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静力法沉桩的压桩力与桩的极限承载力刘俊龙(福建省建筑设计研究院 福州 350001)摘 要:通过两个工程及266根不同桩径、不同桩长,采用静力法沉桩的压桩力与极限承载力的对比分析,探讨静力法沉桩中,位于不同持力层中桩的终压力与极限承载力的关系及桩的恢复力与入土深度的关系,并提出估算沉桩阻力的近似方法,其结果将为静压桩设计及施工提供有益的参考。关键词:静力法沉桩 压桩力 极限承载力THE PILE DRIVING PRESSURE AND THE ULTIMATE BEARING CAPACITYOF PILE DRIVING BY STATIC FORCELiu Junlong(Fujian Architectural Design and Research InstituteFuzhou350001)Abstract:Based on two projects and two hundred and sixty six static pressed piles with different section and differentlength,the relationship between the final driving force and the ultimate bearing capacity of pile and that between therecovering pressure and the driving depth of pile are discussed.Also,an approximation to estimating the pile drivingresistance is put forward.Keywords:driving pile by static forcepile driving pressureultimate bearing capacity作 者:刘俊龙 男 1968年4月生 高级工程师收稿日期:2004-08-200 前 言静力法沉桩主要指在钢筋混凝土预制桩、PHC管桩、钢管桩等桩基施工中,采用中压式、箍压式、前压式等静力压桩工艺,将桩沉入到预定土层中。该法具有施工速度较快,振动小,噪音小,压桩费用较低,对周围环境影响较小的优点,在桩基工程中的使用量越来越大。在静压桩施工中,终止沉桩时的压桩力是重要的指标,设计单位也往往以压桩力大小作为终止沉桩的控制标准,有些尚要求沉桩的终压力不小于设计的极限承载力。这对大部分桩基是偏于安全的,但也有些桩安全度则可能不足。静压桩的终压力与桩的极限承载力关系如何,以下通过具体工程的实测数据,对其相关关系做进一步分析。1 静压桩的压桩力与桩的极限承载力的区别压桩力是沉桩过程中使桩贯入土层所需的“动”压力,它包括桩端土动阻力及桩侧土的滑动摩阻力。沉桩过程中因桩周、桩端附近土体受到挤压、扰动而产生较高的超孔隙水压力,发生软化(粘性土)或稠化(粉土、砂土),土体抗剪强度降低,桩侧土体的摩阻力较静阻力大大降低,从而有利于桩的连续贯入。当土层强度较高时,沉桩阻力往往以桩端阻力为主。压桩力是一种“动”阻力,反应桩周、桩端土体对桩的动态支承能力。桩的极限承载力是在桩周、桩端土体中的超孔隙水压力消散,受扰动的重塑土重新固结,强度恢复后,在竖向荷载作用下,桩不发生稳定失稳或桩顶沉降量不超过某一数值所对应的承载力,是反应土体对桩支承能力的“静止”阻力。文献1表明,软土或粘性土中,在沉桩过程中桩侧土阻力降低,桩端阻力也降低,一般为静止阻力的013110倍,但当粘性土中有砂夹层(或在砂砾石层中),沉桩时与处于纯粘性土中的桩相比将会显著增大桩端阻力,其增大值可达50%100%,因此,压桩力与桩的极限承载力概念不同,性质不同,数值大小也不同,两者不可进行简单等同。静压桩沉桩阻力主要由桩侧动摩阻力及桩端动阻力构成,总体上可将静力法计算桩承载力的理论公式进行修正后得到,由式(1)估算。P=Uliqsik+qpkAP(1)式中 P 压桩力,kN;46Industrial Construction Vol135,No12,2005工业建筑 2005年第35卷第2期U 桩身截面周长,m;li 桩穿越第i层土的厚度,m;AP 桩端截面积,m2;qsik 桩侧第i层土的极限侧阻力,kPa;qpk 桩端土的极限端阻力,kPa;静压沉桩时的桩侧土摩阻力系数;静压沉桩时的桩端土端阻力系数。2 工程实例分析标贯试验是岩土工程勘察中最常用方法之一,标贯击数N值的大小反应土体强度高低。桩侧摩阻力、桩端阻力大小随标贯击数增大呈非线性增长,并具有较好的对应关系,文献2通过大量的统计分析,得出用标贯击数估算预制桩单桩极限承载力的经验公式如下:Quk=Uliqsik+qpkAP(2)式中 Quk 桩的极限承载力,kN;qsik 第i个标贯点标贯击数估算的桩侧土极限侧阻力,kPa;qpk 用标贯击数估算的极限端阻力,kPa。qsik、qpk按式(3)式(6)计算:砂土qsik=140thNsi30+0107(3)qpk=12 000thNp25-0105(4)粘性土qsik=130thNsi24+0105(5)qpk=8 000thNp25-011(6)式中 Nsi 桩侧第i个标贯点的标贯击数;Np 桩端附近土层标贯击数,取桩尖以上和以下各4D范围内(D为桩径)标贯击数平均值。因此,可通过试桩桩侧、桩端土层的标贯成果,求得静压法沉桩过程中不同深度处桩的极限承载力,并与相应深度的压桩力进行对比。211 粘性土中压桩力与承载力福州某工程1,基础采用 500 PHC预应力管桩,桩端持力层为残积土,采用静压法沉桩,场地内试桩位置附近土层如下:1)杂填土,厚度116212m,标贯击数N=34击;2)粘土,厚度0114m,N=35击;3)淤泥,厚度116314m,N=12击;4)粉质粘土,厚度316319m,N=511击;5)坡积土,厚度115211m,N=1216击;6)残积土,厚度21142413m,标贯击数N=543击,呈上小下大。利用试桩附近钻孔的标贯试验成果,根据式(2)式(6)计算单桩极限承载力,52号桩(桩入土深2910m)及103号桩(桩入土深3310m)沉桩过程中的实测压桩力P及计算的单桩极限承载力Quk与桩入土深度关系见图1。QukP随深度变化结果见图2。1-52号桩压桩力;2-52号桩极限承载力;3-103号桩压桩力;4-103号桩极限承载力图1 粘性土中压桩力或承载力与桩入土深度关系1-52号桩;2-103号桩图2 粘性土中QukP与桩入土深度关系比较结果表明,桩的极限承载力随深度变化的规律与压桩力随深度变化的规律相似,在深度6m以内,粘性土中桩的极限承载力Quk小于压桩力P,QukP在01473110间,深度大于6m以后,粘性土中的极限承载力Quk大于压桩力P,QukP在1103127间,平均值为2123,该值大小随深度变化而波动,反应出土体强度及压桩速率变化及接桩停歇等的综合影响。根据实测压桩力按公式(1)进行反算,桩侧摩阻力折减系数=013014,桩端土端阻力系数=01500170。56静力法沉桩的压桩力与桩的极限承载力 刘俊龙212 砂性土中压桩力与承载力福州某工程2,基础采用 500 PHC预应力管桩,桩端持力层为细中砂,采用静压法沉桩,场地内试桩位置附近土层如下:1)填砂,厚度411413m,N=316击;2)淤泥夹砂,厚度119214m,N=48击;3)中砂,厚度8151112m,N=916击;4)淤泥质土夹砂,厚度8181217m,N=422击;5)粉质粘土,厚度014210m,N=5击;6)细中砂,厚度2022m,N=1335击。利用桩附近钻孔的标贯试验资料采用式(2)式(6)计算单桩极限承载力,89号桩(桩入土深3710m)及90号桩(桩入土深4513m)沉桩过程中的压桩力P及极限承载力Quk与桩入土深度关系见图3。QukP随桩入土深度变化的曲线见图4。1-89号桩压桩力;2-89号桩极限承载力;3-90号桩压桩力;4-90号桩极限承载力图3 砂性土中桩的压桩力和极限承载力与桩入土深度关系1-89号桩;2-90号桩图4 砂性土层中QukP与桩入土深度关系比较结果表明,桩的极限承载力随深度变化的规律与压桩力随深度变化的规律相似,在深度1014m以内,砂性土中的极限承载力Quk小于压桩力P,QukP在01194110间,深度大于1014m以后,砂性土中的极限承载力Puk大于压桩力P,QukP在1101160间,平均值为1123,该值总体上没有随深度增大而增大的现象。根据实测压桩力按式(1)进行反算,桩侧摩阻力系数=016018,桩端土端阻力系数=0180112。3 静压桩的恢复力静压桩的恢复力指桩的极限承载力与终止压桩力的比值。从以上分析知,因为静压沉桩过程中桩侧阻力降低,因此多数情况下,桩的极限承载力大于静压桩的终压力。桩侧、桩端土强度恢复,是由于桩周、桩端土超孔隙水压力消散,土体重新固结,强度得以提高。因为不同土类超孔隙水压力的消散速率差异很大,孔隙度较大的砂类土、砾卵石类土中孔压消散很快,土体强度一般在几十分钟到几天内就能大部分恢复,而排水效果差的粘性土,强度一般则需几十天到几年才能慢慢恢复,即粘性土中的桩承载力具有较强的时效性3,因此,不同土中桩的恢复力是不同的,该值还与桩侧、桩端土的土体结构、组成及压桩速率、压桩及试桩间歇时间等有关。下面通过收集到的266根位于不同持力层,桩长2115119m,桩径200mm200mm500mm500mm或 400 500的静压预制桩的实测压桩力及极限承载力结果,对桩的恢复力进行分析。以下压桩力特指终止沉桩时的压桩力,由于压桩过程中若在间隔一时间后进行复压,压桩力将有不同程度的提高4,因此,本次统计的压力值特指连续沉桩过程中“初压值”,由压桩机上经标定后的压力表换算测得,桩的极限承载力根据桩的静载荷试验确定。当载荷试验结果能判定桩的极限承载力(按(G B50007-2002)5附录Q中的相关标准确定)时,直接取用测定的极限承载力。若载荷试验未能直接得出极限承载力时,当最大加载下的桩顶沉降量超过15mm时,采用双曲线法6推算桩的极限承载力,当桩顶沉降量小于15mm时,暂按最大加荷量提高12级荷载取为桩的极限承载力进行统计。311 粘性土中桩的恢复力本节所指的粘性土指砂粒含量较少的粉质粘土、粘土、淤泥(质土)等土层。共收集对比试桩48根,桩长51037130m,桩的恢复力QukP与入土深度的关系见图5。统计结果表明,粘性土中,桩的极限承载力一般大于终压力,QukP在01882157间,平均值为1169。由于粘性土中桩的时效性较明显,少数桩的恢复力小于1的情况,是由于静载试验时间与压桩施工时间间隔较短,极限承载力尚未完全恢复所至。采用最小二乘法对QukP与桩入土深度的关系进66工业建筑 2005年第35卷第2期行拟合,结果表明:总体上QukP随桩入土深度增加有增长的趋势,但相关关系不大。回归方程:QukP=01016 9h+113439R2=01161 8图5 粘性土中QukP与桩入土深度的关系312 残积土中桩的恢复力共收集桩端持力层为残积土的试桩71根,桩长6104414m,桩的恢复力QukP与入土深度的关系见图6。回归方程:QukP=01189 7lnh+01671 8R2=01066 1图6 残积土中QukP与桩入土深度的关系统计结果表明,残积土中,桩的极限承载力一般大于终压力,QukP在01862187间,平均值为1129,部分桩的恢复力小于1的情况,大都是由于静载试验时间与压桩施工时间间隔较短,桩承载力的时效性所至。采用最小二乘法对QukP与桩入土深度的关系进行拟合,结果表明:总体上QukP随桩入土深度增加有增长的趋势,但相关关系不明显。313 强风化岩层中桩的恢复力共收集桩端持力层为强风化岩中的试桩30根,桩长51547150m,桩的恢复力QukP与桩入土深度的关系见图7。统计结果表明,QukP在01601122间,平均值为110,当桩入土深度较小(小于12m),静压桩的恢复力往往小于110,中长桩的极限承载力与桩的终压力总体上相差不大。采用最小二乘法对QukP与桩入土深度的关系进行拟合,表明QukP与桩入图7 强风化岩中QukP与桩入土深度的关系土深度的关系可用二次方程拟合,公式如下:QukP=-01000 9h2+01053 1h+01430 7 相关系数R=0186。314 砂性土中桩的恢复力共收集桩端持力层为砂类土(粉细砂、中砂、粗砾砂等)中的试桩82根,桩长919247135m,桩的恢复力QukP与入土深度的关系见图8。图8 砂性土层中QukP与桩入土深度的关系回归方程:QukP=0107h+111455R2=010013统计结果表明,砂层土中,桩的恢复力较小,QukP在01791183间,平均值为1117,总体上桩的极限承载力略大于终压力,桩侧粘性土层厚度较大的,桩的恢复力亦大。采用最小二乘法对QukP与桩入土深度的关系进行拟合,结果表明:总体上QukP随桩入土深度变化不大,且相关关系不明显,即砂层中桩的恢复力及入土深度关系不大。315 砾卵石层中的桩的恢复力共收集桩端持力层为砾卵石层(圆角砾、碎卵石回归方程:QukP=01007 7h+01906 2R2=01214 3图9 砂卵石层中QukP与桩入土深度的关系76静力法沉桩的压桩力与桩的极限承载力 刘俊龙等)中的试桩35根,桩长211051190m,桩的恢复力QukP与桩入土深度的关系见图9。统计结果表明,QukP在01801167间,平均值为1113,砾卵石层中的短桩(桩长小于1015m)恢复力较小,常小于110。因为静压桩进入砾卵石层中的深度一般不大,桩长范围内的桩侧土层大都仍以粘性土及砂土为主,当桩侧粘性土层厚度较大时,桩的恢复力亦大。采用最小二乘法对QukP与桩入土深度的关系进行拟合,结果表明:总体上QukP随桩入土深度增加有增长的趋势,但相关关系不明显。4 结 语1)静压桩的压桩力不同于桩的极限承载力,两者概念不同,性质不同,数值大小也不同。从统计结果表明,桩的恢复力受场地土内部的排水条件、土类、土层结构及沉桩速率、接桩间歇时间、试桩前休止时间等影响较大。在粉、砂粒含量较少的纯粘性土中桩的恢复力最大,且粘性土强度越低,恢复力越大(但时效性较长),其次为残积土、砂性土及砾卵石、强风化岩等。2)静压力的极限承载力与压桩终压力关系的规律性不明显,目前尚难找出较可靠的表达公式。粘性土及残积土层中的静压桩,总体上桩的恢复力随入土深度增加有增大趋势,但两者相关关系不明显。砂类土层中的静压桩,桩的恢复力与桩的入土深度关系不大。3)对266根静压桩终压力及极限承载力的统计表明:粘性土中桩的恢复力平均值为1167,残积土中桩的恢复力平均值为1129,强风化岩层中桩的恢复力平均值约为110,砂类土层中桩的恢复力平均值为1117,砾卵石类土层中桩的恢复力平均值为1113。对入土深度较浅(1015m以内),持力层强度较高(如强风化岩、砾卵石等)的桩的恢复力往往小于110,粘性土中的中长桩的恢复力大部分大于110。因此,当设计要求施工中桩的终压力大于设计计算的极限承载力时,对粘性土中的中长桩大部分偏于保守,对桩端持力层强度较高的砂、砾卵石、强风化岩层中的短桩,安全度则略有不足。4)静压桩的压桩力可采用修正的静力法计算桩极限承载力的理论公式,按式(1)及式(3)式(6)进行计算,静压沉桩时的桩侧土摩阻力系数及桩端土端阻力系数因土类及沉桩速率、间歇时间等的不同而不同,一般可取013018,可取015112,粘性土取小值,砂类土取较大值。具体数值尚有待在更多工程中积累相关经验。参考文献1 桩基工程手册 编委会.桩基工程手册.北京:中国建筑工业出版社,1995.4694752 刘俊龙 1 用标贯击数估算单桩极限承载力 1 岩土工程技术,2000(2):88913 孙更生,郑大同 1 软土地基与地下工程 1 北京:中国建筑工业出版社,1984.5165214 韩选江 1 静压桩的压桩力和承载力的试验研究.建筑结构学报,1996.17(6):71775 刘俊龙 1 双曲线法预测单桩极限承载力的讨论,岩土工程技术.2001(4):2042076 张明义,等 1 预制桩静力贯入层状地基的试验研究 1 岩土工程学报,2000,22(4):4904927 杨根喜,等 1 小型静压桩压桩力系数取值方法的探讨 1 工程勘察,2002(5):3839(上接第59页)难。本文在扩展应用ANSYS有限元程序基础上对该塔架结构形状及杆件截面选择作了一些探讨。从表1 优化前后塔架各工况下特性比较塔架特性工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7优化前最大应力MPa269214194316517261285优化后最大应力MPa113867911718496119优化前最大位移mm231234102247436243259优化后最大位移mm1039243120291134142优化结果可以看出,杆件应力充分优化,结构总体位移减小很多,结构重量也减少了8116%,表明本文介绍的方法和程序可以对异型塔架结构进行优化设计。当然,文中进行的优化设计还是很初步的,有许多问题有待于作进一步的研究。我们相信,随着研究的深入,优化设计的理论和方法不断完善,优化设计必将受到广大工程设计人员的青睐,在工程设计中得到广泛应用。参考文献1 江爱川.结构优化设计.北京:清华大学出版社,1986.1191452 刘正兴.结构分析程序设计基础.上海:上海交通大学出版社,1988.1503 朱伯芳,黎展眉 1 结构优化设计原理及应用 1 北京:水利电力出版社,198886工业建筑 2005年第35卷第2期