浅析PHC管桩的土塞效应

沈阳建筑大学土木工程学院辽宁 110168

摘 要：桩基础的使用历史很久远，用的也很普遍。在沉桩过程中，随着沉桩的继续深入，涌入管桩内的土塞不断增高。当达到一定高度后，由于管桩内壁与土塞间的摩阻力作用而产生闭塞，由此土塞承担了部分桩端承载力，这种现象叫做“土塞效应”。 而土塞所承担的桩端承载力数值称为“土塞效应值”土塞效应值与与土质、管径、壁厚、桩的入土深度等因素有关，并影响着管桩的荷载传递及桩的竖向极限承载力。

关键字：开口管桩；土塞 ；土塞效应 ；承载力

中图分类号：U656.1+14 文献标识码：A

引言：土塞是开口管桩的显著特征。因为存在土塞与桩管内壁复杂的相互作用,使开口管桩的沉桩性状更复杂。目前对于开口管桩土塞效应机理尚缺乏统一的认识,在进行管桩设计分析时如何考虑土塞的影响是非常模糊的。为了真实地认识在外部荷载下开口管桩的沉桩机理及力学性状,首先是要正确认识土塞形成及发展的力学机理。本人主要从土塞的承载机理和破坏模式展开。

土塞的承载机理：

预应力管桩的荷载传递是通过管桩的内外壁和管桩底面三个途径实现的，桩的承载力构成如图1所示

Q = Qu =Qs+Qi+Qp

式中：Qs —管外壁与桩周土的极限摩阻力；

Qi —管内壁与土塞的侧摩阻力，即土塞效应值；

Q p—管桩管壁的极限端阻力；

Qu —管桩的极限承载力。图1

在沉桩过程中，当桩端压力较小、桩端土体变形处弹性阶段时，土塞不发挥

作用；随着桩端压力的增大，桩下土体就产生塑性变形，此时土塞的侧摩阻力自下而上开始逐渐发挥；当桩端压力达到土体承载力极限值时土体发生破坏，部分土体挤密后形成楔体并随桩端同步下沉；当土塞侧摩阻极限值小于桩端楔体对土塞的极限抗力值时，土塞产生相对于管内壁的向上位移。同时部分楔体进入管芯，

土塞高度增加。并随桩端同步沉降，并通过管内壁摩阻力使桩身与土塞产生结合，共同向土体传递荷载。土塞的产生增大了桩端与土体的作用面积，提高了管桩竖向承载能力。

（1）土塞的抗剪强度 QτQτ =2πr×τ×h （1）

式中：τ 为土塞柱的抗剪强度

（2）土塞与管壁之间的摩阻力 Qs当r =R 时， q s=τ ；

Qs =2πR×τ×h （2）

式中： q s为桩与管壁的摩擦应力；r 为核心土塞的半径

（3）土塞下方土体的极限承载力 QuQu =πR2×qu（3）

式中：qu 为土体的极限承载应力

土塞的发展与破坏：

1）土塞的核心破坏模式

当土柱的总剪切强度 Qτ ，既小于土柱与管壁之间的摩阻力 Qs ，又小于土柱下土体的极限承载力 Qu 时，即： Qτ ≤max( Qs , Qu )时，管桩在载荷作用下，土塞柱将首先发生核心破坏。

2）土柱的整体滑动模式

当土柱与管壁之间的摩阻力 Qs ，既小于土柱的总体抗剪强度 Qτ ，又小于土柱下土体的极限承载力 Qu 时，即： Qs ≤max( Qτ , Qu )时，土柱将表现为整体滑动。

3)由此可知，土柱的抗剪强度 Qτ 、土柱与管壁之间的摩阻力 Qs 、土柱下土体的极限承载力 Qu 三个主要因数的影响，在土塞发展和破坏过程中关系如下：

Qτ > Qs > Qu ；土柱完整、闭塞；

Qτ > Qu > Q s；土柱完整、滑动；

Qs > Qτ > Qu ；土柱完整、闭塞；

Qs > Qu > Qτ ；核心破坏；

Qu > Qs > Qτ ；核心破坏；

Qu > Qτ > Q s；土柱完整、滑动。

3.土塞效应的评价：

对于土塞效应闭塞程度的评价目前主要是通过现场试验确定土塞填充率（IFR）的值来预测土塞的闭塞程度，其表达公式为：

IFR=

IFR：土塞的填充率；

dH：桩端入土的单位长度；

dL：土塞的高度增量。

当IFR=0时，管桩内不再涌入土塞，土塞处于完全闭塞状态；IFR=1时，土塞的增量与桩贯入深度相同，土塞处于完全非闭塞状态；然而对于大直径开口桩土塞的高度会大于原土层面的现象，显然IFR＞1，用IFR的值来判断就不合理，所以对IFR的计算方法应该进行有效的修正。

此外，通过对管桩内土塞进行标准贯入试验和静力触探试验可以准确的得出土塞的端部承载力，在不同的土塞率和不同的土质中通过静力触探试验得到不同土质条件情况下，不同的土塞率与土塞端阻力与桩端阻力的比例关系

结语：管桩承载力主要由三部分组成：桩侧摩阻力、桩端阻力和土塞效应值构成。压桩过程中产生的压桩力与承载力呈正相关，一般情况下压桩力越大，单桩极限承载力越大；土塞效响主要由土体性质决定，其次与管桩桩长、桩端入土深度、土体孔隙水压力等因素有关。土塞效应主要通过管内壁与土塞间的侧摩阻力和增大桩端与土体的作用面积，进而对单桩竖向承载力产生影响。

参考文献

【1】《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）s.北京：中国建筑工业出版社.

【2】谢永健.超长PHC桩承载性状及土塞效应研究[D].上海:同

济大学,2005·

【3】杜来斌. PHC管桩土塞效应浅析[J].工业建筑, 2005, 35(增

刊):590-594.

【4】李韬,高大钊.开口管桩压入法沉桩土塞效应机理分析[J].地

质与勘探, 2003,39(8):273-275

【5】葛腾.PHC静压管桩土塞效应的研究.硕士学位论文，辽宁，沈阳建筑大学，2012

【6】张世峰、赵俭斌、史永强、孙传胤.静压管桩施工中的挤土效应及预防措施.辽宁岩土工程进展.2007

【7】陈勇、赵俭斌、刘坤..静压管桩承载力时效性的实验研究.第五届全国土木工程研究生学术论坛.