砂层地基中预制管桩桩长对基桩沉降量的影响分析

刘文龙

摘 要：根据竖向荷载作用下的桩-土相互作用原理，并考虑土体应力应变的非线性特征，建立了桩基沉降简化模型。笔者以某高速公路为工程实例，探讨了预制管桩桩长和回弹率在砂层地基中对基桩沉降的影响。研究结果表明：当桩径不变时，基桩沉降随桩顶竖向荷载的增加呈现非线性增大的趋势，随桩长的增大呈非线性减小趋势;增大桩径一定程度上能够减小桩基竖向受荷沉降，但是对于桩径800 mm的基桩，桩长增大到12 m时，桩长已经不再是控制桩径沉降的关键参数;基桩试验样本的回弹率在小范围内波动，对基桩沉降基本无影响，以期为基桩工程的设计提供参考。

关键词：预制管桩;沉降;桩基;回弹率

中图分类号：U448.25;U441+.3   文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）3-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.023

Analysis of the Influence of the Length of Prefabricated Pipe Piles on the Settlement of Foundation Piles in Sand Ground

LIU Wenlong

（1.No.2 Engineering Co.， Ltd. of China Railway 10th Group Co.， Ltd. Zhengzhou 450008，China;2. Henan Anluo Expressway Co.， Ltd. Zhengzhou 450003， China）

Abstract： According to the principle of pile-soil interaction under vertical load， and considering the nonlinear characteristics of soil stress and strain， a simplified pile settlement model is established. The author takes the foundation piles of the viaduct from Shangcai to Luoshan on the Anyang-Luoshan Expressway as an engineering example to discuss the influence of the length and resilience of precast pipe piles on the settlement of foundation piles in sand foundations. The research results show that when the pile diameter is constant， the settlement of the foundation pile decreases with the increase of the pile length in a non-linear trend， and with the increase of the vertical load on the top of the pile， it shows a non-linear increase trend. Increasing the pile diameter can reduce the vertical load settlement of the pile foundation to a certain extent， but when the pile length increases to about 12m with pile diameter of 800mm， the pile length is no longer a key parameter to control the pile diameter settlement. The rebound rate of the foundation pile test samples fluctuates in a small range， and has basically no effect on the settlement of the foundation pile， which is expected to provide a reference for the design of foundation pile engineering.

Keywords： precast tubular pile; sedimentation; pile foundation; percentage of rebound

0 引言

随着我国经济的发展，公路对地区经济发展的促进作用越来越大。公路作为带状构造物，有时需要穿越不同的地质单元，导致部分桥梁修建在软弱土层中。由于土层的承载能力不足，会造成桥梁基桩的沉降量过大，进而影响桥梁的安全和使用寿命[1-3]。

近年来，对桩基沉降问题，学者们提出了相关的理论并进行了一系列的试验。张瑞坤[4]等基于深厚软黏土地区的4根单桩静荷载试验资料，分析了单桩沉降。张忠苗[5]等人通过试验对比高强混凝土管桩和预制方桩中的沉降曲线和桩身分布情况，研究了高强混凝土管桩的传递机制。刘红军[6]等建立了用于单桩沉降计算的数学规划模型，通过与算例证明了该方法的准确性。陈锦剑[7]等结合弹性理论，基于单桩荷载试验结果，探讨了工作荷载下单桩沉降的简化方法。彭武[8]等借鉴已有岩石结构面剪切强度的方法，采用荷载传递理论，分析了预制管桩的受力机理。陳焰明[9]等对预制方桩与高强混凝土管桩进行了静载试验，对比分析了预制方桩与高强混凝土管桩在轴向荷载作用下桩身的受力特性。尹建坤[10]等提出了钻埋式微型预制管桩承载力试验研究方法。靳建明[11]等基于最小势能原理，推导了桩-土体系的控制方程，提出了相应的求解方法。以往的研究主要为桩和土之间的作用机理，研究桩竖向承载能力，但是现有的成果还未体现在砂层地基中的基桩的尺寸对沉降量的影响。

基于此，在分析竖向荷载作用下土和桩之间的相互作用的同时，探讨在砂层地基中预制桩桩长和回弹率对桩基沉降的影响，以期为基桩工程的设计提供参考。

1 计算基装沉降的荷载传递法

荷载传递法在桩基础沉降计算时被广泛采用[1]。如图1所示，竖向荷载作用下桩土体系的传递荷载过程可简化为：桩身沉降s（z）和桩身轴力Q（z）随深度逐渐递减，而桩侧摩阻τ（z）逐渐发挥作用的过程。

取预制桩桩身微量dz为研究对象，由竖向受力平衡公式可得式（1）（2）。

2 桥墩桩基沉降的计算

2.1 工程概况

某高速公路设计等级为Ⅰ级，双向四车道，路基宽度27 m。施工过程中采用的管桩基础桥墩形式。管桩按《先张法预应力混凝土管桩》（GB 13476—2009）及国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》（10G409）选用，工业化制造产品;承台、墩身及盖梁均采用现浇结构。具体设计详见表1。

下部结构盖梁、立柱、管桩均为预制的桥墩形式。

承台与管桩通过填芯混凝土伸出钢筋锚固在承台内。管桩填芯混凝土高度不小于3倍桩径;浇筑填芯混凝土前，将管桩内壁浮浆清理干净，采用内壁涂刷水泥净浆、混凝土界面剂等措施提高填芯混凝土与管桩的整体性。

2.2 地质资料

根据本工程的岩土工程勘察资料的勘察成果，该工程土层分布从上至下描述如下。

第一层，粉质黏土，整体呈灰褐色，主要成分为黏性土。而粉质黏土即大部分为黏土，有一定黏性、切面较光滑、干强度高、韧性较高，层厚11.8～16.5 m，层底标高45.88～34.87 m。土质不均，普遍分布。

第二层，粗砂，呈灰色，软塑，干强度中等，中等韧性，无摇震反应，层厚8.5～13.4 m，层底标高34.87～23.07 m，土质较均匀，工程性能一般。

第三层，粉质黏土，整体呈灰褐色，主要成份為黏性土。而粉质黏土即大部分为黏土，有一定黏性、切面较光滑、干强度高、韧性较高，层厚12.6～13.4 m，层底标高23.07～13.37 m。土质不均，普遍分布。

第四层，粗砂，呈灰色，软塑，干强度中等，中等韧性，无摇震反应，层厚20～23.37 m，层底标高13.37～10.33 m，土质较均匀，工程性能一般。

2.3 施工工艺

本项目采用锤击沉桩施工，其工艺流程为：测量放线-桩基就位-吊桩落位-桩机调平-双向调整桩身垂直度-打桩-接桩-送桩-移动桩机。具体要求如下。

①根据设计桩位现场进行桩位测放，桩位误差应符合要求。

②桩机就位应准确、平稳，场地平整，采取保证施工中桩机不发生倾斜、移位，发现问题及时纠正。

③首节管桩插入土中深度不大于0.5 m时，应检查桩位及桩身垂直度偏差，校正后的垂直度偏差不大于0.5%。

④管桩锤击过程中，采用重锤轻击，桩锤、桩帽和桩身的中心须始终重合，并实时检查桩身的垂直度，当桩身倾斜度大于0.8%时，应立即找出原因并设法纠正，严禁釆用移动桩架强行扳拉的方法纠偏。

⑤每一根桩宜一次性连续沉桩完成，尽量减少中间间歇时间，当采用分节施工时，应保证承台下10 m范围内不出现接桩。

⑥设计桩顶标高在自然地面以下时应进行送桩，送桩深度不宜大于4 m，应采套筒式送桩器，套筒直径应与管桩相匹配，送桩器与桩身轴线保持重合。

⑦施工工程中应加强桩顶高监测，当上浮时应复打。

⑧垂直度校正应采用二台经纬仪或全站仪从互成90°的两个方向同时观测，沉桩过程应设置专人专岗，随时观测校正。

⑨送桩器应符合《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJ/T 406—2017）的相关规定，建议采用套筒式送柱器，不得采用中间设置小圆柱体的插销式送桩器，也不得采用下端面不设任何限位装置的圆柱形送桩器。

⑩桩帽与桩顶之间应有麻袋、纸皮或木砧等材料作为弹性衬垫。锤击压缩后材料的厚度以12～15 cm为宜。

2.4 试验的数据处理

2.4.1 桩身混凝土的应力-应变关系。由实测获得各级荷载下轴向应变值和应力计算值，可以得到各试桩表顶面混凝土的轴向应力应变的拟合关系式（8）。

3 影响因素分析

在所有影响竖向荷载作用下基桩沉降的因素中，桩长是主要因素。在桩径为800 mm时，通过改变桩长，对砂层地基中桩顶沉降的变化规律展开分析。桩基的回弹率一定程度上会影响桩基的特性进而影响到沉降量。

3.1 桩长的影响

以实际工程中的桩长L=10.8、11.3、12.0、12.5、20.5 m为基础，经荷载试验，得到不同桩长条件下的桩顶荷载沉降曲线，如图2所示。

从图2可以看出，桩顶沉降随着L的增大呈非线性减小趋势，在桩长L超过12 m以后，桩长随荷载的变化不明显。桩顶沉降s随桩身轴力Q增加而呈现非线性增大趋势。桩长L=12.5 m，当Q为2 300 kN和4 600 kN时，预制桩桩顶沉降量s分别为4.00 mm和15.12 mm，沉降量与其上一级荷载对比，其增幅分别为42.35%和24.75%。因此，桩基长度L增大到一定程度后，桩长的改变已经对桩基沉降基本无影响。

3.2 桩基回弹率的影响

图3为不同桩长回弹率的测试结果，可以看出，不同桩长的回弹率，整体上差别不大。其中在桩长L=11.3 m时，回弹率出现最小值为20.18%，在桩长为L=20.5 m时，回弹率出现最大值为28.09%。整体上的回弹率的平均值为24.17%。其中L=12.0 m时预制管桩的回弹率为22.47%，L=12.5 m时预制管桩的回弹率为27.18%。

因此，在考慮桩长对沉降量的影响时，可不必考虑回弹率对其结果的影响。

4 结语

本研究以某高速公路为工程实例，探讨了预制管桩桩长和回弹率在砂层地基中对基桩沉降的影响。研究结论如下。

①应用了桩基沉降计算的简化计算模型，并将其应用到结果的计算当中。

②当桩径和加载力不变时，基桩在砂层地质中的沉降随L的增大呈现非线性减小趋势。对于桩径为800 mm，加载力小于4 600 kN的基桩，桩长大于12 m后的沉降量变化不明显。

③通过多组数据分析可知，基桩的回弹率在一定范围内上下波动，不同桩长的回弹率之间的变化不明显，因此可以不用考虑回弹率对沉降量的影响。

参考文献：

[1] 胡超.湘府路高架桥桩基沉降计算及影响因素分析[J].交通科学与工程，2020（2）：6.

[2] 中国桥梁工程学术研究综述·2021[J].中国公路学报，2021（2）：1-97.

[3] 张磊，胡志强.桥梁工程设计中的桩基沉降[J].黑龙江交通科技，2017（6）：2.

[4] 张瑞坤，石名磊，倪富健，等.黏性土中大直径超长钻孔灌注桩承载性状及单桩沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2013（S2）：4190-4198.

[5] 张忠苗，喻君，张广兴，等.PHC管桩和预制方桩受力性状试验对比分析[J].岩土力学，2008（11）：3059-3065.

[6] 刘红军，上官士青，朴春德，等.基于数学规划算法的单桩沉降计算分析研究[J].岩土工程学报，2012（5）：868-873.

[7] 陈锦剑，王建华，朱峰.软土地区单桩沉降的简化计算方法[J].上海交通大学学报，2006（12）：2126-2129.

[8] 彭武，黄天，邹进涛，等.嵌岩钻埋式预制管桩基础受力机理[J].土木工程与管理学报，2020（6）：75-79.

[9] 陈焰明，马燕燕，徐艳萍，等.软土地区防洪堤工程中预制方桩和PHC管桩的对比试验研究[J].岩土工程学报，2013（S2）：986-989.

[10] 宋犇，尹建坤.输电线路工程中钻埋式微型预制管桩承载力试验研究[J].粉煤灰综合利用，2020（6）：45-49.

[11] 靳建明，梁仕华.成层Gibson地基中单桩沉降的非线性分析[J].岩土力学，2012（6）：1857-1863.