基于隔时复压试验的静压桩承载力时效性研究

董春晖，郭聚坤

（山东交通职业学院公路与建筑学院，山东 潍坊261206）

基于隔时复压试验的静压桩承载力时效性研究

董春晖，郭聚坤

（山东交通职业学院公路与建筑学院，山东 潍坊261206）

静压桩沉桩结束后，其承载力随时间而变化，对桩承载力的时效性研究可为静压桩设计及施工提供参考。文章以山东省潍坊市滨海经济开发区滨湖苑小区工程现场为试验场地，通过两根静压桩进行的隔时复压试验的实测数据，研究了广义极限承载力与最终压桩力的关系、桩端阻力和侧摩阻力随时间变化规律，提出了静压桩承载力三阶段增长模型。结果表明：广义极限承载力不同于最终压桩力，其提高主要是在沉桩结束的9 d内；在沉桩结束后20 h时，桩端阻力和桩侧摩阻力对桩承载力的贡献各为50%，出现“贡献平衡点”，压桩结束13 d后变为侧摩阻力主要起承载作用，出现“侧阻绝对硬化”和“端阻相对软化”现象；不同的土层提供不同的桩侧摩阻力，粉质粘土最大，砂质粉土和粉土次之，淤泥质土最小；静压桩承载力增长模型由三阶段组成，桩端阻力的增长仅发生在第一阶段，桩侧摩阻力的大幅度增长集中在第一、二阶段，在第三阶段略有提高。

静压桩；隔时复压试验；侧摩阻力；端阻力；时效性

Abstract：The bearing capacity of jacked pile varies with timeafter the end of pile jacking，and the study on the time effect of bearing capacity of jacked pile has some implications for the design and construction of jacked pile.This paper，by taking the project Binhuyuan Community，Binhai economic development zone，Weifang City，Shandong Province as the test site，compares the measured data of two piles，studies the relationship between the general ultimate bearing capacity and ultimate compressive strength，and the growth law of tip resistance and shaft resistance，and also proposes the bearing capacity of jacked pile increasemodel in three stages.The results show that，the general ultimate bearing capacity is different from the ultimate pile load，which increasesmainly in the 9 days after the end of pile jacking，and grows faster in the initial stage than the later stage.At 20 hours after the end of pile jacking，the contribution of tip resistance and shaft resistance to bearing capacity of pile is the same，50 percent respectively，called“contribution balance point”.The increase of ultimate bearing capacity of the jacked pile ismainly determined by shaft resistance on 13 days after the end of pile jacking，“absolute hardening of shaft resistance”and“relative softening of tip resistance”occurred.Different soil layers provide different shaft resistance，the silty clay is the largest，sandy silt and silty soil are the second，and the silt soil is the smallest.The static pressure pile bearing capacity growthmodel is composed of three stages，the increase of the pile end resistance is only in the first stage，the large increase of the pile side friction resistance is concentrated in the first and the two stage，and slightly increases in the third stage.

Key words：jacked pile；interval re-pressed test；shaft resistance；tip resistance；time effect

0 引言

预制静压桩因施工质量好、工期短、无噪音、对桩身无冲击力等优点，在高层建筑中得到了广泛的应用。静压桩在沉桩过程中侧向挤压土体，造成土体强度降低。沉桩结束后，其极限承载力随休止期的延长会发生提高和降低两种情况，一般达到最终的稳定需要几十天到几年，甚至数年，这种现象称作承载力的时间效应。在绝大多数的情况下，桩基承载力是随时间呈增长的趋势，其增长主要是因为桩身摩阻力的提高，这种现象在饱和软土地基中表现尤为明显，因为软土地基具有高灵敏度、低渗透性、结构性强等特点［1-5］，因此对于桩承载力的时效性研究就很有必要。

近年来，国内许多学者对预制静压桩承载力的时间效应进行了试验研究和数值模拟。刘俊伟对静压开口管桩施工效应进行了试验及理论研究［6］，周晓龙对施工周期下的静压管桩进行了优化设计计算［7］，许多研究者对静压桩承载性能进行了试验研究［8-12］，李镜培在基于总应力法下进行了静压桩极限承载力时效性研究［13］，辛翀对静压桩贯入阻力进行了实测分析与数值模拟［14］，白晓宇基于BP神经网络对静压桩承载性能的时间效应进行了预测［15］，上述研究结果表明，静压桩承载性能机理较复杂，这与桩身材料、桩身尺寸、地质条件关系密切，承载力的增长主要归因于桩周土体超孔隙水压力的消散、土体结构的重建、疲劳退化、触变性、次固结和重新胶结，研究普遍认为超孔隙水压力的消散是桩侧摩阻力增长的主要原因，而且桩侧摩阻力增长的时间要长于孔隙水压力消散的时间，究其原因为桩周土体结构的变化。文章以山东省潍坊市滨海区经济开发区滨湖苑小区工程现场为试验场地，通过实际静压桩工程的试验测试资料，着重研究了河岸冲积平原地貌静压桩承载力变化的特殊时间节点、端阻力和侧摩阻力的平衡关系、不同土层侧摩阻力变化规律以及静压桩承载力增长模型的研究，可为此地区静压桩的施工、设计和科研提供参考。

1 试验机理及概况

1.1 静压桩承载力的时效性机理

静压桩在贯入土层的过程中，其桩侧摩阻力在同一层土中并不是保持不变，而是逐渐变小，究其原因，主要有以下几点［7-8］：

（1）桩周土体单元主应力方向旋转 在沉桩过程中，土体单元剪应力引起主应力方向变化，导致作用于桩体上的径向应力减小；

（2）桩周土体形成拱效应 沉桩过程中，桩体挤压土体，土颗粒由此向外挤出，使远处的土体变得密实，形成土拱，土拱阻碍了径向应力作用于桩体，引起径向应力的减小；

（3）桩体表面形成水膜 桩在贯入土体的过程中，土中的水不能及时排出，在桩体表面形成的水膜减小了桩土间的摩擦力。

静压桩在沉桩结束以后，桩侧阻力随时间而增加，而桩端阻力略有增长，究其原因，主要有以下几点［9-16］：

（1）桩周土的固结 桩在贯入过程中产生很大的超孔隙水压力，在沉桩结束以后超孔隙水压力逐渐消散，水膜消失，土拱效应逐渐减弱直至消失，径向应力逐渐增大；

（2）桩周土的触变恢复和土壳效应 在沉桩过程中，桩周土体受到横向挤压和竖向剪切作用，紧贴桩身区域的土体结构形成强烈的重塑区，经过一段休止期后，损失的强度逐渐得到恢复，紧贴桩身形成了3～20 mm的“硬壳”，桩侧摩擦面积逐渐增大，其强度超过了原状土的初始强度。

1.2 试验场地及参数

为进一步研究静压桩的承载力随时间的变化规律，选取山东省潍坊市滨海经济开发区滨湖苑小区工程现场作为试验场地。此试验场地为待建工程用地，地形总体平坦，局部略有起伏，属于河岸冲积平原地貌，具体的土层参数见表1。

1.3 试验过程

选取两根单桩进行复压试验，在桩的顶端和底端分别安装压力传感器，在不同土层桩壁处安装光纤传感器，以读取静压桩的桩端阻力和侧摩阻力。压桩结束以后，为了研究桩周土体的触变效应和固结时效对桩端阻力和侧摩阻力的影响，在不同的休止期对桩进行复压试验，读取桩体刚开始下沉时的压力（复压力）。

表1 试验场地的土层参数

2 结果与分析

2.1 试验结果

试验桩在不同间隔时间的压桩力、桩端阻力和侧摩阻力分别见表2、3，试验桩在不同土层不同间隔时间的侧摩阻力见表4。

表2 试验桩在不同间隔时间的压桩力复压数据

表3 试验桩在不同间隔时间的端阻力和侧摩阻力复压数据

表4 试验桩在不同土层不同间隔时间的侧摩阻力复压数据／MPa

2.2 静压桩承载力时效性分析

2.2.1 静压桩广义极限承载力时效性分析

在静压桩施工过程中，经常以最终压桩力作为控制标准，以此来评价静压桩的极限承载力，这势必会造成材料的浪费。于是，提出用广义极限承载力来评价桩的承载力，故广义极限承载力和最终压桩力是完全不同的两个概念，广义极限承载力指的是试验桩的复压起动力，最终压桩力指的是静压结束时桩体承受的力。如表2、图1和2所示，1＃和2＃桩的复压试验持续时间均为310 h，均在同一时间节点进行复压试验，复压启动力数值变化明显，1＃桩的广义极限承载力比最终压桩力提高126%，2＃桩的广义极限承载力比最终压桩力提高123%，广义极限承载力前期提高幅度较快，后期慢慢放缓，从223 h到310 h复压启动力变化小于10 kN，提高幅度仅为1%，这说明广义极限承载力在软土地基中不是一直在增加，其提高主要是在沉桩结束的9 d内。造成广义承载力与最终压桩力不同的主要原因就是时间效应。这与寇海磊［16］的研究结论是基本一致的。

图1 静压桩广义极限承载力增长曲线图

图2 静压桩广义极限承载力提高幅度曲线图

2.2.2 静压桩端阻力和侧摩阻力时效性分析

如表3、图3和4所示，随着沉桩休止期的增加，1＃和2＃桩的桩端阻力从压桩结束到23 h时提高幅度不到5%，23h之后桩端阻力不再变化；1＃桩的桩侧摩阻力从压桩结束到310 h时提高幅度为373.39%，2＃桩的为 405.77%，前期提高幅度快，后期慢慢放缓。从侧摩阻力和端阻力在桩承载力占有的比重来看，1＃桩在压桩结束时，侧摩阻力为桩承载力的32.90%，310 h时变为68.90%，故端阻力从压桩结束时的67.10%变为310 h时的31.10%；2＃桩在压桩结束时，侧摩阻力为桩承载力的29.66%，310 h时变为67.18%，故端阻力从压桩结束时的70.34%变为310 h时的32.82%，可见在压桩结束时桩端阻力主要起承载作用，压桩结束约13d后变为侧摩阻力主要起承载作用，由图4可以看出，在压桩结束后的20 h时，桩端阻力和桩侧阻力对桩承载力的贡献各为50%，此刻可认为“贡献平衡点”。由前述所知，静压桩承载力的时间效应主要体现在桩侧摩阻力的提高，将此称之为“侧阻绝对硬化”；桩端阻力基本没有变化，而且桩端阻力对承载力的贡献是大幅度减小的，将此称之为“端阻相对软化”。这验证了Camp等学者的研究结论［17-18］。

图3 静压桩端阻力（侧摩阻力）提高幅度曲线图

图4 端阻力（侧摩阻力）对桩承载力的贡献曲线图

如表4、图5和6所示，不同的土层提供的桩侧摩阻力是不一样的，经观察可知，地面以下1.53 m范围内桩侧摩阻力为零，究其原因，是此范围内的桩与土体因桩身晃动产生缝隙，也即两者没有实质接触，桩周土体没有对桩施加法向应力，故填土层基本上是不提供侧摩阻力的；填土层以下的各土层中，粉质粘土提供的侧摩阻力最大，淤泥质土提供的侧摩阻力最小，砂质粉土和粉土居于两者之间，这说明粉质粘土的抗剪强度最大，砂质粉土和粉土的次之，淤泥质土的最小；从表1、图5和6可知，地面以下4.86～7.38 m和14.94～21.69 m范围内均为砂质粘土，但是两者提供的摩阻力不同，下部砂质粘土提供的侧摩阻力要大于上部提供的侧摩阻力，这说明在均质土层中桩身下部的侧摩阻力对桩的承载力贡献更大；另外，同一深度处的侧摩阻力随着休止期的增加都是在提高的，而且前期提高的幅度快，后期慢慢变缓，这和之前得出的结论是一致的。

图5 1＃桩单位侧摩阻力随休止期变化曲线图

图6 2＃桩单位侧摩阻力随休止期变化曲线图

2.2.3 静压桩承载力时效性模型

对于静压桩的承载力时效性模型，Komurka在其研究中指出，承载力时效性模型由三阶段组成［18］，如图7所示。第一阶段：超孔隙水压力随时间对数非线性消散；第二阶段：超孔隙水压力随时间对数线性消散，直至消散完成；第三阶段：桩周土体的有效应力不再变化，但承载力稍有增长，原因在于土体老化效应。鉴于桩端阻力基本上没有变化，可以认为静压桩的承载力时效性模型即静压桩的侧摩阻力时效性模型。

图7 桩承载力时效性模型图

试验静压桩的承载力时效性模型如图8所示。由图8可知，在0～23 h内，桩侧摩阻力和桩端阻力都在增长，桩侧摩阻力出现大幅度的增长，桩端阻力的增幅远小于桩侧摩阻力的增幅，桩在贯入过程中，桩周土体由于桩的挤入使土的结构受到扰动而产生超孔隙水压力，沉桩结束后，超孔隙水压力随时间逐渐消散，土体逐渐固结，但并未在桩周形成“土壳”，此阶段摩阻力发生的位置在桩土界面处，故23 h的时间节点可以作为超孔隙水压力消散速度随时间对数开始线性增长的时刻t0，与Skov的研究基本一致，此为模型的第一阶段［2］。在23～223 h内，桩端摩阻力不再增加，而是维持一个稳定值上，桩侧摩阻力继续增加，但增速相比前一阶段变缓，此阶段超孔隙水压力继续消散，在桩的周围形成“土壳”，其强度超过原状土，桩在逐渐“变大”，此阶段摩阻力发生在“土壳”与土界面处，而且这个界面不断在向外移动。孔隙水压力消散为零时，土体固结完成，“土壳”体积也不再变化，此为模型的第二阶段。在223 h之后，桩侧摩阻力略有增加，此阶段可以归结于土体的老化效应，此为模型的第三阶段。

图8 试验静压桩承载力时效性模型图

3 结论

通过上述研究表明：

（1）1＃和2＃桩的广义极限承载力提高主要集中在沉桩结束后的9 d内，之后变化很小。

（2）压桩结束时桩端阻力主要起承载作用，压桩结束后20 h时，桩端阻力和桩侧阻力对桩承载力的贡献各为50%，出现“贡献平衡点”，压桩结束后13 d时侧摩阻力主要起承载作用，出现“侧阻绝对硬化”和“端阻相对软化”现象。

（3）填土层下不同土层提供不同的桩侧摩阻力，粉质粘土提供的侧摩阻力最大，砂质粉土和粉土次之，淤泥质土提供的侧摩阻力最小。

（4）静压桩承载力时效性模型由三阶段组成。桩端阻力的增长仅发生在第一阶段，第二、三阶段变化很小。桩侧摩阻力的大幅度增长集中在第一、二阶段，第三阶段略有提高。

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（学科责编：赵成龙）

Time effect of bearing capacity of jacked pile based on interval re-pressed test

Dong Chunhui，Guo Jukun
（School of Highway and Architecture，Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China）

TU473

A

1673-7644（2017）04-0390-06

2017-07-08

董春晖（1977-），男，讲师，硕士，主要从事基础工程等方面的研究.E-mail：chunhui_d＠126.com