浅析静压桩终止压力与单桩极限承载力设计的联系

1、浅析静压桩终止压力与单桩极限承载力设计的联系摘要：在建筑领域中桩基础已有近百年，并逐渐趋向于成熟。但是我国现行的建筑桩基技术规范（JGJ94 2008），对于桩基施工过程中的动态分析几乎没 有涉及。对于静压桩工艺施工预制桩而言，很多技术人员仍然认为沉桩力（过程 力或终止压力）与桩的极限承载力之间存在必然的数学关系。关键词：静压桩；单桩极限；承载力设计、八刖言我们从静压桩施工基本原理及单桩极限承载力恢复的基本条件入手，对黄河三角洲软土 地区某高层住宅桩基施工过程中存在静压桩终止压力不足的情况进行了理论分析和试验验证， 得出了静压桩终止压力与单桩的极限承载力之间的关系，从而为该建设项目的优化设计提

2、供 了理论基础。1工程概况黄河三角洲软土地区某高层住宅项目，共计18栋高层住宅，地下1层，地上最低的9层， 最高的17层，总规划建筑面积约16万m2。基础采用预制钢筋混凝土管桩PHCA400（95），PHCA500 （110），桩长度有多种，其中最长的为25m，最短的为22m，采用静力 压桩方案。在施工刚开始时发现静压桩终止压力小于单桩的设计极限承载力标准值，部分小 于单桩的设计极限承载力标准值的85%，故暂停施工。按以往工程经验和惯例，多采用加长 桩长的方式以确保单桩的设计极限承载力，一般加长长度为35m。综合考虑桩一土共同作 用的时效性，认为在饱和软土中单桩极限承载力在沉桩完成后会有一定程

3、度的增长，通过理 论分析计算和现场单桩极限承载力试验，确定了不改变桩长而是充分利用桩的恢复力以保证 单桩极限承载力的方案。2问题的提出项目所处场地属河流冲积平原，地势平坦，土层层序清楚且厚度较为均匀，按以往的工 程经验，压桩力一般均在单桩的设计极限承载力以上。结合本工程实际情况，有如下问题需 要分析研究：（1）静压桩终止压力能否代表单桩的设计极限承载力？若不能代表，终止压 力过小说明了什么问题？ （2）静压桩终止压力与单桩的实际极限承载力是否存在一个与时 间有关的函数关系？（3 ）考虑时间效应时，单桩的实际极限承载力能恢复多少？能否达到 单桩极限承载力标准值以上？2.1两个基本概念在分析问题之

4、前需明确两个基本的概念，即静压桩的沉桩力和单桩极限承载力。静压桩 的沉桩力是沉桩过程中桩刺透地基土、灌入土层过程中所需的静压力，也就是使桩能够近似 匀速地沉入地基土中。因此，沉桩力是一个作用力和反作用力之间的动态静平衡，其中桩的 位移是主要变化量。而单桩极限承载力是单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适 于继续承载的变形时所对应的最大荷载，一般取竖向荷载一沉降（Qs）曲线或沉降一时间 对数（slgt）曲线的骤变点对应的荷载。也就是在一定荷载值或时间内，桩位移是静态动平 衡。此时，桩的位移是主要控制量。2.2静压桩沉桩基本原理与打入桩类似，静压桩也属于挤土桩。静压桩在压桩初始时，桩底面宏观

5、上可视为尺寸 较小的圆形基础，基础下地基所受压力超过地基抗剪极限强度时，土体发生冲切、剪切破坏， 桩体刺入地基。随着桩底面土的塑性破坏，土体被向下和侧向压缩挤开，桩侧土体产生塑性 扰动而发生结构性破坏。对于饱和黏性土，由于瞬时排水固结效应不明显，土体中孔隙水受 冲切挤压作用产生不均匀水头，即超静孔隙水应力。2.3静压桩的沉桩力计算模型由2.2节可以看出，静压桩的沉桩力由三部分组成：（1）桩端土体发生冲切、剪切破坏 的破坏力；（2）桩侧土体对桩体产生的动态摩阻力；（3）桩周受扰动土体对桩体产生的超 孔隙水压力。由此可见，沉桩力Q由桩端和桩侧土体的抗剪强度决定，计算公式如下：Q = 61S1A +

6、 62U2q sik Li （1）式中：S1为桩端土体的抗剪强度；A为桩的桩端横截面面积；U为桩身横截面周长；qsik 为桩侧第i层土的抗剪强度；Li为第i层土厚度；61, 62为分担系数。值得指出的几点是，静力触探常用探头尺寸远小于预制桩的桩端尺寸，一般在10倍及以 上，考虑两者间的尺寸效应，沉桩力与桩入土深度的曲线不会像静力触探时的同类曲线那样 受土层薄夹层或局部不均匀的影响而产生突变。因此，本文采用修正的静力触探比贯入阻力 加权平均值qc来计算桩端阻力，而通过将桩端视为发生冲切、剪切破坏的圆形基础来计算桩 端沉降反力。另外，由于土质和地下水位的差异，工程实践中估算沉桩过程中的超孔隙水压

7、力较困难，本文将超孔隙水压力附加在桩侧阻力中，以求简化计算。3计算与分析3.1管桩沉桩力与入土深度的试验曲线本文将沉桩过程中的沉桩力合并为两部分：桩端地基土发生动态冲切、剪切破坏力和考 虑超孔隙水压力的桩侧土体动态摩阻力。笔者通过对施工现场的15根22m长的PHCA400 (95)管桩(送桩4m)的沉桩力数据进行对比分析，挑选出4根具有代表性的管桩进行分 析，其沉桩力与入土深度的关系曲线如图1所示。图1管桩的沉桩力与入土深度的关系曲线由图1可见：(1)在入土深度为510m区间和1620m区间沉桩力变化较平缓，且 随入土深度的增加，沉桩力总体上呈现下降趋势，与常规的入土深度越大桩阻力越大相悖。

8、因此可以判断由于桩侧土体发生塑性破坏，入土深度对沉桩力的影响较小。在入土深度为1214m区间、2223m区间以及2527m区间沉桩力达到极大值， 分别称为第I，口，皿极大值，第I极大值所处深度与持力层第粉土层深度吻合，第皿极 大值所处深度和第粉土层深度吻合，且第口，皿极大值点之间的拐点位置恰位于第粉 土层中的软弱夹层，这表明持力层地质特性决定了沉桩力的大小。试验所得的沉桩力入土深 度曲线的变化趋势与勘察报告中采用静力触探所得到的沉桩力-入土深度曲线的趋势基本相同， 但前者变化较为平缓，拐点和突变较少。第皿极大值后压桩力的下降主要是因为沉桩最后1m左右时设备由快压调为慢压， 导致桩端超孔隙水压力

9、降低所致。同时这也说明压桩速率越大，桩端超孔隙水压力越大，所 需瞬时压桩力越大。各极大值点之间出现极小值点，主要是由于桩端由持力层进入软弱层后超孔隙水压 力有所下降所致。3.2简化计算模型沉桩力与单桩极限承载力之间没有必然的数学联系，但是，为满足工程需要，根据沉桩 力与管桩入土深度的关系，有必要建立由地基土的地质特性来估算沉桩力的关系式，即式 (1)的简化应用式。为简化计算，本文假设桩端穿透素填土后其管堵系数为1.0，即认为管 桩端部为实心圆面，且素填土部分及桩管自重不参与计算。任取图1中两条曲线，在极值点 处联立方程，可得61=5.0，62=0.12。近似选取61=5.0，62 =0.12。

10、即得沉桩力的估算式：Q = 5.0S1A + 0.12U2qsikLi (2)本关系式可适用于桩端进入持力层后的压桩力极值估算。4静压桩承载力的时效性分析单桩在正常使用荷载及静载试验荷载作用下所表现出的受力特性与在沉桩过程中所表现 出的受力特性是显著不同的。由于在压桩过程中塑性区土体所受挤压应力较大，超孔隙水压 力较大，土体强度显著降低，随休止时间的增长，该区域土体强度明显恢复，故单桩极限承 载力的时效性提高主要应取决于该塑性区土体强度的增长。对于端承力所占比例较小的摩擦 端承桩(本地区主要为摩擦端承桩，端承力所占比例一般为18%25%)，由于桩侧土体在 沉桩过程中发生重塑和重新固结，从而导致

11、在沉桩完成后的一段时期内桩侧阻力也将有较大 的恢复，但是由于各地特别是软土地区的地质差异性较大，统一的概念性计算式尚未见诸报 道。我们在施工现场进行了 1，3, 9h以及24h等不同休止时间的沉桩力观测，观测数据表 明压桩结束24h内，单桩极限承载力有较大提高，其增幅超过20%以上，均达到单桩极限承 载力标准值以上。5结语沉桩力与单桩设计极限承载力之间没有必然的数学关系，在类似黄河三角洲软土地区，静压桩沉桩过程中的沉桩力主要由桩端所到达的土层的力学性质决定，由于桩周围土体的塑 性破坏，桩侧摩阻力对沉桩力影响较小。本地区饱和地基土中单桩极限承载力的时效性增长 主要表现在桩侧土体重新固结所造成的桩侧摩阻力的时效性增长，桩端阻力的时效性对其影 响较小。