振动沉管灌注桩的沉管贯入阻力及沉桩可能性分析

王 洪 兴

(中国能建山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)



振动沉管灌注桩的沉管贯入阻力及沉桩可能性分析

王 洪 兴

(中国能建山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

简述了影响振动沉管灌注桩施工过程中沉管的主要因素，根据振动沉管灌注桩的沉管贯入机理，提出了沉管过程中贯入阻力的估算公式，并通过具体实例进行了分析，以合理选择施工桩机与施工顺序，从而达到设计要求。

振动沉管灌注桩，贯入机理，贯入阻力

0 引言

振动沉管灌注桩的施工技术近二十年在全国被广泛使用，特别在沿海软土地区，具有钻进效率高、施工文明和成本低的特点。但在有些地区，由于地基土地层条件的变化，往往会造成沉管不能达到设计深度和要求，造成延误工期和增加成本，限制了这种桩型的使用。造成这种情况的根本原因是：没有根据岩土勘测资料、地层土的变化情况、机械设备能力以及正确预估桩的沉管的贯入阻力来判断沉桩的可能性。

影响振动沉管灌注桩沉管可能性的主要因素是地基土条件、施工技术水平和沉桩设备能力。而地基土性质则决定了沉管阻力的大小。施工技术水平和设备能力因素，主要是指能否熟练掌握合理的施工工艺和施工设备特征，能否根据地基土的条件，研究出切实可行的施工工艺、施工顺序和方法来确定合理的设备能力。

桩管在入土过程中，会受到土体对桩管的抵抗阻力，这个阻力即为桩的贯入阻力。贯入阻力的大小是影响沉桩可能性的主要因素。要分析贯入阻力，必须分析沉管过程中的贯入机理。

1 振动沉管灌注桩沉管的贯入机理

振动沉管灌注桩沉管的施工原理为：偏心振动锤产生的激振力、设备上加压系统产生的压力、桩锤的自身重量施加于沉管上，强迫沉管沉入地基土中。在沉管过程中，桩尖下端一定范围内的土体受到越来越大的挤压，当桩尖穿过该层土体后，土体不再受挤压，而变为沉管外壁与土体之间发生摩擦使土体受剪。同时桩尖在接受由沉管传下的高频振动力后，造成管周及桩尖下土体天然结构发生破坏，使土体处于软塑状态，即被称之为“施工液化”现象。

沉管过程中，当管顶的激振力和外部压力或配重能克服管周摩阻力和桩尖阻力后，沉管就贯入下沉。根据袁湘瑞等人资料分析：沉管过程中管周摩阻力F大致可分为F1，F2，F3三部分，其相应的沿管分布范围为l1，l2，l3。

对于F1来讲，桩管在下沉过程中，由于管身的横向晃动，周边挤开，在管与土之间形成缝隙，浅层土的上覆土重较小和尺寸效应的关系，愈接近地面，这种缝隙愈宽。再者，沉管与土体发生同步振动，破坏了土的原结构，降低了抗剪强度。在上述因素的影响下，必然会大幅降低管周摩阻力F1值。这一范围的l1值占桩的入土深度的比值，不仅与桩的入土深度有关，而且与土的初始状态、土的变形特性、沉桩的施工工艺有关，一般长度为6 m～8 m以内。

桩管在下沉中，由于土体的扰动，超孔隙水压力的作用，浅层土的比重，以及打桩共振等共同作用，使桩身中部的桩周土形成一个软化区，它明显降低了桩周土的抗剪强度，此时的桩周摩阻力F2主要是软化层在上部土压力作用下滑移向桩管轴向挤压产生的，与相应的土体扰动强度有关。这一范围内的l2值占桩入土深度的比值主要与桩入土深度、土层结构、沉桩工艺有关，l2一般要占整个桩长的50%～60%。

沉管中，桩尖贯入下沉时的桩尖效应、临近桩尖处的桩周土体产生的压向桩身的较大水平压力、上部土体自重产生的被动土压力和土体挤密产生的孔隙水压力等，必将使桩身下部的桩周摩阻力F3增大。但又由于桩尖的“刺入”对土体所产生的扰动影响、沉管振动作用，降低了土体的抗剪强度。在两者的共同作用下，桩周土的摩阻抗力将大于原状土的强度。F3值的大小与土质、沉管工艺有关，而且与桩尖的形状有关。预制或钢桩头所产生的F3值要大于用活瓣桩头时的F3值。这一范围内的l3值的大小主要与桩径、土质有关，一般在5倍～8倍的桩径范围内。

贯入到达持力层或硬层后，桩尖下端的土体主要受到越来越大的挤压，因而土体对桩尖产生抗力Pg,Pg大小与持力层的强度有关。

2 沉管贯入阻力的估算

1)估算公式。根据以上沉管灌注桩的沉管贯入机理的分析，桩管在入土过程中，主要是F1，F2，F3三个区间的桩周摩阻抗力及桩尖土体抗力Pg的作用，因而沉管贯入阻力的估算公式为：

P=F1+F2+F3+Pg=Uf1l1+Uf2l2+Uf3l3+RSSg。

其中，F1，F2,F3分别为沿桩周边分布的动态摩阻力，kN；Pg为桩尖的动态抗力，kN；U为桩周的外周周长，m；Sg为桩尖最大截面处的面积，m2；Rg为桩尖单位动态桩尖阻力,kPa；l1，l2，l3分别为F1，F2，F3沿桩周边动态摩阻力分布的长度，m；f1，f2，f3分别为沿桩周边的单位动态摩阻力，kPa。

2)取值方法。打桩过程与静力触探试验过程具有相似性，沿桩周边分布的f1，f2，f3动态摩阻力可根据岩土勘测的静力触探试验中的侧壁摩阻力fs的大小分别取值。静力触探试验是静力压力取得的，而沉管过程是振动压入的，一是静态值fs，二是动态值f1，f2，f3。可根据修正系数由静态值初步确定各动态值的大小。

f1取值：一般为f1=(0.1～0.2)fs1。

f2与土质性质有关，根据有关资料，对于粘性土，视灵敏度St而定。

一般低灵敏度(St=1～2)时，fs2/f2=1.5，f2=0.67fs1。

中、高灵敏度(St=3～6)时，f2=(0.4～0.5)fs2。

f3一般大于原土的静强度，取f3=(1～1.5)fs3。

其中，fs1，fs2，fs3分别为相应深度区间段的静力触探侧壁摩阻力，kPa;

l3=(5～8)D，D为桩径，m；l2为软化区的深度范围值，一般l2=(0.5～0.6)L，L为桩长，m;l1=L-l2-l3。

Rg取值：振动桩尖对土体的挤压作用，由于尺寸效应和影响范围，桩尖动态Rg与静探锥尖阻力qc有关，一般当桩长7 m≤L≤30 m时，为Rg=(0.6～0.9)qc。当持力层强度较大时，桩尖进入持力层深度有限，小于1 m时,则qc应取桩尖上下4D范围内的静探端阻平均值。

应当说明：以上的估算公式是根据沉管贯入机理初步确定的，在公式中没有单独考虑沉管过程中引起的超孔隙水压力问题，因孔隙水压力的大小与土质、沉管速度等有关。沉管是一个复杂的过程，不可能有一个精确的公式来表达，所以提出一个经验公式，可以初步计算出沉桩的贯入阻力。

3 工程实例

某工程根据勘测报告：地基土层①-3层为第四系Q3粉土和粉质粘土交互层，土质较差，呈软塑～可塑状态，④层为中细砂层，厚度为4.2 m，地下水位为-6.5 m。设计根据地层情况，主厂房、烟囱、化学水车间、输煤栈桥、空冷岛等主要建筑物采用桩基，用振动沉管灌注桩进行施工。主厂房地段设计桩顶标高为985.3 m，桩长18.5 m，桩管外径为480 mm，持力层放在④层上，入持力层深度为0.5 m～0.7 m。化学水车间、输煤栈桥、空冷岛地段设计桩长17.2 m，持力层放在相对较硬的③-4层粉质粘土上。

按设计要求及现场施工情况：主厂房基坑开挖后基面标高为985.5 m，桩长按L=18.5 m，入持力层深度为0.5 m～0.7 m考虑，以勘测提出的静力触探测试结果，计算沉桩深度达到设计要求后的贯入阻力：

P=F1+F2+F3+Pg=Uf1l1+Uf2l2+Uf3l3+RSSg。

各项取值：

U=πD=1.41 m。

l3=7D=3.15 m，l2=0.5L=9.25 m,l1=L-l2-l3=6.1 m。

f1=0.1fs1=3.5 kPa，f2=0.67，fs1=28 kPa，f3=1.2fs3=41 kPa。

Rg=0.7qc=601 kPa，Sg=0.18 m2。

则计算贯入阻力P=685.6 kN。对于DZ-90型桩机，在低挡工作时，计算工作能力为η=118.2%；中挡工作时，η=94.4%；高挡工作时，η=80%。

对于DZ-60A，DZ-75型桩机，计算工作能力η均大于1。

现场沉桩试打情况：DZ-90型桩机在高挡工作时，桩管比较顺利的打到持力层，只是在进入持力层后沉管速度较慢；而在中挡、低挡工作时，沉桩深度只能打到17.8 m～18 m，无法进入持力层。另一台DZ-90型桩机，无加压系统，沉桩深度只有17.4 m，且沉桩非常困难，需要5 h～6 h。DZ-60A，DZ-75型桩机，由于振动锤的激振力较小，计算工作能力为η均大于1，现场试打沉桩深度为17 m左右，无法打到设计深度。

现场施工情况：根据岩土报告计算设计桩长内的贯入阻力，对各型号桩机的沉桩的可能性进行判断，以及现场试打情况，对不同机型的桩机进行了施工区域的分配：有加压系统的DZ-90型桩机主要施工主厂房和烟囱地段，DZ-60A，DZ-75型桩机主要施工化学水车间、输煤栈桥、空冷岛地段。

4 结语

1)通过对振动沉管灌注桩沉管的贯入机理进行分析，给出了计算沉管过程中贯入阻力计算公式，根据岩土勘测报告，可以计算出设计桩长范围内的贯入阻力，对不同机型的桩机判断其沉桩的可能性，以此来合理地选择施工桩机。

2)振动沉管灌注桩的最后贯入度是一个相对值。不同功率的桩机克服的贯入阻力也不同，最后的贯入度也不同。因此在同一施工场地中，当有不同功率的桩机施工时，不能只按贯入度控制，应以桩长控制为主，贯入度控制为辅。

3)计算沉桩的贯入阻力，只考虑了单桩的情况，在群桩施工时，预估沉桩的可能性时还要考虑桩间土的挤密影响，要选择合理的施工顺序。

[1] 孙更生，郑大同.软土地基与地下工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1984.

[2] 唐世标.打桩引起的侧压力及孔隙水压力的变化[D].上海：同济大学，2011.

Possibility analysis of sinking pipe penetration resistance and pipe sinking of vibrating driven cast-in-place pile

Wang Hongxing

(ChinaEnergyConstructionShanxiPowerSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The paper describes major factors influencing pipe sinking in vibrating driven cast-in-place pile construction process. According to sinking pipe penetration mechanism of vibrating driven cast-in-place pile, puts forward estimation formula of penetration resistance in pipe sinking process, and carries out analysis with specific cases, with a view to rationally select construction pipe machine and construction procedures and to achieve design demands.

vibrating driven cast-in-place pile, penetration mechanism, penetration resistance

1009-6825(2016)05-0070-03

2015-12-01

王洪兴(1963- )，男，高级工程师，国家注册土木工程师(岩土)

TU473.14

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