西安静压管桩终压力与单桩极限承载力关系探讨

吴群昌,姜规模

(西安市勘察测绘院,陕西西安 710054)

西安静压管桩终压力与单桩极限承载力关系探讨

吴群昌∗,姜规模

(西安市勘察测绘院,陕西西安 710054)

通过对西安静压PHC管桩静载荷试验资料分析，依据Q-S曲线得到单桩竖向极限承载力，采用数理统计的方法对单桩竖向极限承载力与终压力的关系进行回归分析，分别建立了以粘性土和砂土为持力层时，摩擦型和端承型静压管桩终压力与单桩竖向极限承载力关系的地区经验公式，对今后类似工程的设计和施工提供参考，对西安静压管桩的进一步推广和应用提供依据。

静压管桩；终压力；单桩极限承载力；经验公式

1 引 言

静压预应力高强度混凝土管桩(PHC),由于单桩承载力高,应用范围广,沉桩质量可靠,工程造价便宜,施工速度快、工期短、无污染、现场整洁、施工环境好等特点,在西安的应用得到快速发展。西安主要的地貌为黄土梁洼和渭河及其支流阶地,由于岩土工程条件的差异,在黄土梁洼地貌单元,静压管桩以摩擦型长桩为主(表1),在河流阶地地貌单元以端承型短桩为主(表2)。因此,不同地层条件以及不同桩长类型的静压管桩的承载性能有着明显的差异,沉桩终压力与单桩竖向极限承载力的关系有所不同。

黄土梁洼地貌区桩长范围内地层结构在及地基土物理力学性质指标统计表 表1

河流阶地地貌区桩长范围内地层结构及地基土物理力学性质指标统计表 表2

根据西安岩土工程的特点,我们着重研究黄土梁洼地貌单元的摩擦桩和河流阶地区以砂土为持力层的端承桩单桩极限承载力与终压力关系,建立适用地区的经验公式,为类似工程的应用提供依据。

2 静压管桩终压力与单桩极限承载力的关系

在静压管桩施工中,管桩沉桩终止条件的确定非常关键,直接关系到单桩极限承载力的大小。在黄土梁洼地貌单元区施工中管桩已压到设计标高,但终压力却达不到设计的单桩竖向极限承载力；而在河流阶地地貌单元区施工中,终压力远大于设计的单桩竖向极限承载力,但通过静载荷试验检测桩的承载力却达不到设计要求的单桩竖向极限承载力。发生上述问题,有以下主要原因:

管桩在垂直静压力作用下进入粘性土层时,桩周土体会发生挤压扰动,土中孔隙水压力急剧增大,桩周土体发生变形,土的原始结构遭到破坏,土的抗剪强度降低,此时压桩阻力主要来自桩尖阻力,因而桩身容易下沉。这只是短暂现象,当压桩终止一段时间以后,桩周土体的孔隙水压力会逐渐消散,土体就会发生重新固结,土的抗剪强度会逐渐恢复,甚至超过原始强度,因而单桩竖向极限承载力大于终压力。恢复后的土体抗剪强度才使静压桩获得工程意义上的极限承载力。

当以砂层为持力层,管桩在垂直静压力作用下沉入砂土层时,桩周土产生挤压和摩擦,由于砂的剪胀性,使桩身周围土的孔隙水压力下降,内摩擦角相应增大,从而提高了桩贯入阻力,卸载一段时间后砂土中孔隙水压力恢复,桩与砂土层间的摩擦力也相应减少,砂粒之间会产生部分错动,颗粒重新排列,桩端阻力会有所下降,桩的极限承载力小于终压力。现在大量用于静压管桩施工中的液压压桩机,因为机械性能受设计条件的限制,当压桩力达到终压力后的很短时间,压桩机会立即自动卸载,终压值不能稳定在规定的时间,因而压桩的终压力实际上反映的是土体对桩的短时间的抗力。同时,由于端承桩较短,压桩机卸载后砂土会产生应力释放,这些都是静压管桩的极限承载力小于终压力的影响因数。

静压管桩的终压力与极限承载力属两个不同的概念,有着本质的不同。压桩力是沉桩过程中使桩贯入土层所需的动压力,它包括桩端土动阻力及桩侧土的滑动摩阻力,反应桩周、桩端土体对桩的动态支承能力。桩的极限承载力是在桩周、桩端土体中的孔隙水压力逐渐恢复,受扰动的土体重新固结,强度恢复后,在竖向荷载作用下,桩不发生稳定失稳或桩顶沉降量不超过某一数值所对应的承载力,是反应土体对桩支承能力的静止阻力。静压管桩的终压力与单桩竖向极限承载力虽然不是同一性质的力,但两者之间仍有一定的相关性。目前相当多的学者已经对两者之间的关系做了大量的理论与实践的研究,提出了静压桩的终压力与单桩竖向极限承载力的统计关系,对工程实践起到了重要指导作用。正因为如此,静压管桩的终压力与单桩竖向极限承载力的关系一直是工程界较为感兴趣的问题。

3 静压管桩在西安应用研究

鉴于终压力与单桩竖向极限承载力的两者之间存在一定的相关性,为了建立定量西安静压管桩的终压力与单桩竖向极限承载力的统计关系,我们整理分析了我们承担的部分静压管桩静载荷试验资料,依据QS曲线得到单桩竖向极限承载力,如表3、表4所示。

黄土梁洼地貌区静压管桩试验资料 表3

河流阶地地貌区静压管桩试验资料 表4

通过分别对表3、表4中数据以单桩竖向极限承载力(Qu)与终压力(Pu)进行回归分析,据此得到的直线回归方程为:

极限承载关系如图1、图2所示。

图1 黄土梁洼地貌区终压力与单桩竖向极限承载力关系图

图2 河流阶地地貌区终压力与单桩竖向极限承载力关系图

在静压管桩施工中,端承桩(短桩)沉桩终止条件以终压力控制为主,摩擦桩(长桩)以桩顶标高控制为主。由式(1)和表4可以看出,端承桩以终压力作为主控条件时,一般终压力宜大于设计要求的单桩承载力极限标准值,即应进行超压,超压系数为1.05～1.35；由式(2)和表3可以看出,相反,摩擦桩终压力一般小于设计要求的单桩承载力极限标准值,约为设计桩承载力极限的0.65～0.75倍。

4 结 语

通过对静压PHC管桩的终压力与单桩竖向极限承载力的关系的探讨,为西安静压管桩在施工和质量检测提供了一种有效方法,依据建设场地岩土工程条件,可以根据静压桩的单桩竖向极限承载力合理确定终压力,经济合理的选择施工机械、确定桩长,对今后类似工程的设计和施工提供参考,对西安静压管桩的进一步推广和应用提供依据。可以预计,随着工程经验的积累和研究的深入,静压管桩技术在西安建设工程中的应用将得到迅速推广,这对西安地基处理技术的进步具有促进作用。

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Stydy on the Relationship Between Static Pressing Pipe Pile End Pressure and Single Pile Vertical Ultimate Bearing Capacity of Xi’an City

Wu Qunchang,Jiang Guimo
(Xi’an Institute of Prospecting＆Mapping,Xi’an 710054,China)

According to analysing and studying on thematerials of Xi’an static pressing PHC pipe pile static loading test and Q-S curve can get the single pile vertical ultimate bearing capacity.Regression analyse the relationship of single pile vertical ultimate bearing capacity and end pressure bymathematical statisticsmethod can build the area experience formulas about the relationship of fiction-type and end bearing static pressing pipe pile’s end pressure and single pile vertical ultimate bearing capacity when clay and sandy is the supporting course.These formulas provide reference to design and construction of similar projects.It has very important impellent effects on static pressing pipe pile’s generalization and application to Xi’an city.

static pressing pipe；eventually pressure；single pile-vertical ultimate bearing capacity；experience formula

1672-8262(2013)06-168-04

TU473.1+1

B

2013—09—16

吴群昌(1964—),男,高级工程师,注册土木工程师(岩土),主要从事岩土工程技术管理工作。