基于工程的开口管桩挤土效应研究

李晨楠，钱玉林，颜 晨，徐 扬，许奇新

（扬州大学，江苏扬州 225127）

0 引言

近年来建筑行业对管桩的需求量越来越多，开口管桩的挤土作用得到了更加广泛的重视，因此开口管桩挤土效应的研究对于管桩性能的优化起着至关重要的作用。预制管桩不仅要求的配筋率很小，对钢材的需求不大而且有着施工简单、技术难度低的优点。迄今为止，已知的管桩的施工方法有3 种，分别是锤击法、静压法和振动法。在桩顶多次施压，反复循环之后即可把桩压入土体中的方法是锤击法。在这个过程中，会有一些土体被压入管内我们称之为土塞。土塞会对桩周土体产生较大的影响。土塞的存在对桩的侧摩阻力有着不利的影响，不仅如此，它对桩端的承载力也有着不小的影响。如果不加以处理，则会对周边环境造成破坏，严重时还可能会引发工程事故。所以，清楚、透彻地了解开口管桩的土塞效应，对于研究开口管桩的挤土效应是必不可少的。

1 研究现状

由于开口管桩的特殊性，当其沉桩时，桩端不断施压，桩体下沉，土体会进入管中形成土塞。土质的不同也会导致土塞对桩的影响。根据众多研究数据表明，挤土效应与土塞效应之间有紧密联系。

Paikowsky & Whitman 用开口管桩做了沉桩实验。发现在一开始，桩内土体的长度和沉桩的深度基本上是一致的。然而随着桩的下沉，管桩中土体的长度逐渐小于沉桩的深度，形成闭塞效应，如图1 所示。

图1 土塞形成

Lehane & Gavin 进行了一系列开口管桩室内试验，研究土塞长度和土塞增量与沉桩深度的关系，结果可以看出，直径相同的情况下，管桩的壁厚越大，土塞长度越小。

Marssach 模拟了开口管桩单桩的沉贯。从结果中我们可以了解到，伴随着沉桩的进行，虽然桩体周围的大多数土体随桩体一同向下移动，然而也有一小部分从桩身两侧挤出，土体表面上隆起，较深的土层由于侧土压力土颗粒基本横向运动，边土体的变形类似球形孔扩张，除了桩尖周边土体和桩顶土体表面外，其余部分的土体变形基本与圆孔扩张类似。

周健等用室内模型试验模拟了在砂土中静压桩表现出的挤土作用。将桩周的土体位移与桩沉降程度进行了分析比对。

雷国辉等通过对开口管桩沉桩导致的桩周水平位移和土塞高度进行试验，可以看出只有桩顶附近的孔隙水压力变大，因此孔隙水压力与打桩数无关，沉贯深度和土体相对密实度对管桩的挤土效应有着显著的影响。

谢世波等根据圆孔扩张理论和弹塑性理论，对相同半径，长度不相同的开口钢管桩在沉降的这个过程中，测出了孔隙水压力的改变程度，并进行分析对比。实验结果得出，在饱和黏土中测出的孔隙水压力最大，由于其渗透性不是很好，打桩容易破坏周围土体，引起土体强度降低。圆孔扩张理论示意图如图2 所示。

图2 圆孔扩张平面

2 挤土效应表现特征

2.1 垂直方向

在沉桩时，桩周的土体会随着桩体的沉贯一同向下移动，随之会向外扩散挤压周边土体，使周边土体向上隆起，对桩的稳定性会有一定程度的影响。为了防止可能产生的各种危险情况以及尽可能减少工程事故的发生，我们有必要采取相关的措施控制桩的位移。

2.2 水平方向

在沉桩时，桩对周围土体的挤压不仅仅是体现在垂直方向，在一定的范围内还会对土体有水平作用力。然而较多的土体水平位移会对先前打入的桩以及桩周的建筑物产生较大的影响，从而发生桩体破坏。

2.3 超孔隙水压力

在沉桩时会产生超孔隙水压力，这点在饱和黏土中变现得尤为明显。一般情况下，超孔隙水压力的最大值出现在桩周。超静孔隙水压力也会随着桩打入土体不断增加，当达到一定程度时，有效应力会发生变化。

3 实际工程案例

3.1 工程概况

本文的工程案例是某市一个建筑桩基设计等级为乙级的地下停车场。现地面整平标高为+0.70m（对应的相对标高为+0.65m），桩基础用采用的管桩型号为PHA-500AB（110）-15。除了部分电梯井的局部标高为-10.40m，一般的桩顶标高为-9.40m。

3.2 工程场地条件

经勘察显示，各土层特性为如下：

第①层为杂填土：该土层上面地坪部分大约为10cm 厚度，以粉砂为主，大多为灰青色，土质密度松散-稍密，均匀性较差，夹有砖块、碎石等建筑垃圾和植物根茎。

第②层为粉砂夹粉土：该层土的颜色主要为青灰色，Sr=1，土质密度为中密，主要包括长石、石英及少量云母片，粒度级配不好，颗粒形状为亚圆形。

第③1层为粉砂：该层土的颜色为青灰色，Sr=1，土质密度中密-密实，石英、长石及少量云母大量分布在土质当中。粒度级配不好，黏粒的含量不多。

第③2层为粉砂夹粉土：该层土中粉砂土的颜色表现为青灰色，土质密度大多为中密，一小部分部较为密实，Sr=1，石英、长石及少量云母大量分布在土质当中。粒度级配不好，黏粒的含量不多；该层土中粉土的颜色表现为灰色，土质密度中密-密实，湿，无光泽放映，干强度低，黏粒含量较低，该层本次勘察未钻穿。

3.3 施工概况

本工程采用型号为PHA500AB110-15 的管桩，施工下来对桩的需求一共是567 根，总长度约为8505m 长，极限抗压承载力为4300kN。在施工某一块区域的桩时，在有效桩长为4m 时，桩的应力值为4300kN。然而在桩的应力值达到了4700kN 时，在管桩的上部发生了爆桩，此刻的有效桩长为6.8m。随后次日，在另一块区域，管桩在压力值为4700kN 时便出现了爆桩，此刻的有效桩长约为2m。在施工过程中经常出现此类现象，即当压力值超过管桩极限抗压承载力时发生爆桩的现象。对此分析得出最主要的原因是地基土质过硬，挤土现象明显，以至于爆桩情况的产生。

3.4 解决方法

面对此类情况，我们即为了保证施工的顺利进行又为了确保采取的措施对施工场地周围的建筑物没有较大的影响，从桩的尺寸排布、施工场地条件等方面出发，最终采取“引孔”的方法间隔跳打，且不对场地四周构成封闭。东、南、西侧全部设置应力孔压释放孔，减少施工过程对东侧、西侧以及南侧已建建筑物的不利影响。应力孔压释放孔应在工程桩施工前进行施工。工程桩施工顺序应该是由西侧向东侧进行，由南侧向北侧进行，工程桩和应力孔压释放孔均采用间隔跳打的方法进行施工。

4 结语

（1）本文结合扬州某工程实例，对比分析了直接打桩和先引孔后打桩这两种情况下挤土效应的影响。可以得出体积越小的开口管桩，沉桩消耗的时间也越短，挤土效应带来的影响也会越低。当土质较硬的时候，对于预制管桩的施工会出现由于土塞效应过大而导致的爆桩现象。一般在这种情况下，我们通常会采取提前引孔的方法来减轻挤土效应。

（2）管桩施工时由于其挤土效应会对周围道路和建筑物产生或多或少的影响，可以采取间隔跳打以及应力释放孔的方法。