探讨静压桩施工中压力值与最终承载力的关系
作者：聂会民
来源：《科技资讯》 2011年第10期
聂会民
(河南省郑州市热力总公司 郑州 450003)
摘 要:静压桩技术在我国各个地区得到了广泛的应用,可是对静压桩的研究却是滞后于它的应用。在静压桩的实际施工过程中,大家都想找到一个方法去判断现场压力值和之后静载荷实验所确定的特征值之间的关系,这样在施工过程中就可以做到心中有数,同时也可以对于桩基的最终承载能力做出合理的预测。笔者结合实际的施工过程对静压桩沉桩机理,压桩力与承载力计算以及二者之间的关系做以下探讨。
关键词:静压桩 压力值 承载能力 定量与定性
中图分类号:TU473.16 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)04(a)-0110-01
本文系统的分析沉桩引起的超孔隙水压力的研究情况,以及压桩力与承载力的计算和两者之间的关系。最后对于终压力与承载力关系,结合数个静压桩工程资料,用专业统计分析软件DPS定量或定性分析了二者间的影响因素,以期由终压力直接推算极限承载力。
1 静压桩
1.1 静压桩的简介
静压桩全名锚杆静压桩(presd pile by anchor rod),属于桩基础的一种,常采用的方法是静力压桩机压桩,利用锚杆将桩分节压入土层中的沉桩工艺。锚杆可用垂直土锚或临时锚在混凝土底板、承台中的地锚。静压法施工是通过静力压桩机以压桩机自重及桩架上的配重作反力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。静压桩的工作原理与锤击截然相反,它具有没有噪声、无震动,没有冲击力等优点,适合在今后岩土工程的需求;而压桩桩型几乎选用的是预应力管桩,它具有工艺简明,质量可靠,价格低,检测方便的特征。这两者的结合很大程度推动了静压桩的应用。
1.2 静压桩适用范围
静压桩经常适用于高压缩性粘土层和砂性比较轻的软粘土层,同时也适用于覆土层不厚的岩溶地区。
当静压桩适用于粘土层时,当桩须贯穿一定厚度的砂性土夹层时,要结合桩机的压桩力和终压力及土
层形状、厚度、密度、上下土层的力学指标,桩型、桩的构造、强度、桩截面规格的大小和布桩形状、地下水位的高低和终压前的稳压时间、稳压次数等。
当静压桩适用于岩溶地区时,这些地区几乎很难采用钻孔桩钻进,而采用冲孔桩时容易卡锤,采用打入式桩时容易打碎。只有采用静压桩缓慢压入,同时可以显示压桩的阻力,但是在溶洞、溶沟发育充分的岩溶地区,以及土层中存在较多孤石、障碍物的地区,要慎用静压桩。
2 静压桩沉桩机理和终压力以及极限承载能力
2.1 静压桩基础的成桩机理
静压桩在沉淀机理施工的时候,桩尖刺入土层使原有的土层初适应力状态遭到破坏,造成桩尖下土体的压缩变形,同时土体对桩尖的相应阻力,随桩贯入压力而增大。当桩尖处土体受到的压力超过它的抗剪强度时,土体会发生急剧变形同时达到极限破坏,从而使土体产生塑性流动或挤压侧移以及下拖。地表处,粘性土体向上隆起,砂性土被拖带下沉。地层深处因为上覆土层的压力使土体想桩四周水平方向挤开,使贴近桩四周土体结构被破坏。由于较大辐射向压力的作用使得领近桩四周处的土体受到很大程度的扰动影响,桩身就会受到土体强大法向抗力而引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗,当桩顶静压力大于沉桩时的阻力时,桩将继续刺入下沉,反之,就停止下沉。
压桩时,地基土体受到强烈扰动,桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度存在很大程度上的差异。随桩的沉入,桩与桩周土体间出现相对剪切位移,因土体的抗剪强度和桩土间的粘力作用,土体对桩周表面会产生相应的摩阻力。桩周土体土质较硬时,剪切面发生在桩与土的接触面;当桩周土体土质松软时,剪切面发生在邻近桩表面处的土体内,粘性土随着桩的沉入,桩周土体的抗剪强度呈现下降趋势,直至降低到重塑强度。砂性土中,除了松砂外,抗剪强度变化不大,但是各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值,是随桩继续下沉而显著减少的变值,桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用,值占沉桩阻力的50％～80％,它与桩周处土体强度成正比,与桩的入土深度成反比。
土质为粘性土时,桩尖处土体受扰动重塑、超静孔降水压力的作用,土体抗压强度显著下降;土质为砂性土时,密砂受松弛效应的影响土体抗压强度减少,松砂受挤密效应的影响土体抗压强度增大。成层土地基中,硬土中的桩端阻力还会受到分界处粘土层的影响,当上覆盖层为软土时,在临界深度以内桩端阻力随压入硬土内深度增加而增大,下卧为软土时,在临界厚度以内桩端阻力随压入硬土增加而减少。
2.2 终压力
一般将桩摩阻力从上到下分为三区:上部柱穴区、中部滑移区、下部挤压区。
(1)静压桩终压力的概念:静压桩的压桩力是指沉桩过程中为克服桩尖土层抗剪阻力和桩周土摩擦力所施加的压桩机静压力。终压力pa是桩尖达到持力层终止压桩时出现的最终静压力,也是终止压桩瞬间出
现的荷载,每次出现持续的时间通常为5s～10s。
(2)终压力的意义:压桩力过大易压坏桩,过小的话则无法到达合适的持力层,桩底嵌固不好,有效桩长不足,单桩承载力不满足设计要求,易出现多桩承台施工时邻桩上涌的质量事故。安全适宜的压桩力既可确保桩身不受破坏,同时也保证了桩端嵌固至合适的持力层,并通过大吨位挤密桩底土体提高桩端土体力学性能,取得较高桩端土极限端阻力。
(3)终压力的计算:只要使用按国际图集选用的桩,很大程度上不需在进行抗震、疲劳、吊运验算,而只需进行静力抗压强度和压屈失稳验算。因为桩、土的相互作用和静压桩施工的特点,使桩身受终压力压曲的问题变得复杂,它主要受下列因素的影响。
①桩侧土的约束。
②桩的长度。
③桩露出地面的自由长度10。
④压桩施工送桩时,桩顶受轴向压力和弯距以及水平力的联合作用。
综合压桩施工的特点和各地、各部门的规定,现提出一种简化方法计算终压力Pa。
2.3 终压力与极限承载力的关系
静压桩施工完成之后,土体中空隙水压力开始消散,土体发生固结强度渐渐恢复,上部柱穴区被充满,中部柱滑移区消失,下部柱挤压区压力减小,这时柱才获得工程意义中的极限承载力。结合大量的工程实践,粘性土中长度较长的静压桩最终的极限承载能力比压桩施工时的终压力要大,针对某些土体固结系数较高的软土地区,静压桩最后获得的单桩竖向极限承载力比终压力值要高出一到两倍左右,但是因为粘性土中的短柱,土体强度经一段时间的恢复,摩阻力虽然有提高,同时因为桩身短,侧摩阻力占桩的极限承载力的比例差异不大,最终极限承载力达不到桩的终压力。
因为桩的终压力和极限承载力是两个不同的概念,对那些刚刚接触静压桩的设计、施工人员往往将两者混为一谈。两者的数值不一定相等,它们主要与桩长、桩周土及桩端土的性质有关,但是两者还是有一定的关联。实践者结合自身工作经验提出自己的做法,对设计承载力较高的工程,终压力值尽可能达到设计取值的1.5～1.7倍,还要结合土质以及布桩情况考虑复压;对于14m～21m的中长桩,终压力控制在设计值的1.7～2倍以上,宜复压3次;而小于14m的短桩,终压力控制在设计值的2～2.5倍以上,并复压3～5次。
3 结语
在静压桩施工过程中,应灵活合理的运用规范,正确的选择终压力,提高桩的承载力。实践证明,超载施
压法可提高静压桩的承载力和抗震性能,降低工程造价,具有实用价值。
