预制静压桩机压桩反力与预制桩单桩承载力关系分析

[摘要]静压法是静力压入桩沉桩施工的简称，它是通过静力压装机以自重及桩架上的配重作反力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。这种压桩工艺具有无噪音、无震动、施工场地小、成本低和可实现定量监测等优点，同时沉桩过程中桩身不出现动应力，可减少配筋。其中，可直接显示承载力是该工艺的最大优点。目前这种施工技术已引起了工程界的高度关注，在工程实践中的应用范围也越来越广泛。本文介绍了静压桩机沉桩以及预制桩单桩受力和承载机理，对静压桩机压装反力与预制桩单桩承载力的关系进行了分析，以供参考。

[关键词]静压桩 承载力 定量关系

[中图分类号] S611 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-342-2

静压法施工是使用施工机械将混凝土预制桩压入土层中的一种施工方式，以这种方式进行施工的桩被称为静压桩。与其它桩相比，静压桩的优点很多，诸如施工无振动、无噪音，适宜在精密仪器用房、危房及河口堤岸附近地区施工。在施工过程中，可实时显示和记录压桩阻力，可对整个施工过程进行定量观察；还可以控制终压值，对单桩承载力进行预估。为此，笔者通过对预制桩沉桩机理及单桩承载力发挥的理论分析，结合亲身参与的桩基工程的实践资料，对压桩反力与单桩承载力之间的关系进行了探讨。

1静压预制桩沉桩机理

静压桩属于挤土桩，沉桩的时候会使桩周围的土颗粒产生运动变形，也扰动了原状土的初始应力状态。首先，桩尖会使土发生剪切破坏，其中的孔隙水在冲剪压力的作用下形成不均匀的水头，从而产生一种急剧上升的超孔隙压力，直接影响到土体结构。在桩的贯入过程中这种状态会连续向下传递，使周围一定范围内的土体形成塑性区，为桩身的继续贯入创造了条件。压桩的阻力主要来源于向下穿透土层时冲挤桩端土体的端阻力，还有一部分来自桩侧的滑动摩阻力。桩尖处土体的软硬程度不同，压桩的阻力就会产生相应的波动。沉桩结束之后，桩周土体中的孔隙水压力也会随着时间的推移而逐渐消散，而土的抗剪强度及侧摩阻力会得到恢复和提高，桩也随之获得较大的承载力。通常情况下，与其它地基相比，静压预制桩在软土地基上获得的单桩承载力更高。在静压法沉桩过程中，贯入时所受到的阻力不是静态阻力，与锤击法施工时的动态阻力也不一样。土的性质、土层排列情况、持力层埋深、硬土层厚度、桩数和桩距、工序及进度等因素都会对沉桩阻力的大小和分布规律产生影响。通常情况下，桩尖阻力和桩侧阻力不是固定不变的，它们在沉桩阻力中的比例是一个变值。桩入土较深时，桩侧阻力也会随之增大，反之则桩端阻力较大。桩尖处的土层较硬时，桩端阻力也会明显增大。穿透硬土层进入软土层之后，桩尖阻力大幅下降，沉桩阻力则明显减小。

使用静压法沉桩时，桩尖阻力能够反映其附近范围内土体的综合强度，桩的尺寸和桩尖处土体的破坏机理决定了这一范围的大小，它直接受到附近处土层的密度和天然结构强度、土层的排列情况和分布厚度、进入土层的深度等多种因素的影响。大量的工程实践证明，对于粘性和非粘性土来说，在施工过程中静压桩的桩端阻力及后期的承载力变化情况并不是一致的。

2预制桩单桩受力及承载机理

使用静压法施工时，竖向荷载会逐步的作用于桩顶，首先受到竖向压缩的是桩的上部，由于预制桩的整体性较好，桩身强度高，因此桩身的压缩量很小，在荷载的作用下，桩会相对于桩周土出现向下位移的情况。与此同时，桩身表面受到桩周土的摩阻力作用，桩身荷载通过摩阻力向桩周土层传递，这样一来，桩身荷载和桩身压缩变形则会随着入土的深度发生递减。如果桩土的相对位移为零，桩身的侧摩阻力也为零。当桩身荷载继续加大时，其压缩量和位移也会随之增大，下部摩阻力就会逐步的发挥作用，部分荷载也因此被传递给桩端土层，在进一步的压缩下就会产生桩端阻力。同时，桩端土层的压缩也会使桩土的相对位移加大，桩侧摩阻力也得到了充分发挥。发挥至极限之后，如果接着增加荷载，桩土的相对位移也会继续增大，在桩的总侧摩阻力保持不变的情况下，桩端阻力将会承担全部的荷载增量。在这种情况下，如果继续增大荷载，则会使桩端持力层大量压缩和塑性挤出，导致桩端阻力达到极限而破坏，此时静压桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。

3静压桩机压桩反力与单桩承载力的关系分析

通过对静压桩的沉桩机理及承载机理进行分析，我们认识到静压桩的压桩反力与单桩承载力在定量方面存在着某种关系。按照《桩基技术规范》JGJ94—2008规定的方法，根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，单桩极限承载力的标准值可采用以下的公式来进行计算：

qsik是指桩侧第i层土极限侧阻力的标准值；qpk指极限端阻力的标准值；li指桩穿越第i层土的厚度；u为桩身周长；Ap则为桩身的截面积。由上文可知，静压桩压入过程中需要克服的阻力主要有压桩端阻力和桩侧动摩阻力。因此，静压桩压桩力终值Pend 应为压桩端阻力与动侧摩阻力之和。用公式表示如下：

以上公式中：m是指桩端阻力折减系数；n是指动摩擦力与静摩擦力的比值。为了对压桩力与静压桩承载力之间的关系进行分析，我们选取了相应的工程实例进行研究，具体参数见表 1。如表 1 所示，在工程实例中桩尖持力层均为粘性土层，上式中的 m 值取 0.82，n 值取 0.43 时，该公式与工程实际较为接近，因而可将其作为工程实践的参考。从公式（2）来看，当桩端承载力Qpk 所占的比例>34.5%时，沉桩阻力主要来自桩端阻力；当桩侧摩阻力Qpk 所占的比例> 65.7%时，沉桩阻力则主要来源于动侧摩阻力。总而言之，在桩基施工过程中，可根据地基土的性质对单桩极限承载力进行预估，再将预估的单桩桩端承载力数值和桩侧摩阻力的数值代入公式（2）推得压桩力，以其作为桩基施工时确定沉桩设备及压桩力的参考。

4研究二者关系的工程意义

以上关系式表明，如果桩尖持力层为粘性土层，静压桩压桩力值与承载力值的数值比应控制在 0.82～0.43 之间。这就是说，预制桩的压桩力与承载力之间的比值应介定于有限的范围之内，不能无限增大，也不能随意缩小。如果超出了这一特定范围，应及时查明原因，施工人员在施工中也要谨慎，积极采取措施来保证工程施工的安全和质量。从有关资料来看，在同一土层中，桩的压桩力变化幅度很小，桩尖阻力以克服桩体冲剪土体向下穿透时的桩端阻力为主，压桩时所记录的压桩力值可以证明这一点。压装力值与深度的递增没有直接的关系，当桩尖达到土层的分界面时才会发生相应的变化。在静压预制桩桩基工程中，由于工期比较紧迫，往往未经试桩和静载荷检测就进行施工，这时候就需要重视压桩机的选型问题。在实际工程中，大型桩机不够经济，小型桩机的压桩力又不足，难以满足设计要求。因此，我们可以先计算出压桩力，然后据此选择合适的桩机。

5 总结

综上所述，一方面，静压桩机压桩反力与单桩承载力的概念不同，二者之间的关系是个变数；另一方面，静压桩机压桩反力与单桩承载力又具有较为复杂的关系。静压桩压桩力与桩端土的侧壁动摩阻力、抗冲剪阻力关系密切，与摩擦桩相比，端承柱的压桩力与承载力的比值要大一些。静压桩的压桩力和承载力之间的相关性可以进行定量估算，如果是同一工程，可以通过静压桩的压桩力和桩端土的端阻力推算出单桩承载力。以持力层为粘性土为例，其压桩系数一般在0.50～0.70之间，方桩的长径较小及液性指数较大的时候压桩系数则比较小，反之则偏大。为了确保安全，压桩系数不能小于0.50。因此，对二者的关系进行研究，可以为静压桩的合理、安全施工提供参考。

参考文献

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