管桩挤土效应研究

开口管桩挤土效应研究及解决方案探讨
胡德生
（广州市城市建设开发集团有限公司，广州）
摘要：研究了开口管桩的挤土效应产生机理，提出了土塞长度的计算方法，提出了减小土塞效应的解决方案-----内润滑管桩，探讨了内润滑管桩的可行性及应用前景。

关键词：管桩挤土效应解决方案
1.开口管桩施工的挤土效应
管桩包括钢管桩和预应力混凝土管桩。

它们使用非常广泛，其优点有：节省材料，承载力高，穿透性好，挤土效应低。

但开口管桩作为一种半挤土桩，其挤土效应仍限制了其应用范围。

因在沉桩过程中会形成土塞，其长度通常为1/3～2/3桩长，排土体积仍然很大。

目前解决开口管桩挤土效应的方法有如下几种：
1）预钻孔施工。

预先在桩位处钻孔，通常直径为2/3桩径，深度为2/3桩长。

该法非常有效，但施工成本高。

2）射水施工。

在桩管内设置高压水枪，在沉桩过程中，高压射水，打碎土体结构，有效降低桩土摩擦。

且射水同时，还可以伴随振动沉桩，更有
利于桩管内土体和泥浆排出。

但该法施工成本亦较高，排出泥浆污染施
工场地，对桩承载力有一定影响，现常用于桥梁工程中大型预应力混凝
土管桩施工。

3）挖沟保护。

在施工场地周围挖沟，或填入松散材料，减少表层土的挤压效应，有效保护浅埋管线。

该法作用有限，且并未降低管桩挤土效应，
只降低其危害。

2.内润滑管桩挤土效应产生的机理
管桩内土塞的受力状况见图1。

沉桩过程中，桩底反力P≥F+G。

当桩底反力不能克服强大的阻力（F+G），土塞就形成了。

土体移动方向
桩底反力
桩管与土体间的水平压
力
图1 管桩内土塞的受力状况
gh h G ρ=)(；
))
()(()(2
r
h F h G uk h f π+
=； dh h rf h F h ⎰=0
)(2)(π；
uk
h f r h F h G h P )
(/)()()(2=
+=π； 其中：)(h G 为深h 处的重应力；)(h f 深h 处的摩擦应力；)(h F 为从深0处(土塞顶)至深h 处(土塞底)的摩擦力总和；)(h P 为深h 处的桩底反力应力；ρ为土体密度；g 为重力加
速度；h 为土塞计算高度；r 为桩管内土塞半径；k 为垂直土应力与水平土应力的比例系数；u 为土塞与桩壁的摩擦系数。

得到微分方程：
)(h f ))(2(0
dh h f r gh uk h
⎰+=ρ
初始条件为0)0(=f 求解得：
22
)(/2gr
e gr
h f r ukh ρρ-=
23
/23
22)(ghr ku
gr e
ku
gr h F r
ukh πρπρπρ--
=
uk
gr
e uk gr
h P r ukh 22)(/2ρρ-
=
当桩底土提供的反力大于土塞的摩擦力和重力时，土塞在桩管内滑动；但若桩底土破坏了，则土塞不再滑动。

根据土塞底土的极限承载力，即可反算出土塞高度。

令3/8.1m kg =ρ，kg N g /8.9=，m r 5.0=，k =0.6，在u 分别为0.4、0.2、0.1、0.05、0.025时，绘制)(h P 曲线（附图3）。

图2 土塞深度h 与土塞底土应力P 的关系
由此可见：
1）当u=0.4时,当土塞5m 长时，)5(=h P 约2214kpa ，桩底土通常已破坏，故通常的桩内土塞一般不大于5m 。

2）若能将u 降至0.05,当土塞13m 长时，)13(=h P 约553kpa 。

故当桩底土极限承载力≥553kpa 时，土塞长度可增加到13m 。

3）若能将u 降至0.025,当土塞17m 长时，)17(=h P 约521kpa 。

故当桩底土极限承载力≥521 kpa 时，土塞长度可增加到17m 。

考虑实际地质条件,土体分层，仍可采用上述方法分层计算。

因本文重点考察摩擦系数u 对土塞长度的影响，故以均匀的单层土层条件为例计算。

若考虑地下水的作用，采用有效应力计算，将ρ替换为（ρ—水ρ）即可。

考虑打桩过程中的超静孔隙水压力对有效应力的抵消，土塞的计算长度会增加。

3. 减小挤土效应的方案-------内润滑管桩的构想
设想在桩管内侧涂上固体润滑薄膜，来降低摩阻力。

通常桩土摩擦系数μ为
0.3～0.5，而固体润滑薄膜可将摩擦系数μ降至0.05～0.025，会极大地降低摩阻力，有效地减小甚至消除土塞效应。

管桩的土塞效应也有优点：有效地增加桩端承载力。

故内润滑管桩对承载力会有影响，但可以解决：在沉桩后，可在桩管中回填致密的土体或浇灌混凝土，封住桩管，使土塞不滑动即可。

4.管桩内润滑的可行性
4.1技术可行性
固体润滑薄膜是一种在母材表明形成的一层致密的润滑薄膜，是一种非常成熟的工艺。

常用的固体润滑薄膜有环氧树脂涂层，该涂层掺入石墨和二硫化钼等润滑材料。

环氧树脂是常用的混凝土修补材料和钢结构防腐材料，其与混凝土和钢材的粘结，实践已很好地证明。

以环氧树脂、石墨、二硫化钼等组分的固体润滑剂为例，摩擦系数可大幅度降低。

具体配方见表１。

固体润滑膜通常由胶粘剂和润滑剂组成。

胶粘剂粘结母材，润滑剂降低摩阻力。

胶粘剂和润滑剂种类很多。

上文所述的环氧树脂涂层是常用的一种。

鉴于固体润滑膜是成熟的应用产品，在很多行业均有广泛的应用，且有确切的数据证明其减小摩擦的效果，因此技术上是可行的。

4.2经济可行性
环氧涂层会增加管桩的成本包括涂层材料成本和涂层施工成本。

其主要成分的价格为：环氧树脂约40元/kg；二氧化钼约240元/kg。

若以涂层厚度为50um计算，管桩成本增加约为20～30元/m。

故经济上是可行的。

5.应用展望
5.1内润滑钢管桩的应用展望
钢管桩排土少的优点深受欢迎，但施工过程中打桩造成的土体位移仍不能忽略,据工程实例，可达50mm。

若采用内润滑钢管桩,进一步减小挤土效应，则必定更受欢迎，其优点有：加快打桩速度，减少土体位移和隆起，减少桩体位移，减少对周边环境的影响。

钢管桩本身造价高，故润滑涂层的增加费用所占比例很小。

结合目前的钢管桩防腐技术，甚至可使用润滑防腐涂层，对钢桩内管来说，既能防腐又润滑土塞。

5.2内润滑预应力混凝土管桩的应用展望
预应力混凝土管桩的混凝土面积占桩总截面的50％以上，故即使土塞能充满桩管，排土体积仍占桩总体积的50％以上；故只能有限地降低排土。

预应力混凝土管桩的本身造价较便宜，Ф600mm的亦只有180元/m。

故涂层成本所占成本比例较大。

其应用尚有待探讨。

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