合肥黏土地区静压管桩单桩承载力时效性研究

崔 伟

(1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001； 2.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031)

1 概述

预应力管桩具有工厂化生产、承载力较高、造价较低、施工周期短且无环境污染等优点，符合建筑工业化的发展方向，近二十年在我国得到了快速发展。管桩常用的静压法沉桩方式，是一种典型的挤土沉桩方式，静压挤土桩的施工必然导致桩附近一定范围内的地基土发生显著的重塑。如图1所示，如周围是饱和黏性土，桩打入时，土受到急速的挤压，破坏了土天然结构，孔隙水压力急剧上升，从而使土的强度大大降低，因此，这时桩侧摩阻力将大幅度降低。随着休止时间的增长而产生的触变恢复现象，被扰动的土体强度将随时间推移而逐渐得到恢复，打桩引起的孔隙超静水压力逐渐消散，有效应力不断增加，桩侧土在径向固结的过程中密度增大，压缩模量和标贯阻力增大，这就使得桩周围土的强度得以恢复提高，从而随着休止时间的增加，单桩竖向抗压承载力也在逐渐恢复提高[1-2]，挤土效应不同，桩周土体受到压缩和重塑的程度不同，土的物理学性质发生变化的程度也就不同，桩侧摩阻力也不同。这种现象在高灵敏度饱和黏性土中的摩擦桩最明显。合肥地区广泛分布硬塑～坚硬的黏土，并且常用的管桩为不采用桩尖的静压开口管桩，为了更好地了解该地区静压开口管桩的单桩承载力时效性，有必要开展管桩单桩竖向抗压承载力与休止期天数之间的关系研究。

2 试验概况

2.1 工程概况

选取合肥黏土地区119根静压法沉桩的开口管桩的基桩静载试验为研究对象，其中φ400 mm管桩39根，φ500 mm管桩44根，φ600 mm管桩36根，桩长范围为21 m～30 m。这些管桩的桩端和主要桩侧土体均为黏土，黏土层厚度为12 m～36 m，以黄褐、棕黄、灰黄色黏土为主，偶夹透镜状亚黏土，结构致密，呈硬塑～坚硬状态，黏土主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 合肥地区黏土典型物理力学性质指标

2.2 单桩竖向抗压初始极限承载力的确定

合肥黏土地区静压开口管桩沉桩施工时有规定的终压标准，本次直接采用静压沉桩施工时的终压力作为单桩竖向抗压初始极限承载力Pu0，即为休止期天数t=0时的单桩竖向抗压极限承载力。

2.3 单桩竖向抗压极限承载力的确定

对于119根管桩静载试验数据中，记下静载试验时试验桩的休止期天数t，按照规范[3]要求单桩竖向抗压极限承载力的确定方法遵循下列原则：根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Q-s曲线，应取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值；根据沉降随时间变化的特征确定：应取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值；某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h未达到相对稳定标准时，宜取前一级荷载；对于缓变型Q-s曲线，宜根据桩顶总沉降量，取s=40 mm对应的荷载值。按照此方法确定的单桩竖向抗压极限承载力即为休止期天数为t天时的单桩极限承载力Put。

对于施工场地隔几天采取复压以消除可能出现的浮桩现场的情况，可将复压时终压力作为休止期天数为t天时的单桩极限承载力Put。

合肥黏土地区管桩的静载试验Q-s曲线的特征一般为缓变性[4]，对于桩顶总沉降量s<40 mm的情况，可对Q-s曲线的数据点采用三阶多项式进行拟合，再将40 mm代入拟合方程推算出s=40 mm对应的荷载值，将此荷载值作为休止期天数为t天时的单桩极限承载力Put，为减少拟合推定误差，一般选取静载试验最终沉降量不少于30 mm的管桩数据进行分析。

2.4 单桩极限承载力增长率的确定

静压管桩在不同休止期的极限承载力增长率Vt表达为：

Vt=(Put-Pu0)/Pu0

(1)

3 数据分析

通过式(1)可研究静压管桩竖向极限承载力与休止期的关系。对本地区119根静压管桩的静载试验资料，得出单桩极限承载力增长率与休止期的关系如图2(桩径400 mm)，图3(桩径500 mm)，图4(桩径600 mm)所示。

运用数理统计的非线性回归方法分析静压开口管桩的单桩竖向抗压极限承载力增长率Vt与休止期t的关系。度量拟合优度的统计量R2的值越接近1，说明回归曲线对观测值的拟合程度越好；反之，R2的值越小，说明回归曲线对观测值的拟合程度越差。从理论上讲采用多项式来拟合曲线时，只要多项式的阶数足够大，R2的值越接近1，拟合结果就越好。但考虑到工程实际，当随着休止期天数d的增加，单桩承载力增长率Vtz逐渐放缓，因此采用对数函数进行拟合比较合理，分别拟合得到桩径400 mm,500 mm和600 mm的管桩单桩竖向抗压极限承载力增长率Vt与休止期t的关系如下式所示：

桩径400 mm：

Vt=7.346 8lnt-0.465,R2=0.865 5

(2)

桩径500 mm：

Vt=15.893lnt-10.645,R2=0.875 8

(3)

桩径600 mm：

Vt=18.406lnt-14.596,R2=0.887 7

(4)

其中，Vt的单位为%;t的单位为d。分别将5 d,10 d,15 d,25 d,35 d,45 d和55 d代入式(2)～式(4)，得到不同休止期天数各型号管桩的单桩承载力增长率，如表2所示。

表2 不同休止期天数管桩的单桩承载力增长率

由表2分析可知，对于φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管桩，在休止期25 d以内，单桩竖向抗压承载力极限值增加较快，超过25 d后，三种桩径的管桩的单桩承载力增长速度放缓，并且较小直径管桩的单桩承载力增长速度放缓更加明显，因此静压管桩竖向抗压静载荷试验宜在休止期不少于25 d后进行。

φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管桩在休止期为15 d时，其单桩极限抗压承载力分别较静压沉桩时增加19.4%,32.4%和35.2%；在休止期为25 d时，其单桩极限抗压承载力分别较静压沉桩时增加23.2%,40.5%和44.7%；在休止期为45 d时，其单桩极限抗压承载力分别较静压沉桩时增加27.5%,49.9%和55.5%。可见随着管桩桩径越大，其单桩竖向抗压极限承载力随时间增长越快，这是因为对于同样的土层条件，桩径越大，单桩挤土效应越明显，并且桩侧表面积越大，即桩侧摩阻力越大，文献[5]研究成果指出随着休止期的增长，其单桩承载力的增长，主要来源于桩侧阻力的提高，而桩端阻力随着休止期的增长对于单桩承载力的提高十分有限。

4 结论

1)通过对合肥黏土地区119根静压法沉桩的开口管桩的基桩静载试验数据分析研究，采用对数曲线拟合出桩径400 mm,500 mm和600 mm的管桩单桩竖向抗压极限承载力增长率Vt与休止期t的回归方程。2)在休止期25 d以内，单桩竖向抗压承载力极限值增加较快，25 d后单桩承载力增长速度放缓，建议静压管桩竖向抗压静载荷试验宜在休止期不少于25 d后进行。3)黏土地区管桩的单桩竖向抗压极限承载力增长速度与桩径相关，桩径越大，其极限承载力随时间增长越快。