软土地基静压PHC桩的工程性状研究

徐策 徐新跃

【摘要】在总结以往静压桩应用经验基础上，讨论静压桩的成桩机理、单桩荷载-沉降特性及桩的承载力时间效应机理等；通过对274根桩的试验检测资料，研究分析了静压桩施工终止压力和极限承载力的关系，提出了静压桩适用的承载力估算的经验公式；这对软土地基静压PHC桩的设计、施工和深入研究具有重要指导作用。

【关键词】软土地基；静压PHC桩；终压力；承载力

[文章编号]1619-2737（2016）01-30-643

1. 概述

预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心体细长混凝土预制构件，它具有：

（1）单桩承载力高；（2）设计选用范围广；（3）适应于桩端持力层起伏变化大的地质条件；（4）单桩可接成任意长度，不受施工机械能力和施工条件局限；（5）施工速度快、工效高、工期短；（6）桩身抗裂性好，穿透力强；（7）良好的抗弯性能；（8）成桩质量可靠，现场文明及制作方便、施工速度快。

2. 静压PHC桩的工程性状

2.1试验场地地质及试验概况。

通过对温州软土地区某工程预应力混凝土管桩静力压桩工程进行的现场静载试验，研究静力压桩施工及单桩竖向承载力的特点。

试验场地所处地基土（岩）工程条件及主要设计参数见表1所示。

拟建工程为一住宅区楼群，12层，设计采用预应力混凝土管桩，静压法施工，桩长控制采用桩端进入粉质粘土夹圆砾层且压桩力不小于4500KN，表2为各试桩的基本参数。

单桩竖向荷载试验采用慢速维持荷载法进行，第一级荷载为740KN，以后每级加荷增量为370KN；桩顶沉降观测的时间间隔以及每级荷载作用下变形的稳定标准，均按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）的有关要求执行。

图1、图2分别为试桩的现场静载试验荷载～沉降（Q～S）和荷载对数～沉降（logQ～S）曲线，由图可知：各试桩的Q～S曲线多以缓降型为主，在发生明显陡降之前，桩的沉降随荷载近似呈线性变化，沉降量较小。当荷载超过陡降起始点，桩沉降的速度明显增大。

2.2静压PHC桩的沉桩机理。

静压PHC桩属挤土桩，沉桩施工时，桩尖“剌入”土体时原状土的初始应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖产生相应阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖处所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动，在地表处，粘性土体产生向上隆起；在地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周水平方向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用使邻近桩周处土体受到较大扰动影响，此时，桩身必然受到土体的法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶的静压力大于沉桩时的抵抗阻力时，桩将继续“剌入”下沉[1]。

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的静态抗剪强度有很大的差异。随着桩的沉入，桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移，由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用，土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时，剪切面一般发生在桩表面处的土体内，粘性土中随着桩的沉入，桩周土体的抗剪强度逐渐下降，直至降低到重塑强度。

压桩过程终止后，土体中孔隙水压力逐渐消失，桩周土随之产生径向固结，使其密度增加，桩侧摩阻力增大，扰土重塑的桩端土体强度逐渐得到恢复。

2.3单桩荷载——沉降特性。

当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移为零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量逐渐增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土的相对位移，从而促使桩身摩阻力的进一步发挥。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移增长速度显著加大，直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏。此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。桩的竖向静力荷载试验的荷载～沉降（Q～S）曲线是桩土体系荷载传递、侧阻和端阻发挥性状的综合反应。Q～S曲线线型随桩侧土层的分布与性质、桩端持力层性质、桩径、桩长、长径比、成桩质量等诸多因素而变化。由于桩侧阻力一般先于桩端阻力发挥，因此Q～S曲线的前段主要受侧阻力制约，而后段则主要受端阻力制约。

2.4影响单桩承载力的因素。

影响软土地基静压PHC桩单桩极限承载力的主要因素有：静力压桩终止压力，桩的长径比，静压桩残余应力及桩周土的性状。

2.4.1静压桩的终压力。

静压桩的压桩力是指PHC桩沉桩过程为克服桩尖土层的抗冲剪阻力及桩周土摩阻力所施加的压桩力，而静压桩的终压力是桩尖达到持力层终止压桩时显时的最终压桩力。

压桩力过大，容易压坏桩身；压力过小，桩尖无法进入至合适的持力层，桩尖嵌固长度不足，造成有效桩长无法满足，单桩承载力无法满足设计要求，如在桩基布桩密度较大区域施工时，宜产生邻桩上涌现象。合理确定安全合适的压桩力，不仅保证桩身质量、确保桩端嵌固长度、提高桩端土体的力学性能。

由于影响静压桩的终压力与单桩极限承载力之间相互关系的因素相当复杂，单桩极限承载力是一个随机模糊问题[2]，很难找出反映各种影响因素的定量计算公式；因此，通过大量现场试验资料的统计分析，定性地分析静压桩的终压力与单桩极限承载力之间相互关系。

本文将收集到的温州地区有代表性的274根静压桩的静载试验资料（其中桩基沉降量15～40mm之间），以桩的长径比为横轴、桩的极限承载力与终压力之比为纵轴进行分析；图3为桩的极限承载力/终压力比与长径比的关系曲线，由图可见，静压桩属于端承摩擦桩或摩擦端承桩，当长径比约为75时，桩极限承载力约等于桩的终压值；当长径比大于80时，桩极限承载力大于桩的终压值；当长径比小于70时，桩极限承载力小于桩的终压值。

2.4.2桩端持力层的工程性质。

静压PHC桩桩端注浆是在PHC桩压入预定的持力层深度后，在桩的中间空心部位采用地质钻机钻孔，安放注浆管路，采用高压注浆泵通过注浆管路向桩端持力层注入水泥浆液，使桩端持力层和桩周土体得到加固，改善桩端及桩周土体的特性，从而提高桩承载能力。

桩端注浆与未注浆对单桩竖向承载力的影响，图4为同一施工场地的四根试桩，桩长为60.5m～62.0m，桩端持力层为粉质粘土夹圆砾，其中S1、S2桩采用孔底注浆，而S3、S4未进行注浆；由图可见，注浆桩S1、S2的Q～S曲线表现为缓变型，在一定程度上带有端承桩的性质，当加载至第十级荷载4MN时，桩顶沉降分别为20.86mm、17.58mm；常规桩S3、S4的Q～S曲线表现为陡降型，表现为明显摩擦桩的特性，其加载至第十级荷载4MN时，桩顶沉降分别为47.24mm、45.26mm。

由此可见，软土地基超长静压PHC桩桩端注浆，能减少桩端沉降和改善桩端持力层的性状。

2.4.3静压桩残余应力[3]。

静压桩残余应力是指静压桩桩顶荷载卸除后，由于以前的荷载历史或施工工艺产生的桩内应力或桩土之间的应力；它包括桩的桩侧残余应力和桩端残余应力。

桩侧残余应力是因为在沉桩过程中，沿桩身产生方向向上的正的动摩阻力，同时伴随挤土产生的法向残余应力。桩顶卸荷后，对于摩擦型桩，桩顶和桩端两头伸缩自由，桩侧应力渐渐趋于平衡，残余应力消失；对于端承型桩，桩端存在残余应力，其平衡反力必然是向下的负摩阻力。当桩侧土很软时，提供的这种摩阻力较小，桩端力大部分得以释放；而当桩侧土较强量，限制了桩端应力的释放，桩端残余应力大，桩侧残余摩阻力也大。桩侧残余应力影响沉桩过程或其后的一段较短的时间。

桩端残余应力是沉桩结束后存在于桩身下端的未释放的应力，它作用的时间较长，影响到桩的承载力。当桩端土层较软时，桩端的应力随着土层的压缩很快被释放，而当桩端处于硬层时，桩端土的压缩量有限，因为卸荷后桩侧向下摩阻力限制，桩身向上的回弹量达不到释放桩端阻力所需要的值。

2.5单桩竖向承载力估算方法

2.5.1压桩过程所需能量估算单桩极限承载力。

静压PHC桩时每根桩所消耗的能量反映了桩在各层土内沉入的难易程度，也就反映了桩侧摩阻力和桩端阻力的实际情况，故能利用耗能大小较准确的估算出单桩承载力[4]。将温州地区以粉质粘土夹圆砾为桩端持力层的55根桩的单桩极限承载力Qu与压入这些桩时所需能量PE进行统计分析，其散点图见图5所示，得到确定其单桩极限承载力Qu的经验公式：

2.5.2压桩时的终止压力值估算单桩极限承载力。

静压桩的施工终止压力与极限承载力是两个不同的概念[5]，静压桩在静压力作用下沉入地基土中时，桩侧表面与桩周土体的摩擦力是滑动摩擦力，其值较小，在同一土层中基本保持不变，不随桩身入土深度的增大而累计增大。压桩阻力随桩端处土体的软硬程度即桩端处土体的抗冲剪阻力的大小而波动，静压桩沉桩穿越的土层一般是较软弱而松散，含水量较高，孔隙比较大。当静压桩桩垂直受力下沉时，桩尖直接使土体产生冲剪破坏，同时桩周土体也产生冲剪挤压破坏，孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均匀水头。产生超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周一定桩径范围内的土体抗剪强度降低，粘性土发生稠化，粉土、砂土发生软化。压桩一旦终止，随着时间的推移，超孔隙水压力逐渐消散，桩周土体固结，土的抗剪强度逐渐恢复，甚至超过其原始强度。土体完全恢复后，原来施工下沉时桩侧滑动摩阻力变成承载时的静摩阻力，静压桩才获得工程上所需要的所谓极限承载力。

2.5.3静压PHC桩承载力的时效性。

静压PHC桩承载力的时效性从机理分析可以归纳为以下几方面：

（1）土的触变性：桩周围的土体受到沉桩扰动，强度降低，经过一段时间的休止期后，土的触变作用使损失的强度得到恢复，甚至超过其原始强度；经过足够的休止期，土体的强度最大可达到原始强度的130%[6]。

（2）土的固结作用：桩基沉桩引起很大的超静孔隙水压力，沉桩后初期，超静孔隙水压力大，消散速度也大，土体固结速度和桩承载力增长速度也快；随着时间的推移，地基土中的超孔隙水压力逐渐减小，其消散速度、土体固结速度均逐渐减小，直至停止，此时桩的承载力也达到最大值。（3）沉桩引起桩侧土性质的变化：沉桩时，紧靠桩侧的土体受到严重扰动，在挤压和剪切作用下完全重塑并快速固结，在紧贴桩表面处形成一层硬壳；该硬壳的强度远大于其周围土体的强度，因此当桩体发生竖向位移时，其剪切破坏面不是发生在桩土接触界面上而是发生在距桩周边缘处一薄层内，致使桩的承载表面积加大，从而提高桩的承载力。表4为单桩极限承载力初、复压变化情况[7]。

3. 结束语

（1）当静压桩长径比约为75时，桩极限承载力约等于桩的终压值；当长径比大于80时，桩极限承载力大于桩的终压值；当长径比小于70时，桩极限承载力小于桩的终压值。

（2）影响静压PHC桩单桩极限承载力的主要因素有：静力压桩终止压力，桩的长径比，静压桩残余应力及桩周土的性状。

（3）（静压桩的终压力与单桩极限承载力之间相互关系是一个随机模糊问题。

（4）超长静压PHC桩桩端注浆，能减少桩端沉降和改善桩端持力层的性状。

（5）由于荷载历史或施工工艺产生的桩内应力或桩土之间的应力，静压桩存在残余应力。

参考文献

[1]杜显洲. 静压预应力管桩压桩力及常见问题的探讨[J]. 山西建筑，2005，31（6）：50～51

[2]和礼红，汪稔，王芝银. 静压桩压桩终止压力与极限承载力的随机模糊分析[J]. 岩土力学，2004，25（3）：399～402

[3]张明义. 静力压入桩的研究与应用[M].北京：中国建材工业出版社，2004.

[4]史佩东等.深基础工程特殊技术问题[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]林本海，王离. 静压桩承载性能分析研究[J].建筑结构学报，2004，25（3）：120-124

[6]Fleming， W. G. K. Elson. Pile Engineering， 2nd edition， 1992， 118-122

[7]肖军华， 韩爱民. 软土地基上静压预制桩承载力的工后增大效应[J].建筑技术开发，2003，30（10）：24-26