静压桩终压力及单桩竖向承载力的相关性_pdf.pdf

第28卷第5期2006年9月南 京 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF NANJ I NG UN I VERSITYOF TECHNOLOGYVol.28 No.5Sep.2006静压桩终压力及单桩竖向承载力的相关性蒋跃楠,韩选江(南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京210009)摘 要:以苏南软土地区的静压桩施工实测资料为依据,着重分析了静压桩的终压力与单桩竖向承载力之间的相互关系,并按照静压桩的入土深度,提出两者之间的相关性估算方法,为静压桩的安全、合理施工提供参考。关键词:静压桩;终压力;单桩竖向承载力3中图分类号:TU47311+3 文献标识码:A 文章编号:1671-7643(2006)05-0063-04 近年来,随着新型静力压桩机械的投入使用,无噪音、无振动、无污染的静压施工法得到很快发展,特别在地下水较丰富的沿海地区十分普及1。静压桩的施工机械经过多年发展,最大压桩力已达8 000 kN,可施压直径为300800 mm的预应力管桩1。静压桩已用于建造20层以上的高层建筑,目前,静压桩已成为一种广泛使用的桩基类型。但在静压桩的设计与施工中,仍有许多问题需要解决,如单桩竖向承载力的分析研究一直是该类型基础的难点问题2-3。笔者以苏南软土地区的静压桩基工程为例,通过理论与实际相结合,研究了静压桩的终压力和单桩竖向承载力的相关性,提出根据终压力和桩入土深度推算静压桩单桩竖向承载力的方法,为同类型桩基的设计和施工提供参考。1 终压力与单桩竖向极限承载力的关系当预制桩在垂直静压力作用下沉入土层时,桩周土体会发生剧烈的挤压扰动,土中孔隙水压力急剧增大,桩周一定范围内的土体将产生重塑区,使土的抗剪强度显著降低,桩身连续向下贯入。沉桩阻力是沉桩过程中压桩机械为克服桩尖土层的冲剪阻力和桩周土摩擦力所施加给桩的“准静压力”。称它是准静压力,是因为这种静压力是相对于动力打桩而言,该压桩力对桩体施压缓慢,无明显冲击。实际上,压桩时桩身一直做较低速的运动。而终压荷载是桩尖达到持力层终止压桩时出现的最终静压力。终压力是终止压桩瞬间出现的荷载,其每次出现持续的时间通常仅510 s,终压力主要由桩侧土体的滑动摩擦力和桩端持力层处土体的抗冲剪阻力构成。桩的竖向承载力是桩侧土体提供的侧摩阻力和桩端持力层提供的端阻力之和,是桩抵抗由上部结构传来的长期作用荷载的能力。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桩周土体的向下位移,与此同时,桩身侧表面受到土的向上摩阻力的作用,桩身荷载通过摩阻力传递给桩周土层;随着荷载的增加,桩身的压缩量和位移增大,桩身下部的摩阻力随之逐步发挥出来,从而将部分荷载传递给桩端土层,并使其压缩和产生端阻力。如果桩顶荷载继续增加,桩端持力层土体将大量压缩和塑性挤出,此时桩端阻力达到极限破坏,静压桩所承受的荷载就是极限承载力。一方面,静压桩的终压力与单桩承载力是两个不同的概念。土层分布与土质情况、桩的类型及截面尺寸、桩长、排水条件的不同,导致终压力与单桩承载力之间的关系是个变数。如果桩身长且桩周土体抗剪强度恢复充分,其对桩侧表面提供的侧摩阻力远大于滑动摩擦力,该静压桩的极限承载力将大于施工终压力值;对于短桩而言,特别是长度为58m超短桩,考虑到地面以下8倍桩径范围内桩周侧摩阻力得不到充分发挥,桩侧提供的侧摩阻力很小,桩的承载力主要由桩端阻力和桩端进入持力层深度范围内的侧摩阻力提供,该类型静压桩的极限承载力将小于终压力值。3 收稿日期:2006-04-18作者简介:蒋跃楠(1969-),女,江苏宜兴人,工程师,硕士生,主要研究方向为桩基基础,现在江阴职业技术学院工作;韩选江(联系人),教授,E2mail:另一方面,静压桩的终压力与单桩承载力又是密切相关的。承载力是在终压力的基础上,经过触变恢复和固结时效发展,在桩周土未达到充分固结恢复之前的承载力,称为广义承载力4。从这个意义上说,终压力是零时刻的广义承载力,而不同时刻的广义承载力都收敛于桩的真实极限承载力。目前,已大致掌握两者的定性关系,即桩型及终压力值相同的桩,其极限承载力要综合考虑桩长、桩周土的灵敏性、桩端土条件等多项因素,一般来说,桩越长则极限承载力越高;而极限承载力要求相同的同桩型的桩,终压力大小的控制要综合考虑地质条件、桩长等因素,一般来说,桩越短则终压力的取值越高。考虑到地质情况的千差万别,要定量分析两者的关系难度较大,直接寻求压桩力与单桩极限承载力间的关系目前还难以实现,因为靠简单的2、3个参数并不能恰如其分地反映桩长、桩截面尺寸、桩侧、桩端和下卧土层的组成情况及土性特征等复杂因素。但压桩力与单桩极限承载力间的内在联系是客观存在的,可用以下两种方法探索终压力与承载力的关系。第一种方法是回归区域性的经验公式,这种方法最为常用,公式往往是结合某种具体的土层特定条件提出,使用这些区域性的经验公式,有时可以满足工程精度的要求。第二种方法是通过分析桩的承载力的固结特性、时效性等提出的计算方法,即所谓的理论方法。例如,首先把终压力作为零时刻的广义承载力,通过复压试验求得桩在不同时刻的广义承载力,作出承载力全程曲线,最后推算出极限承载力。2 工程实例分析大量研究表明,桩的承载力增长主要发生在沉桩后30 d内,此时的承载力已达到最终极限承载力的70%左右,3060 d时,仍有较大增长,90180 d以后承载力虽继续增长,但基本稳定5。所以当桩入土之后到静载荷试验的时间为2周以上时,其试验得到的单桩承载力只能称为单桩竖向承载力,而不能完全作为桩的极限承载力来分析问题。表1是收集到的部分静压桩静载试验及压桩力资料,选出具有一定参考价值的压桩进行分析研究。这些静压桩工程主要分布在无锡地区,对于苏南地区的软粘土有一定的代表性。表1 桩长、终压力及竖向承载力关系表Table 1The relation of pile depth and final pressure aswell as vertical bearing capacity工 程名 称桩号桩的截面入土深度/m表面积/m2长细比终压力/kN静载试验结果/kN承载力增长率无锡宝鑫钢铁建材仓储有限公司325 cm25 cm12124848010540111251425 cm25 cm16166442214540112782525 cm25 cm1111445181451001984无锡市污水处理厂综合处理4号构筑物6425 cm25 cm12124844017367018338825 cm25 cm1212484031736701909无锡市广石路经济适用房11号房71500mm203114401 0001 23211232150500mm203114401 1251 76011564无锡市广石路经济适用房22号房22500mm203114409301 7001182898500mm203114409301 70011828124400mm202511508201 0001122无锡市惠联热电厂15500mm152315301 3121 774161135335500mm152315301 2301 495101121553500mm152315301 4761 867181126560500mm152315301 1481 422151123980500mm152315301 3121 644151125393500mm152315301 3941 8201711306无锡市污水处理厂二沉池东75 25 cm25 cm1414563261422001674西69 25 cm25 cm161664384102200157246南 京 工 业 大 学 学 报 第28卷 由表1可知,即使在同一地区,不同施工地点的静压桩基工程,其压桩系数Q/P(压桩力与桩承载力标准值之比)的值,从01571183不等,呈现了较大的离散性。这充分说明,在软粘土中,静压桩竖向承载力的变化除了与终压力值有关外,还与其它因素密切相关,总的来说,影响静压桩竖向承载力的主要因素有以下几点。(1)桩侧土的性质及分布,桩侧土的强度及变形性质将影响桩侧阻力的发挥性状和大小,从而影响单桩极限承载力的性状和大小。桩侧土的某些特性,如湿陷性、胀缩性、可液化性、欠固结性等,在一定条件下将引起桩侧阻力的降低,甚至出现负摩阻力,从而使单桩承载力显著降低。而且软硬土层、粘性土与非粘性土层分布的相对位置也会影响桩侧阻力的发挥特性。(2)桩端土层的性质,桩端持力层的类别和性质直接影响桩端阻力的大小和桩的沉降量。低压缩性、高强度的砂、砾、岩层是理想的具有高端阻力的持力层;相反,高压缩性、低强度的软土几乎不能提供桩端阻力,并有可能导致桩发生突进性破坏。(3)桩的几何特征,不仅桩的形状及表面积决定桩侧总阻力的大小,而且桩的长细比也是影响桩侧阻力、桩端阻力的发挥程度和单桩承载力的主要因素。所以,在软粘土地区压桩,仅凭终压力的大小还不能判断其竖向承载力的大小,尤其是当桩的长细比过小时,其竖向承载力有可能小于终压力。注意到这一点,建议软粘土地区静力压桩的终压控沉标准,应以标高为主要控制标准,压桩力为参考。尤其对于长度小于20 m的桩,应确保桩尖可靠地进入持力层,防止出现桩尖在达到持力层以前遇到局部硬核或在持力层界面处压桩力一旦有明显增长即停压的情形。3 静压桩的单桩竖向承载力与终压力的关系公式 众所周知,岩土体具有空间变异性,它的物理、力学性质随时间、空间的变化而变化。两点之间的岩土体性质与其距离有关,距离越近,相关性越密切,距离越远,相关性越弱,直至不相关。所以,直接寻求适合所有地区的终压力与竖向承载力相关性还比较困难。但由表1能看出,对于同一工程其静压桩极限承载力的增长率有相似性,因此通过现场试验资料的统计分析,可建立以下实用的相关性经验公式:Qu=m Ps+nPj=m Pze+(n-m)Pj(1)Pj=2.5d(上)0mipsi(上)Li+2.5d(下)0mipsi(下)Li5.0dAP(2)式中:Qu为静压桩单桩竖向承载力,kN;m、n为土性效应系数,它反映桩周及桩端土性变化对静压桩竖向承载力的影响;Ps为静压桩桩身范围内的滑动摩阻力,kN;Pj为桩端阻力,取决于桩端持力层,即取桩端以上和以下一定范围内静力触探参数计算,对于大截面桩其范围可适当增大,kN;Pze为静压桩的终压力值,kN;Ap为桩端截面积,m2;d为桩径或边长,m;mi为桩端阻力修正系数,它是一个随土性强度变化的参数,对土层比贯阻力psi1 500 kPa时取019110,1 500 kPa psi2 000 kPa时,取016017,2 000 kPa 3 000 kPa时,取014015;psi(上)、psi(下)为桩尖以上、以下215d范围内土层的比贯阻力,kPa;Li为相应psi值处土层的厚度,m。用式(1)和(2)估算静压桩单桩竖向承载力时,可先通过试桩得到试桩的终压力、竖向承载力和桩长情况,结合地质勘查报告,了解桩端持力层的土质特性;然后由它们推算出效应系数m、n的值。再根据工程中其它桩的终压力,估算其竖向承载力。对于建筑群或成片开发、改造的建筑小区的静压桩基础工程,如果地层土质分布比较均匀,采用以上经验公式基本满足工程精度的要求,该式对静压桩的现场操作有很好的指导作用。上式适用于工程中桩长相似的情况,如果桩的长度相差悬殊,则需对公式进行修正:Qu1=Qu(3)式中为桩长修正系数,当桩长大于试桩长度且桩周为软土时,取大于1的值;当桩长小于试桩长度且桩周土性较硬时,取小于1的值。的具体取值范围还有待于以后积累更多的原始数据作进一步探索。下面以无锡宝鑫钢铁建材仓储有限公司的静压桩工程为例分析计算过程,将3#、25#桩的终压力、竖向承载力和桩端阻力的值代入式(1)得:540=480m+92(n-m)510=518m+69(n-m)(4)56 第5期蒋跃楠等:静压桩终压力及单桩竖向承载力的相关性解得:m=0166n=3107即:Qu=0166Pze+2141Pj(5)所以,对于无锡宝鑫钢铁建材仓储有限公司的其它长度相差不多的静压桩,由其终压力和桩长,用式(5)可估算出其竖向承载力。4 结 论静压桩的竖向承载力研究有很多实用方法6。笔者利用实例探讨了终压力与单桩竖向承载力的相互关系,结果表明,静压桩的终压力和单桩竖向承载力之间的相关性可以进行定量估算,对于同一工程,通过终压力和桩端土的端阻力可推算其单桩竖向承载力。参考文献:1 王昌成.静力压桩单桩承载力的确定及其施工改进措施J.岩土工程界,2004(7):31-32.2 张义.静压预应力管桩单桩极限承载力的应用分析J.甘肃科技,2005(7):129-131.3 康宪泉,张春增,李文春.静压微型预制桩的单桩承载力分析研究J.建筑技术开发,2002(2):18-21.4 万金山.预制桩静压施工技术在软土地基中的应用J.探矿工程,1994(2):24-27.5 韩选江.静压桩的压桩力和承载力的试验研究J.建筑结构学报,1996(6):71-77.6 张明义.静力压桩的研究与应用M.北京:中国建材工业出版社,2004.Relativity between final pressure and vertical bearingcapacity of static-pressed pileJ I ANG Yue2nan,HAN Xuan2jiang(College of Civil Engineering,NanjingUniversity of Technology,Nanjing 210009,China)Abstract:On the basis of the measured data of static2pressed piles in south Jiangsu soft soil area,the relationshipbetween final pressure and vertical bearing capacity of single static2pressed pilewas analyzed,the empirical for mulaabout the relation was put forward according to the length of pile,which can provide a reference for the safe and re2liable driving of static2pressed pile.Key words:static2pressed pile;final pressure;vertical bearing capacity66南 京 工 业 大 学 学 报 第28卷