此,可以通过研究桩端阻力的临界深度和最小厚度来研究桩端影响范围。临界深度处桩端阻力基本不变,说明其上土层对桩端阻力基本没有影响,故可以认为临界深度是桩端以上影响范围(d1);最小厚度处桩端阻力有突变,说明其下土层对桩端阻力有一定的影响,故可以认为最小厚度是桩端以下影响范围(d2)。


关于桩端极限承载力影响范围,部分研究成果见表 4-10。