一种可消除桩基负摩阻力的伞杆桩

2023-10-14杨庆YANGQing欧明喜OUMingxi陈颖辉CHENYinghui

价值工程 2023年27期

杨庆 YANG Qing；欧明喜 OU Ming-xi；陈颖辉 CHEN Ying-hui

（①昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500；②石家庄晶石建筑工程技术有限公司，石家庄 050000）

0 引言

随着我国进入高质量发展阶段，基础设施建设标准也越来越高，桩基础被广泛应用于高层建筑或者柱间距较大的工业建筑中。桩基础属于深基础的一种，受到桩侧和桩端土的性质影响较大。当桩基越长时，桩侧摩阻力提供的桩基承载能力的比例就越大。其中桩侧摩阻力又分为两种，土对桩产生的约束阻止桩下沉的力称为正摩阻力，也就是通常所说的桩侧摩阻力；土对桩产生向下的拖拽使桩产生向下的位移的力称为负摩阻力。负摩阻力对桩基承载产生不利的作用，沉降加大，严重的甚至会造成建筑物倒塌。桩基负摩阻力的问题由来已久，国内外对消除桩基负摩阻力的方法研究开始于70 年代。李文华等通过从土力学桩土关系、有效应力原理、土体固结等基方面进行分析，提出了相应的防治对策。毛黎明通过分析大面积填土下负摩阻力对桩基承载力的不利影响，提出了相应的处理措施。尽管国内外对桩基负摩阻力的研究在理论上取得了显著的进步，但是工程设计和施工中遇到的土多种多样，土的离散性导致很多设计参数取值不准确，因此，在实际工程中是以计算作为参考，以消除负摩阻力的方法和工艺为主来应对此类工程问题。本文通过阐述常见的消除负摩阻力的方法，结合实际工程案例来讨论采用消除负摩阻力的伞杆桩法，并根据其原理计算后得出桩基承载能力有显著的提高。

1 消除桩基负摩阻力的方法

现阶段国内外关于消除桩基负摩阻力的方法多种多样，大致可以分为以下五类：

①将中性点以上的桩基侧表面的摩阻力消除。在套管外涂抹光滑的界面剂或者外套钢管等施工工艺，可将桩与土接触产生的摩擦力减小至忽略不计的计算条件，但是中性点以下的桩长需要足够的长度，单桩在一般的情况下，由于钻孔深度越深土层越坚硬，造成沉桩困难，中性点以下的长度难以达到计算要求，因此采取这类方法的桩基往往需要布置成群桩基础。

②将桩基影响范围内的土进行挤密或者固结沉降处理。处理后的土层产生的沉降小于桩基的沉降就达到了消除负摩阻力的效果，这种处理方法有两种情况；一种是在沉桩之前先进行土层的处理，但是带来的不利影响就是土的密实度增加，给沉桩带来了困难。另一种是先沉桩后进行土的处理，在这种情况下，存在沉桩后且在土层处理前的瞬时沉降，这种瞬时沉降已经对桩基侧表面产生了一部分的负摩阻力。因此，在这两种情况下均是既有利又有弊，选取先沉桩后处理土还是选择先处理土后沉桩需根据土层性质分析后确定。

③将承台底下的桩基设置成群桩来削弱土对桩基的影响。例如将原先的四桩改为八桩，采用等体积代换。承台面积不变，桩数变多，桩间距变小，桩间土的距离也变小；桩间土的距离小到一定的范围后，土对于桩的约束作用大大减小，从而达到消除桩基负摩阻力的效果。此种方法最为简单，直接消除负摩阻力，但是桩数变多给施工带来了许多工作量，施工作业时间变长，对应工期紧张的工程不适用。

④采用变截面桩来减小桩侧摩阻力，增大桩端阻力。变截面桩有倒锥形、竹节形、土字形等；变截面桩在桩长范围内所受到的摩擦力不是一个定值，而是沿桩长变化的，根据不同桩长位置所受力的不小不同，调整桩基截面使中性点以上桩与土的接触面呈俯视角度，摩擦系数比桩与土呈竖直时的摩擦系数要小很多。在中性点以下设置多个竹节或者在桩端位置设置两个端头形成土字形桩来提高桩端摩阻力。这种方法工艺简单，但是当桩径较小时，桩径变截面的幅度有限，难以达到需要的变截面要求；因此，变截面桩一般适用于大直径桩的条件下。

⑤采用机械式桩来减小桩基侧表面的摩擦力。机械式桩有履带桩、扩体挤密桩等；履带桩是在桩基负摩阻段的桩侧表面设置履带，当土对桩基侧表面的履带产生下拉荷载时，履带也随着土转动而桩基结构本身不与土直接接触便不会产生摩擦力。扩体挤密桩是在桩基结构侧表面安装扩体挤密装置，当土产生向下的位移带动扩体的外悬臂转动，外悬臂的转动对土又形成了挤压从而来阻止土的下沉，也就减小了负摩阻力的作用。近几年机械式桩多应用于对桩基要求较高的工程，能够有效地消除桩基负摩阻力，但是以上两种桩型的机械式桩是沿着中性点以上全长布置的，加工数量较多、工程造价偏高，难以广泛地推广应用。本文结合实际工程案例，按照桩基负摩阻力产生的机理进行数值模拟计算，提出和验证了另一种加工简便、只在中性点附近布置即可的机械式桩——类伞杆桩。

2 伞杆桩的研究

2.1 伞杆桩的工作原理

伞杆桩消除桩基负摩阻力的原理类似于雨伞杆，雨伞外套管滑动至弹簧三角钢片位置时雨伞撑开且进行锁定。伞杆桩就是在桩的负摩阻段外套管且在中性点附近安装类似于伞杆弹簧三角钢片的装置对外套管进行固定。其工作原理是桩外套管随着土的沉降而向下滑动，直至土沉降稳定后桩外套管正好滑动至弹簧三角钢片固定装置附近，这个位置接近于中性点，消除负摩阻力后桩外套管通过弹簧三角钢片固定装置与桩基实体建立连接，二者共同工作一起提高桩侧正摩阻力。伞杆桩工作原理如图1。

图1 伞杆桩工作原理图

2.2 伞杆桩与履带桩、扩体挤密桩的对比

董建华等结合履带的运动特性对荷载传递法进行修正，推导出适用于新型桩的桩侧正摩阻力以及负摩阻力分布函数，以及桩体沉降和考虑时间效应的土体沉降计算公式，最终给出该新型桩的单桩竖向极限承载力计算方法。研究结果表明设置履带桩后的中性点明显上移，受到负摩阻力的桩段长度减小，使单桩承载力大大提高。

本文考虑到桩的中性点具有时效性，沉桩后的前期中性点随着时间的延长而逐步向下。如何精确计算中性点位置也是学术界的一大难题。若弹簧三角钢片固定装置设置在中性点上方则不能有效地消除桩基负摩阻力；若弹簧三角钢片固定装置设置在中性点下方则会损失一部分桩基正摩阻力。因此，通过预估的中性点，在预估中性点上下分别设置1 组弹簧三角钢片固定装置，当中性点在两组固定装置范围内上下移动时，均能消除负摩阻力，且不影响正摩阻力的发挥。伞杆桩的弹簧三角钢片固定装置是一直伴随着桩土相对位移而处于动态变化的，只要有土相对于桩有向下的位移，弹簧三角钢片固定装置就会伴随着土向下移动，这样一来同样可以减少桩基负摩阻力的桩段长度，中性点始终处在固定装置位置或者固定装置以上。

董建华等通过扩体装置扩张的菱形孔扩张模型，采用复变函数方法，求解了扩体装置扩张的弹塑性解及极限扩张角，推导出该新型桩的单桩极限承载力计算公式。得出，扩体水平面积为2 倍～3 倍可有效消除桩基负摩阻力，且扩体挤密后的桩基承载力能力与桩侧土的性质密切相关。伞杆桩应用于超大直径桩时，一般桩的水平面积为2 倍～3倍会引起较大的下拉荷载，下拉荷载对弹簧三角钢片固定装置的要求也会越高，构造的弹簧三角钢片固定装置难以满足承载力的要求，故须通过结构计算进行专项设计，选取合理的参数并结合其它工艺措施进行节点加固。在伞杆桩的弹簧三角钢片固定装置完成固定后，还可结合其它消除负摩阻力的方法一起使用。例如将桩基影响范围内的土进行挤密，使其正摩阻力增加。对桩侧土注浆，浆液灌入土孔隙中提高其密度来改善土对桩基的约束作用。