静压桩沉桩阻力的分析_尹锦祥

文章编号:1009-6825(2009)29-0069-02
静压桩沉桩阻力的分析
收稿日期:2009-06-10
作者简介:尹锦祥(1958-),男,工程师,江苏宜兴市教育局,江苏宜兴　214206
尹锦祥
摘　要:在介绍静压桩沉桩阻力各种研究方法的基础上,通过工程实例分析,从桩侧法向应力的角度考虑桩周摩阻力的
计算,利用静探比贯阻力计算桩端阻力,与实际值进行对比,并指出该计算模式的合理之处。

关键词:沉桩阻力,桩端阻力,桩侧摩阻力中图分类号:T U473.1
文献标识码:A
0　引言
静力压桩法通常采用中压式、箍压式、前压式等压桩工艺把
钢筋混凝土预制桩、PHC 管桩、钢管桩沉入到预定土层中。

实现了在市区、学校、医院、文物保护单位等对振动、噪声、污染有严格要求地区的桩基施工;并利用其在施工过程中的直观性,解决了由于地基土的不可预见性而产生的问题,因而其使用量相当广泛。

但是人们至今对静压桩的压桩力及其影响规律仍不十分明白,进一步开展对这一问题的研究,彻底弄清楚沉桩阻力和其他一些相关问题在软土地基的工程建设中有重大的现实意义。

1　研究方法
在20世纪50年代,就有人对静压桩进行研究,其中压桩力、承载力、挤土效应及其对周围土体和环境的影响是研究的主要课题,关于沉桩阻力的研究方法主要有:现场实测值和室内试验研究、理论分析研究等方法。

1.1　现场实测和室内试验研究
Lehane 和Jardine (1993年)采用帝国理工学院的测量桩在
Bothkennar 的敏感性海洋软黏土中压桩,记录观测结果,并与其在黏土中的观测进行对比,最后得出结论:土体类型不同,则贯入速率对贯入阻力的影响明显不同,桩土间的摩擦角受土和桩的影响非常大,桩土接触面的快速环剪试验也可以预测这些效应。

唐世栋等(2004年)同样基于分析实测资料,对桩基施工中土的挤压力进行了研究。

发现桩端的挤压力是施工时的最大影响力,它比桩身摩擦力的影响大得多。

沉桩贯入时一般在桩尖水平处的土中挤压力最大,与球孔扩张的理论值相比,挤压力最大值与理论解基本接近。

现场试验反映的是真实情况,观测数据更加可信。

但是,由于各个试验现场的条件差异很大,各种复杂的因素都会对最终的试验结果产生影响,因此现场试验中的结论有一定局限性,同时,现场试验成本较高,不能广泛开展。

丁佩明(2003年)通过砂土中的沉桩模型试验,研究了沉桩对砂性土的挤密效应。

由于对土体中静力贯入问题的严格分析难度较大,所以人们纷纷借助于模型槽试验,以建立贯入阻力和土体性质之间的经验关系式,上述经验关系式可分为三类:1)与相对密度的关系;2)与摩擦角的关系;3)与状态参数的关系。

Baner -jee 在桩体上安装摩擦力和侧压力测量元件,测定模型槽中桩体贯入过程中的应力。

模型槽试验结果依赖于其尺寸和采用的边界模型,其不足之处主要有:模型槽尺寸有限,在未对其结果作修正之前,无法应用于工程实际;土体自重的影响与实际情况不符,因此只能作为定性分析,而无法得到精确的定量结果。

1.2　理论分析研究
关于桩侧摩阻力的计算,Chandler 在1968年提出黏性土中的经验公式为:
f s =K 0γh tan δ
(1)
其中,K 0为桩侧土的侧压力系数;δ为桩与土的外摩擦角,对静压桩为滑动外摩擦角。

该公式也适用于计算砂土中的侧摩阻力,它描述了摩阻力随深度线性增大,与室内试验和原型试验的结果不符。

袁星武在分析软土地区的沉桩阻力时,认为桩侧阻力与桩周土的摩擦力标准值、桩的入土深度及桩径的大小、桩周土的灵敏度有直接关系,其值可用下式估算:
Q s =U
∑
q si L i
S i
(2)
其中,Q s 为桩侧阻力;U 为桩身的周长;q si 为第i 层土的桩
周摩擦力标准值,根据静力触探结果确定;L i 为第i 层土的厚度;S i 为桩周第i 层土的灵敏度。

储王应、王能民根据桩周摩阻力的发挥程度,将桩在入土深度范围内分上、中、下三部分,所以,沉桩阻力的表达式为:
P =P j +U
∑L 2
n i f 2i L 2i +U ∑L 3
f 3i L 3i
(3)
P i =
∑2.5d 0
m i P sk l i
2.5d
A p
(4)其中,P j 为桩尖阻力;U 为桩截面周长;n i 为单位摩阻力折
减系数;f 为单位摩阻力;L 为桩身长度;m i 为土的阻力系数;A p
为桩端面积;P sk 为桩端附近的静力触探比贯阻力标准值的平均值;l i 为相应土层的厚度。

除此以外,其他许多学者也提出了各自的经验公式,基本上都是结合某种具体土层的特定条件提出的,不能反映全部情况。

张明义将桩端土与桩侧土分开,提出了球孔扩张—滑动摩擦计算模式,并首次将人工神经网络应用于静压桩沉桩阻力的分析。

他认为,沉桩过程中桩侧存在滑动摩擦,而且这种摩擦不同于常规摩擦,是研究贯入阻力的关键所在。

张明义的研究有独到之处,如果能总结试验成果和工程经验,提出一个简单适用的公式则比较理想。

2　实例探讨
苏南某城市新建的半岛花园别墅区位于该城市的西郊。

该工程拟建31幢别墅,别墅层高11m ,每幢别墅的占地范围接近300m 2。

由于工程周围是河流,地质条件差且复杂,故采用断面为250mm ×250mm ,标号为C30的预制静压方桩。

静压桩
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69· 第35卷第29期2009年10月 山西建筑S HANXI ARCHITECT URE
Vol .35No .29Oct .　2009DOI :10.13719/j .cn ki .cn14-1279/tu .2009.29.098
设计桩长15m ,以强度较高的第⑦层粉质黏土作为桩端持力层,设计承载力为460kN 。

根据试桩资料及工程地质报告分析,发现
本工程的土质具有触变恢复性强、固结速度快的特点,所以,确定沉桩的终沉控制标准为:以600kN 左右的终压力控制为主,以试桩的桩长控制为辅。

本桩基工程从2005年9月底全面开工至11月底顺利完工。

后经动、静检测试验,桩的承载力及桩身质量均满足设计要求。

从压桩力随桩入土深度的变化曲线可以看出,尽管不是同一建筑物的静压桩,其压桩力的变化趋势基本一致,均呈阶梯形变化。

桩身上部的1/3范围内,压桩力基本相等;桩身中部的1/3范围内,压桩力缓慢增长;桩身下部的1/3范围内,压桩力迅速增加。

3　分析计算
在静压桩的施工中,沉桩阻力的大小和分布规律应受土质、土层排列、硬土层厚度、持力层埋深、桩数和桩距、施工顺序及深度等因素的影响。

一般情况下,桩端阻力和桩侧阻力占沉桩阻力的比例是一个变值。

桩土作用研究表明,当桩的入土深度较大时,通常桩侧摩阻力是主要的;当桩的入土深度较小时,桩端阻力所占的比例较大。

桩体在垂直静压过程中,桩端使土体产生冲剪变形,桩身使土体产生直剪变形。

因此,桩体对土体的作用可分为两部分:桩端冲剪产生的挤压、扩张作用和桩身对土体的摩擦作用。

《建筑桩基技术规范》根据全国十省二市共275根试桩的实测与计算对比,认为取桩端以上8倍桩径与桩端以下4倍桩径范围内土层的平均比贯阻力值综合确定桩端阻力是准确、可行的。

其表达式为:
Q p =αP s k A p
(5)
其中,α为与桩长有关的桩端阻力修正系数;A p 为桩端面积;P sk 为桩端附近的静力触探比贯阻力标准值的平均值。

桩侧摩阻力是由滑动摩擦引起的阻力,根据《桩基工程手册》中的分析,在沉桩的过程中,桩身下部的侧摩阻力占总摩阻力的50%～80%,由于桩尖挤土引起周围水平应力的增大而增加了桩身下部的法向应力,引起滑动摩擦阻力的增加。

随着桩的逐步下沉,桩周土体的法向应力发生变化,引起桩侧单位滑动摩阻力的变化。

因此,静压桩侧摩阻力与桩周法向应力有关,计算时可以考虑用以下公式:
F h =
∫
h
f d s =
∫
h
f πD c d z (6)f =k 0γ
g tan δ=(1-sin φ)γg tan δ
(7)
其中,D c 为桩的直径;δ为桩土外摩檫角;k 0为土体静止土
压力系数;γ为土体的有效密度;g 为重力加速度;φ为土的内摩擦角。

以上计算均按圆形桩分析,方形桩则需换算:R c =0.564b p 。

其中,b p 为方形桩的边长。

根据工程地质报告上的土性资料,采用上述沉桩阻力的计算公式,计算出压桩力并与在相应土层范围内的实际压桩力进行对
比,结果如图1所示。

由图1可知,利用式(6)计算的压桩阻力与实测值有着相似的变化规律。

事实上,当桩压入土中时,桩间土受排土打入桩挤
压后向压力较小的方向位移。

上覆压力较小的浅层土将向上隆起,其体积增大,应力释放比原状土更为松散,因而其桩周摩阻力较小。

随着深度的增加,上覆土压力越来越大,最后足以抵御挤压产生的上顶力,其桩周阻力相应增大。

所以,桩周阻力受侧向法应力的影响而变化,而静力触探试验的比贯阻力直接反应桩尖处的受力情况。

也就是侧向法应力决定桩周阻力,静探比贯阻力反映桩端力。

上述公式从另一个角度分析了沉桩阻力的原理,有一定的合理性,并且比较符合实际。

但就像M eyerhof 等人证明的一样,桩侧摩阻力也存在临界深度的问题,对于土层分布均匀,层厚不大的同类工程,上式具备一定的参考性。

4　结语
静压桩贯入时,桩端土以挤压扩张为主,端阻力通常参阅静探试验的比贯阻力分析计算;而桩侧摩阻力属于滑动阻力,随桩长、土性而变化,与土体作用于桩身的法向应力及桩、土摩擦系数有关。

本文结合工程实例,探讨了沉桩阻力的相关计算方法。

但是,静压桩的沉桩机理非常复杂,不可能以一式而囊括所有的因素,对此问题的研究有必要进一步深入。

参考文献:
[1]　桩基工程手册编写组.桩基工程手册[M ].北京:中国建筑工业出版社,1995.[2]　张明义,邓安福.桩—土滑动摩擦的试验研究[J ].岩土力学,2002,23(2):246-249.[3]　储王应,王能民.静力压桩沉桩阻力分析与估算[J ].岩土工程技术,2000(1):25-28.[4]　张明义,邓安福.静力桩贯入地基的球孔扩张—滑动摩擦计算模式[J ].岩土力学,2003,24(5):701-704.[5]　朱　宁,施建勇.静压桩桩端扩张压力分析[J ].河海大学学报,2006,34(1):79-82.[6]　李月健,陈云敏,凌道盛.土体内空穴球形扩张问题的一般解及应用[J ].土木工程学报,2002,35(1):93-98.[7]　鹿　群.成层地基中静压桩挤土效应及防治措施[D ].杭州:
浙江大学博士论文,2007.
Analysis on penetrating resistance of static pressure pile
YIN Jin -xiang
A bstract :Based on the introduction of all research methods of the penetrating resistance o f the sta tic pressure pile ,according to project case analysis ,the author thinks about the pile surrounding resistance from aspect of the pile lateral vertical fo rce ,utilizes the static sur rounding comparing penetrating resistance to calculate pile top resistance ,compares it with practical value ,and points out the reasonable points of this calculation model .Key words :penetrating resistance ,pile top resistance ,pile surrounding resistance
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70·第35卷第29期
2009年10月
山西建筑 。