铁路路基静压桩承载力时效性分析

摘要：近年来静压桩在铁路路基施工中得到普遍应用。但是由于静压桩和灌注桩等非挤土桩有着较大的区别，文章对静压桩的沉桩机理及承载力的实效性进行了实例分析，以期望能为同行提供相应的经验借鉴。

关键词：静压桩；铁路路基；实效性

静压桩是借助压桩机械将钢筋混凝土预制桩（钢管桩）压入土层的桩，具有施行生产线预制，施工过程无振动、干扰小，施工速度快，桩身强度高，混凝土用量少且单方传力大，成桩质量可靠性高等优点，近年来得到广泛应用。

确定桩的承载力关系到工程的安全性与经济性，但其影响因素很多，静压桩的沉桩特性更是与灌注桩等非挤土桩有较大区别。

1 静压桩沉桩机理

静压桩沉桩过程中，桩所遇阻力由桩端阻力和桩侧阻力组成。当桩在静压力作用下贯入土层时，桩周土体受到剧烈挤压。首先桩尖直接使土产生剪切破坏，扰动土体结构，土体中孔隙水受挤压作用形成不均匀水头，产生超孔隙水压力，这种破坏和扰动随桩的贯入连续不断地向下传递，使桩周一定范围内土体形成塑性区，从而使桩身继续贯入。

实测表明，贯入阻力主要来自桩端阻力，而桩尖土阻力反映桩尖处附近范围内土体的综合强度特性，这一范围的大小决定桩的尺寸和桩尖处土体破坏机理，与桩尖附近处土层的天然结构强度和密度、土层分布厚度和排列情况、桩尖进入土层的深度等多种因素有关。

沉桩完成后，随着时间的推移，桩周土体中孔隙水压力逐渐消散，土粒、离子和水分子逐渐趋于新的平衡，桩侧土在自重应力和沉桩扩张应力共同作用下固结，土的有效应力和密实度逐渐增大，强度逐渐恢复甚至超过原始强度。

2 静压桩承载力时效性

静压桩承载力随时间增加而增加的现象即为时效性，主要表现在黏性土中。沉桩过程中有挤土桩和部分挤土桩之分，如预制方桩和预制管桩，其挤土效应强度不同，承载力时效机理基本相似，主要表现在以下几个方面。

2.1 土的触变恢复时效

沉桩时桩周土被挤压扰动后，强度降低，触变作用使损失的强度随时间增长而逐渐恢复。沉桩过程与十字板试验测定的饱和土扰动后不排水抗剪强度机理类似，当桩休止一定时间后，压桩力大幅上升。土的灵敏度反映了黏性土的结构性强弱，因此，桩的承载力与桩周土灵敏度有一定关系。

2.2 固结时效

沉桩结束后，超孔隙水压力从高压力区向低压力区消散，从而使桩周土产生固结。

2.3 完全塑性区方面

沉桩的挤土作用使土层受到竖向压力和侧向压力，贯入过程使桩周附近的土成为完全塑性区。短时间内逐步形成紧贴在桩身表面的薄土层，该土层抗剪面发生在完全塑性区与部分扰动区交界面，使桩侧表面积增大，加大了桩的侧阻力。根据测试实践，单桩承载力主要部分为桩侧阻力。

3 承载力时效性实例分析

试验在某高速铁路路基基础进行，采用预应力高强度管桩（PHC桩），属于部分挤土桩，减少了挤土效应的影响。线路走向采用几种不同桩长的桩型进行试验，确定其在不同时间内的承载力。场地地质条件经过现场勘查，主要有6层。

对12根桩进行沉桩试验，试验情况及结果见表1。静压桩沉桩过程能够显示压桩力，据此可绘出压桩力随压入深度的变化曲线，为分析问题提供一种显式边界铁路路基静压桩承载力时效性分析条件，将隐蔽工程地层阻力信息明朗化。代表性曲线见图1。

压桩阻力主要来自桩尖向下穿透土层时直接冲挤桩端土体的阻力，其余来自桩侧的滑动摩擦阻力（这一点与静力触探相似）。S6号桩桩身下部土层阻力基本维持在500 kN左右，至桩底进入持力层后明显加大；S9号桩桩身下部至桩底土层阻力不变，桩尖没有进入持力层，但前期压桩力较大。由图1可知，压桩阻力并不一定随桩的入土深度增大，而是随着桩尖处土体软硬程度不同等因素变化波动。

在进行确定单桩承载力的静载试验中，试桩桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，终止试验。Q-s曲线呈陡降形，取其发生明显变化起始点对应的荷载为单桩竖向极限承载力，所做静载荷试验代表性曲线见图1。

图1压桩力-深度曲线

图2数据表明，时效性方面，沉桩经过较短时间后，承载力大幅提高，表明桩周土应力消散，强度提高，后期承载力提高较慢。如S6号桩沉桩后9天的单桩承载力较19 h提高20.3%。

根据单桩承载力较沉桩压力的提高幅度与间隔时间绘制图3所示桩承载力增长曲线。

由图3可知，承载力基本呈双曲线型增长。图中两条曲线在间隔时间相近条件下，桩长＞30.0 m的桩承载力提高率较大，桩长＜30.0 m的桩承载力提高率明显低于前者。这是因为桩长不同，桩周土层差异造成的。土层影响方面，根据表2承载力与压桩力二者比值一项可分为以下三种情况：桩长在24.0～26.0 m的4根桩，比值在1.04～2.32；桩长在29.0～30.0 m的4根桩，比值在1.95～3.31；桩长在32.0～36.0 m的4根桩，比值在2.75～3.41。因此，比值的增长与桩长呈正比关系，桩长越长，比值越高。

4 结束语

通过以上承载力时效性分析可知，静压桩的承载力呈双曲线形增长，前期承载力提高幅度较大；桩承载力增长来源主要依靠侧摩擦阻力的增大，桩端阻力对承载力时效性影响较小。另外，根据场地土层和桩长影响，沉桩入土越深，阻力增长越大，土层性质对静压桩承载力影响至关重要。

参考文献

[1] 中华人民共和国铁道部．TB10218―2008铁路工程基桩检测技术规程[M]．北京：中国铁道出版社，2008

[2] 徐至钧，李智宇．预应力混凝土管桩基础设计与施工[M]．北京：机械工业出版社，2005

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。