刚体排水桩的研究

马鸿春 张宗贤 马骢 （天津鸿海科技开发有限责任公司 天津300456）

刚体排水桩的研究

马鸿春 张宗贤 马骢 （天津鸿海科技开发有限责任公司 天津300456）

简述了刚体排水桩的概念，分析了其总体结构、材质、制作、运转、测试、设计等方面的要点，指出其性能和特点，得出刚体排水桩必然要取代现行的自然摩擦桩的结论。

刚体排水桩 摩擦 粘土 地基

1 刚体排水桩概念

刚体排水桩即增力摩擦桩，亦称功能桩、桩土桩。它的机理不是通过加大桩与土的接触面积来提高桩的承压力，而是通过桩自身的排水排气功能，把桩周土里面的水气抽出去，增大土的摩擦系数来实现的。这种桩是刚性的，自身不存在剩余变形，它同时又能排水，可以改善桩周土的物理力学性质，故称刚体排水桩。刚体排水桩也是摩擦桩，因为它能提高桩的自身承载力，故又称增力摩擦桩。桩体本身具有排水、排气功能，亦称功能桩，又因桩周土已固定到桩体上了，与桩成为一体，增大了桩的直径，因此又称桩土桩。

2 刚体排水桩的总体结构

刚体排水桩共由5部分组成：①刚体排水桩桩体，它是承重抗滑的主体；②桩体内的垂直与水平排水管，它是施加负压，排水排气的通道；③过滤层，它是防止土颗粒外流的隔离层；④加固区，通过排水排气后，固定在桩体上土颗粒的范围（见图1）；⑤透水混凝土塞可以进水,能解除孔隙水压力的顶托，避免沉桩时桩的反弹。

3 刚体排水桩的构造

桩体沟槽（见图2）；桩尖；透水砼；排水管出口；桩顶；排水板；排水管口；土工布；排水支管；排水干管；固定卡；密封盖；进气管伐门；进气管；排水管伐门；出水出线管。

4 刚体排水桩的材质

①刚体排水桩的桩体受力大，根据工程要求，可采用钢筋混凝土、钢管、钢板、木材等材料。

②排水管，建议采用钢管。

③过滤层，可采用各种高强度土工布。

④透水砼塞，可采用各种泡沫混凝土、炉碴混凝土等。

5 刚体排水桩的制作

5.1 钢筋混凝土预制桩

做好桩的整体模板；预留混凝土沟槽；置入排水管；浇筑混凝土；养生；出膜；在沟槽内置入排水板及土工布，并固定。

5.2 灌注桩的制作

制作环状排水管；制作土工布袋，套压在环形排水管道外侧；制作特种纸袋，放在环形排水管里侧；在地面造孔；将土工布袋及环状排水管置入孔内；浇筑混凝土。

5.3 钢管桩的制作

在钢管桩上造小孔；在钢管外面包上一层土工布；采用水溶性胶，将土工布牢牢粘在钢管上。

6 刚体排水桩的运转

刚体排水桩沉入地下以后，水便从四周快速通过土工布，流入排水管10内，将谮水泵17置入排水管10底部，进行正压排水。开始水涌进很快，谮水泵10排水也很正常，经过一段时间后，水渗出很慢，谮水泵10等待时间很长，已无法正常运转了。此时，在排水管10出口安装一个密封盖12，从密封盖12伸出两个管，进气管14和出水出线管16，密封盖12密封严格。出水管设有伐门15，进气管设伐门13。首先将排水管总出口伐15关闭，打开进气伐门13，对排水管10内施加负压，亦称抽真空。排水管10内空间很小，很快出现一个负大气压（由特制负压机完成）。此时，土中的水气，在水压力、土压力、大气压力的驱动下，迅速进入排水管10内，并升至排水管10总出口。打开排水管总出口16的开关15，变管内负压为正压，再起动潜水泵17，一次性将水抽干。如此水的渗出更慢了，再关闭排水管总出口10开关15，实施负压排水再抽真空，强行将桩周土中的水、气排出，再重复上述步骤。当正负压排水实施后，水渗出很慢时，停止运转。之后，水还会很慢地渗出，这时，想排水就采用正压排水，无需再施加负压（见图3）。

7 刚体排水桩的测试

对刚体排水桩的设计与施工，在取得经验之前，必须先做测桩试验。用上述方法将桩制成、沉桩、运转、排水排气后，桩到底是一个什么状态，由测试来决定：

①至少做3棵桩测试。

②静压桩试验。

③动测桩试验，并建立动测桩与静压载桩数据的相关关系。

④对桩周土进行勘察，进行土的物理力学性质试验，C、Φ值确定，原位测试，标贯击数测定，十字板测试，桩顶及桩周土的沉降测试。

⑤测定时间：桩停止运转20天后进行测试。

⑥对比桩可做3个，按现行设计方法设计制作，做同样的测试进行数据对比。

⑦在对一个地区已取得相当经验，桩的承载力已基本成熟的情况下，可用勘察设计数据进行对比，不一定完全做桩对等对比试验。也可选用最安全、最方便的测试项目，如土的C、Φ单项对比确定。

⑧刚体排水桩与现行摩擦桩的关系确定之后，设计就很方便了。

8 刚体排水桩的设计

刚体排水桩，尚未全面推广。建议在目前的条件下，刚体排水桩的试验数据不宜用足，要留余地进一步再认识。比如：承载力测试出高2倍，可采用1.5倍，或由专家自行确定。由于试验取得了多种数据，可以综合分析确定。从目前取得的数据分析，刚体排水桩的承载力是惊人的。

9 刚体排水桩的机理

刚体排水桩内部设排水通道，当给桩负压时，真空度便从桩口向桩下迅速传递，达到一定时间后，整个桩内部系统真空度保持一致。此时，真空度向土中传递，由近而远，在土体中形成一个真空场。靠近桩的部位真空度高，远离桩的部位真空度低。换言之，靠近桩的部位压力低，远离桩的部位压力高。这样，以桩为中心，在地基土中出现一个压力场，同时产生压力梯度，它促使土中的孔隙水和气体流向低压区，并进入桩，然后从桩内排出桩外，当水和气体排出一部分时，土体中出现了空间，此时，上面的土在重力作用下，沉了下来，填补了整个空间，于是土体压密了。整个过程经过了一段时间，20 d之后，土体达到固结标准，就结束了。

具体说，当刚体排水桩沉下去之后，桩周土中的水很快通过滤水层渗入桩的排水管内，水位在管内迅速上升，此时进行第一阶段正压排水，开动谮水泵，反复排水，直到水渗出很慢，正压排水很难实施时，关闭排水管出口，施加负压。负压一直传到排水管内很低的水面以上。由于管道内没有任何介质，负压传的很快，且没有损失，巴斯加原理：在封闭容器内压力处处相等，这样负压源-740 mm汞柱没有任何损失地传到每一个空间中。这时在桩周土中，以桩心排水管为中心，形成了一个压力场。管中心是-740 mm汞柱负压区，则桩周土中出现一个强大的压力区，即产生了强大的压力梯度。在水压力、土压力、大气压力的联合驱动下，水便迅速从土中挤出，渗入桩心排水管中，很快充满排水管，打开关闭的排水管出口，进行正压排水。此后，正负压排水循环进行，直到负压排水趋于稳定时，停止排水。

此时桩周土发生了很大变化，土质压密了，土的物理力学性质改善了，软弱土强化了。以真空预压法加固软土地基为例，它的压力场形成的条件，要比刚体排水桩差多了。尽管如此，还是产生了很大的效果。以A1区工程为例，用真空预压法加固软土地基的测试数据加以说明（见图4）。

工程加固面积65×167 m2，井深9.5 m，井距1.3 m，负压源膜外-740 mm汞柱，膜内-650 mm汞柱，井下3 m为-500 mm汞柱，井下6 m为-350 mm汞柱，井下9 m为200 mm汞柱。抽气66 d，经大型载荷试验测定地基容许承载力由原来的6.0 t/m2提高到12.5 t/m2。地下10 m以内，土质平均变化如下：天然含水量w%减少6.40%，天然孔隙比e减少7.86%；土的天然容重r增大2.98%；土的液性指数I减少37.82%；内聚力C提高30.4%；内摩擦角Φ提高82.3%；无侧限抗压强度qu增大130.35%；静力触探比贯入阻力增大100%；压缩模量Es增大41.07%；大型载荷试验结果（R0.02）=12.5 t/m2，（R0.03）=14.9 t/m2，增大1倍多。地面平均沉降60.3 cm。地基孔隙水压力试验结果：5 m深处土的固结度86.1%，10 m深处土的固结度达到31.5%；土的抗剪强度提高1.89倍；土的摩擦系数f提高95.79%。单纯负压的真空预压法使土的综合物理力学性质指标产生了如此巨大的提高。当刚体排水桩改变单纯负压排水方法，而采用正负压快速排水法时，其加固地基土的力度将大大提高，排水排气时间将大大减少，效果可显见。

10 刚体排水桩的产生

有的学者认为土的抗剪强度，即土的摩擦系数。土的抗剪强度提高近2倍，那么桩土摩擦系数也随之提高2倍，显然桩的承载力也提高近2倍。这是一个非常值得注意的结论。桩周土由于抽真空后改善了土的物理力学性质，提高了土的摩擦系数，即提高了桩的承载力。反之，设计一种桩能使它用抽真空的方法排出桩周土中的水和气，使桩周土实现人工固结，提高桩土摩擦力，反过来再提高桩自身的承载力已成定论。

于是产生了一种新型桩——刚体排水桩，它是一种功能桩，它是用自身的排水通道排出桩周土中的水和气，实现土的人工固结，改善土的物理力学性质，提高桩土摩擦力，从而再提高桩自身的承载力的桩。

自从土木建筑中产生桩以来，一直使用自然桩（不论是木桩、钢桩、钢筋混凝土桩）与自然土的结合，可称之为纯天然、被动式原理。在承载力不足时，只能通过加大桩长、桩径尺寸和增加桩的数量的办法来解决。于是增加了工程量、工期、投资。然而刚体排水桩产生了，它是功能桩，它可以主动地改善桩周围土的物理力学性质，反过来再提高桩自身的承载力，这真是再理想不过的方法了。尤其是工程竣工后仍可以定期排水排气，继续提高土的固结度，继续提高桩的承载力，因此刚体排水桩的后期承载力更高。

11 刚体排水桩的性能

11.1 刚体排水桩可保持桩内真空度

刚体排水桩内部管道密封连接，无漏气处，与外界完全隔绝，只有与土层接触的部分是开放的，故真空度无损失。

11.2 刚体排水桩内的管道是空的，除了空气无任何介质，没有阻力

因此真空度传递时，可直达底部，而且时间短，速度快，没有损失，这样井底真空度自然高。此时井上井下的真空度是一样的。这样桩周土的固结时间就大大缩短了，使深层土固结得到同样的提高。此时井上井下的真空度理论值一样。

11.3 刚体排水桩加倍提高了土的摩擦系数

真空预压法测试点距离负压源排水板92 cm，提高了土的摩擦系数近2倍，这是在地基开放系统中有很大负压损失时得到的结果。刚体排水桩是封闭系统，它可把负压源的负压无损失地送到桩内，再送向土层深处。与砂井比较，真空度可提高一倍。两个作用加在一起，地基土的摩擦系数将比加固前的摩擦系数提高3～4倍，井下深土层将受益最大。

这样，刚体排水桩的承载力比自然桩还不止高2倍，应当是3～4倍，这是理论分析。

11.4 靠近刚体排水桩的地基土，摩擦系数提高最大

上述土的摩擦系数的位置，是距砂井92 cm位置的数值。如果距刚体排水桩50 cm、30 cm、10 cm距离的数值，将会越来越大，这样摩擦系数的提高还不止3～4倍。

假设，压桩试验时，这个土的破坏面距桩10 cm，桩直径是30 cm，此时意味着桩的直径增大为50 cm。以此为例，原桩周长2π×15 cm，此时的桩周长为 2π×（15+10）=2π×25，此时桩比原桩的周长增大60%。如果破坏面距桩30 cm，刚体排水桩的承载力比自然桩高还不止3～4倍，这是理论分析。

11.5 刚体排水桩的后期承载力更高

因为工程竣工后它仍可以定期排出土中的水、气，进一步提高土的固结度，从而桩的承载力更高。

11.6 桩周土固结度

真空预压法井深5 m处，负压-350 mm汞柱，固结度76.18%；而刚体排水桩的负压为-740 mm汞柱，估计固结度在90%以上。

11.7 刚体排水桩开发了混凝土材料的利用率

在建筑中摩擦桩的材料性能远远没有发挥出来，主要是因为桩的设计是根据稳定性决定的，导致材料强度使用率过低。当刚体排水桩提高承载力设计时，无需提高材料的强度。

此外，刚体排水桩适用于江、河、湖、海、滩的软土地基，也适于水下工程应用；具有抗滑防震功能，安全度高；承载力高，可节能减排50%以上；可定点加固深层软弱土层；采用小直径群桩，可与地基土组成复合地基；成本低，节省投资50%以上。

12 刚体排水桩的特点

①大规模地基抽真空试验证实，桩提高自身承载力2倍，节约原材料2倍，减少工期2倍，节约能源2倍，节约投资2倍以上。

②道理清晰，构造简单，加工方便，全部采用常规技术，打桩方法不变，便于产业化生产。

③施工时，震动小，噪音小，对周围建筑物无危害，对环境保护好。

④沉桩速度快，无地基孔隙水顶桩现象。

⑤对堤岸塌方及山体滑坡治理有特殊功效。

⑥应用范围广，对软土地基，尤其是软粘土地基有特殊功效，对工民建、水利、交通、电力等部门均可使用。

13 结语

通过大规模地基抽真空试验、勘察测试、室内试验、地基沉降测试、深层沉降测试、孔隙水压力测试、静力触探测试、大型现场载荷试验，得出结论：由于地基抽真空，地基土的物理、力学性质全面提高。由于土的粘聚力C和内摩擦角φ的提高，导致土的抗剪强度提高，土的摩擦系数提高，从而提高了桩的承载力。

当采用刚体排水桩正负压快速排水方法时，此时的桩已不再是原来的直径尺寸了，它的外面包上了一层厚厚的土，土也成了桩体的一部分。如果以后再发生桩的沉降，或者土体剪切破坏时，破坏面就不再是桩的表面了，而是包在桩外面的那一厚层土的沉降面了。可见，此时桩的承载力又增加了。

刚体排水桩有这样强的功能，它必然要取代现行的自然摩擦桩，尤其是在粘土、软粘土地基上沉桩，它将是现行摩擦桩的替代产品。■

2012-05-04