[12-11 17:00:56] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3257次
摘 要：通过系列载荷试验，该文研究了粉土中预应力管桩的单桩极限承载力的变化规律及时间效应，采用现场标准贯入试验，分析了粉土中预应力管桩的土塞特性、不同沉桩方式对桩周土力学性能的影响，得到了一些有益的结论。
关键词：预应力管桩；时效性；荷载试验；粉土 0 引言 粉土具有渗透性强、易液化、剪胀、剪缩等特点。受沉桩时挤土扩孔、振动的作用，粉土的物理力学性能会在瞬间发生巨大的变化，如粉土的扰动、液化等。这些变化对预应力管桩的工作性状产生了不可忽视的影响。 管桩有别于常规的预制桩，其在沉桩时并非完全排土，利于沉桩。同时，管桩在粉土中广泛应用，还基于避免了其它桩型的一些施工缺陷，如桩身质量难以保证，施工速度慢等。大量的现场观测及试验表明，不同桩径、不同桩长、不同沉桩方式对桩周粉砂土的应力状态及管桩的工作性状产生不同的影响。目前对沉入粉土中的管桩的力学机理已作了不少的研究，但大部分停留在模型及微观的力学分析上。本文力图通过桩内土塞、桩间土的力学性能随时间的变化及系列载荷试验，以期研究沉入粉土中管桩的工作性状。 1 试桩场地工程地质概况 野外试验场区位于杭州湾南岸某经济技术开发区。场区为第四系地层，主要为海相、河湖相沉积物，土层层序清晰且层面变化较小。工程勘察揭示土层分布如下：①粉土，饱和，稍密，层厚3.2m；②-l粉土，饱和，中密，层厚4.0m；②-2粉土，中密，局部夹粉砂，含少量粘性土，层厚3.4m；②-3粉砂，中密，饱和，层厚7m；②-4粉质粘土，可塑，局部流塑~软塑，层厚2m；②-5粉土夹粉砂，中密，饱和，层厚3.9m；③粉砂，中密，局部为粉土，层厚8m。土层主要物理力学指标见表l。 表1 土的物理力学指标 2 试桩条件 根据地质资料及场区拟建建筑物高度，一般采用②-3层粉砂作为桩端持力层。桩长选用13m，单节开口管桩，桩身混凝土强度等级C60。为了研究不同桩径、沉桩方式对沉入粉土中开口管桩的工作性状的影响，兼顾了后续野外试验的可操作性，设置4根试桩。各试桩间距为6m。沉桩速度控制在0.8m/s。载荷试验采用快速维持荷载法，利用高吨位静压桩机作为反力装置。载荷试验按休止期ld、7d、25d、60d进行。每次载荷试验均要求产生10cm以上的沉降以期桩周土产生扰动。各试桩工程概况见表2。 表2 试桩概况 3 土塞的工程特性 3.1 土塞高度 根据理论计算及模型试验可知，土塞高度与砂土的应力状态、直径及壁厚有关，同时与表层土的密实度及内摩角也有直接的关系。图1为4根试桩在沉桩过程中每沉入1m即刻量测到的桩内土塞高度的变化。从图l可以看出，在沉桩的初期，4根试桩内的土塞均以50%沉桩深度的速率上升。超过5m之后，1#、2#桩(内径ø260)的土塞几乎为零增长，即进入暂时的“全土塞”状态；而3#、4#桩(内径ø450)则在6.5m之后，才见土塞高度上升见缓；所有试桩在沉桩超过10m之后，土塞高度均又开始上升，直到沉桩结束才见增速减缓。从以上分析可知，桩内径愈小，则土塞高度越小，容易形成全土塞；全土塞的形成与桩端土的力学性能有关，强度愈低，如②-2层粉土，则容易形成全土塞。全土塞的形成与沉桩深度没有必然的关系。 分析图l还可发现，锤击沉桩的土塞高度较静压沉桩的高出15%左右。分析认为，锤击沉桩的振动扰动了土芯，同时锤击的冲击力更易使桩端土产生刺人破坏。 图1 土塞高度随沉桩深度的变化 3.2 土塞的工程特性 地基土进入管桩内形成土塞是一个极为复杂的过程，其会受到沉桩过程中的孔隙水压力的变化、剪切时的体积变化、振动的扰动等因素影响。土芯的物理力学指标与原状土截然不同，导致了研究土塞工作性状的困难。 在休止期为ld时，4根试桩内土塞的分层标贯击数见图2。由图2可见，土塞内的标贯击数分布极不均匀。所有试桩表层lm的土塞因受到扰动，土质变松，标贯击数低于原状土。分析静压桩(1#、3#)可见，桩端以上4倍桩内径的范围内，标贯击数增加最多，为对应原状土的2倍左右；其余区段标贯击数约为对应原状土的1.5倍。而锤击桩(2#、4#)，同为桩端以上4倍桩内径范围内，标贯击数只提高50%左右，而大部分土芯的标贯击数与原状土相当。由此可见，锤击的振动扰动了土塞，使其密实度不如静压桩的土塞。同样的理由，导致锤击桩的土塞高度大于静压桩。www.tmgc8.com 图2 土塞标贯击数与土塞深度的关系 4 管桩的载荷试验 4.1 桩间土的标贯试验 距试桩一个桩径处各土层的标贯击数与休止期的关系曲线见图3、图4。图中0时刻指沉桩前的原状土资料。由图3可见，除①层土外，沉桩后各土层的标贯击数迅速上升，以桩端②-3层粉砂最为明显，提高幅度近50%。表明粉土受静压沉桩的作用而挤密。但随着休止期的延长，挤土有一个松驰的过程，标贯击数缓慢下降。休止期为25d时趋于稳定，其值较原状土高出18%左右。.而①层土，则受到沉桩的挤土而松动，标贯击数先下降而后上升，25d后基本恢复原状。 分析图4可以发现，锤击沉桩与静压沉桩对粉土的挤密过程是不一样的。桩端土②-3层粉砂在沉桩后，贯入击数迅速上升，标贯击数由原状的20击上升为休止期1d时的29击。随后于25d后趋于稳定，击数为24，提高20%。而其它粉土层在沉桩后标贯击数有大幅下降，如②-2层由10击降为6击，需25 -d时间恢复至原状。由此可以判断，锤击沉桩的振动、挤土剪切，使得粉土内产生很高的孔隙水压力，局部土体存在液化现象。最终未见明显的挤密效果。 图3 静压桩间土各土层的标贯击数 图4 锤击桩间土各土层的标贯击数 4.2 极限承载力的时效性 沉入砂土中的管桩的极限承载力是随休止期而变化的[4]。依据前述要求设置的4根试验桩的极限承载力与休止期的关系曲线见图5。分析图5可见，锤击桩(2#、4#)的极限承载力随休止期而增长。前7d增长最快，增幅为25%。7d时试验值均达到了计算极限承载力。休止期从7d延长到25d，极限承载力的增幅为10%左右，之后其值趋于稳定。 静压桩(1#、3#)的极限承载力表现为休止期很短时(1d左右)，呈上升趋势。之后极限承载力随休止期缓慢降低。在休止期为7d{时，极限承载力高出计算值10%左右。25d时趋于一稳定值且低于原压桩力。 研究图5还可发现，同直径而不同沉桩方式的PHC桩，尽管前期的极限承载力高低不一，但休止期25d后基本趋于一致。本次4根试桩25d时的时间效应系数分别为0.92，1.33，0.97，l.39。 图5 单桩竖向极限承载力与休止期的关系曲线 5 结语 粉土中管桩的工作性状受土的液化等级、剪胀、剪缩及沉桩方式等因素的影响。综合上述试验分析可得以下几点结论： (1) 沉桩方式显著影响粉土中管桩的极限承载力的时效性。具体表现为静压桩的极限承载力先上升后下降再趋于一稳定值，该值略低于原压桩力；锤击桩的承载力则呈现稳步上升而后趋于同一极限值，该时的休止期为25d。研究表明休止期7d时的试验值作为极限承载力，前者倾向于不安全，而后者则意味着保守。 (2) 桩周土未发现最终因沉桩而产生大幅挤密，但桩端粉砂层的标贯击数有20%左右的提高。 (3) 管桩内土塞的标贯击数分布极不均匀，表现为上部呈疏松状，中部略好于原状土，而桩端4倍桩内径范围标贯击数约为原状土的1.5~2.0倍。锤击桩内土塞的高度高于静压桩15%左右，但土塞的标贯击数远低于静压桩。 参考文献 [1] 桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998. 张本达 (宁波港工程建设监理有限公司，宁波北仑31，5800) 2008/12