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温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 21 温州地区静压空心桩若干问题研究 摘要 本文针对温州地区在推广应用预制空心桩过程中遇到的问题，研 究了预应力管桩的施工终压标准及其挤土规律。根据预应力管桩的工 程现场原位测试结果，分析了温州软土地区管桩施工的沉桩阻力，并 ， 得出沉桩阻力估算公式。( 对沉桩阻力随休止时间的变化规律进行了分 析，并得出沉桩阻力时间拟合公式。同时对管桩终压力与桩极限承 载力关系在不同桩尖土条件及不同桩类型情况下迸行了统计分析，得 出统计结果，作为管桩施工终压控制的辅助标准。厂y 一 对静压桩的挤土问题，本文首先介绍了静压桩挤土效应的小孔扩 张理论，同时结合温州五洲大厦挤土效应的监测结果对静压空心桩旌 工过程引起的超静孔隙水压力及水平、竖向位移变化规律进行了分析， 并提出了预防挤土效应的防范措施。 关键词：预制空心桩，沉桩阻力，挤土效应，超静孔隙水压力，位移 塑型些垦塑堡至：堡壁董王塑望竺筌 塑堡查兰堡主堂堡堡塞! ! ! ! ：! s o m ep r o b l e m sr e s e a r c ho ns i l e n tp i p i n gp i l e i nw e n z h o u r e g i o n a b s t r a c t t os o l v et h e p r o b l e m s m e ti nt h ec o u r s eo f s p r e a d i n gt h ep r e f a b r i c a t e d p i p i n gp i l e ，t h ec r i t e r i o no ft h eu l t i m a t ep r e s s u r ei nt h ec o n s t r u c t i o na n dt h el a w o fc o m p a c t e ds o i la r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ei n - s i t ut e s t ，t h el a w o ft h e d i v i n g r e s i s t a n c ei nt h ec o n s t r u c t i o ni s a n a l y z e d a n dt h e a p p r o x i m a t e f o r m u l ao ft h ed i v i n gr e s i s t a n c ei so b t a i n e d t h el a wo nd i v i n gr e s i s t a n c ev a r i e d w i t hr e p o s i n gt i m ei s s t u d i e d ，a n dt h ed r a f t i n gf o r m u l ab e t w e e nd i v i n gr e s i s t a n c e a n dt i m ei so b t a i n e d a tt h es a m et i m et h er e l a t i o no ft h eu l t i m a t e p r e s s u r ea n d u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yi sa n a l y z e db ys t a t i s t i c a lm e t h o du n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f er e n tp i l e t i ps o i la n dv a r i e dp i l e ，i nt h ee n dt h es t a t i s t i c sr e s u l t sa r ea c q u i r e d t h er e s u l t sc a nb eu s e dt ot h ec o n t r o lo ft h eu l t i m a t ec o n s t r u c t i o np r e s s u r e t h ep o r e e x p a n d i n gt h e o r y o nt h ee f f e c to fc o m p a c t i n gs o i lo ft h es i l e n t p i l i n g i si n t r o d u c e di nt h e p r o b l e m o fc o m p a c t e ds o i li nt h es i l e n t p i l i n g t h e v a r i e dl a wo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ，h o r i z o n t a la n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t s a r es t u d i e s a c c o r d i n gt o t h ei n - s i t u t e s t i n g r e s u l t so ft h ew u z h o ub u i l d i n gi n w e n z h o u c i t y ，a n dt h em e a n so fa v o i d i n gc o m p a c t i n gs o i le f f e c ti sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p r e f a b r i c a t e dp i p i n gp i l e ，t h er e s i s t a n c eo fd i v i n gp l i e ，e x c e s sp o r e w a t e rp r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 第一章绪论 1 1 引言 预制混凝土空心桩和预应力混凝土管桩均属于排土桩，可采用静 压法进行施工。近年来，预应力混凝土管桩在温州地区获得了很大的 发展，但对这种桩类型的挤土效应的现场监测很少。 本文主要从沉桩阻力及承载力方面对预应力混凝土管桩进行了统 计分析；从现场监测的数据角度对预制混凝土空心桩的挤士效应进行 了分析。因为预制混凝土空心桩也系排土桩的一种类型，对它的监测 成果可以为其它桩型的挤土效应提供借鉴。 1 2 空心桩研究应用现状 1 2 1 预制空心方桩研究应用现状 预制钢筋混凝土桩按外形可分为方桩、圆桩和异型桩等，预制桩 又可分为实心方桩和空心方桩。空心方桩一般采用预应力钢筋混凝土 制造，截面尺寸较大、单节长度较长，因此多在港1 3 建设中使用。而 普通预制钢筋混凝土空心方桩( 以下简称预制空心方桩) 仅限于温州等 地使用。因为温州地区的软土厚，一般在2 5 3 5 m ，软土下又有相当厚 的粘土、粉质粘土交替层，层底深度往往达到4 0 5 0 m 上下，所以一般 的桩都是摩擦桩。对3 5 - 4 5 m 的长桩，桩端承载力一般在2 0 左右，摩 擦力是主要的。基于这种考虑，温州市建筑设计院于1 9 8 6 年首次在温 州市电业局调度大楼开始设计和采用这种桩型，九十年代随着成桩工 艺的改进，即将原来的钢管抽孔改为充气橡胶成孔以及全液压静力压 桩机的应用，温州静压预制空心桩得以全面推广。 预制空心方桩的断面一般有4 5 0 4 5 0 巾3 0 0 和5 0 0 x5 0 0 由3 0 0 两 种，桩身混凝土强度等级一般为c 3 0 c 4 0 。静压空心方桩桩身配筋情 况如表l 一1 所示( 钱振荣，1 9 9 2 ) 。 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 i 表1 1 预制空心方桩桩身配筋表 配筋率( ) 桩截面桩节长( m )主筋 全截面 净截面 4 5 0 4 5 0 94 中1 4 、4 中1 2o 5 2 7 0 8 1 0 1 28 由1 40 5 4 8 0 9 3 5 中3 0 0 154 巾1 6 、4 由1 40 7 0 1 1 0 7 5 5 0 0 5 0 0 98 由1 40 4 9 8 0 6 8 7 1 24 中1 6 、4 中1 4 o 6 0 80 7 9 0 由3 0 0 158 由1 6o 6 4 3 0 8 9 7 预制空心桩的接头方式有焊接法、浆锚法和螺栓连接法。温州地 区静压预制空心方桩般采用硫磺胶泥锚接，接头数量一般为2 3 个， 桩的长径比一般达9 0 10 0 ，个别达到1 2 5 。 预制空心方桩在沉桩过程中进土量一般达到桩长1 6 1 4 ，这在一 定程度上减少了挤土影响，但未改变挤土的本质。张芳军( 1 9 9 6 ) 曾对温 州市胜利路8 4 地块1 8 楼工程的静压预制空心方桩挤土影响进行了观测 分柝，观测内容是地表隆起随时间变化规律，观测发现地面隆起最大 值发生在施工期间。 金烈胜( 1 9 9 4 ) 根据具体工程对静压预制空心方桩的终压力与桩极 限承载力进行了分析，认为对摩擦桩，可取终压力为单桩承载力的1 5 倍，端承桩取2 0 倍。 预制空心方桩在温州应用以来，取得了良好的社会经济效益。随 着预应力技术的进一步推广也逐渐暴露出预制空心方桩的某些不足之 处：制作质量不稳定，由于橡胶芯膜本身的缺陷，容易造成预制空 心方桩的质量问题；截桩困难，对起伏较大的持力层适应性差； 需现场预制，工期相对较长；造价偏高，预制空心方桩每1 0 k n 承载 力造价约6 6 元，而预应力管桩则为6 1 元，且呈下降趋势。 因此，在温州地区预应力空心管桩对预制空心方桩形成强有力的 竞争，且有逐步被预应力管桩所取代的趋势。 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 2 2 预应力空心管桩研究应用现状 一、预应力空心管桩发展概况 混凝土预应力空心管桩是专业工厂采用先张法预应力工艺和离心 成型，经蒸气养护而制成的一种细长的空心等截面预制混凝土构件， 运至工地接长并沉入地下成为建( 构) 筑物的基础，日本、美国、加 拿大及我国台湾省是应用预应力管桩最早的地区，从2 0 世纪6 0 年代 开始就大量应用，北京丰台桥梁厂从6 0 年代中期开始批量生产，尔后 在铁路工程中大量应用。1 9 8 0 年日本人在香港设厂生产预应力混凝土 管桩( p h c 桩) ，从此香港、澳门等地大量应用预应力管桩，中国大陆 于1 9 8 3 年在广东深圳推广应用，上海地区于1 9 8 8 年正式投产，在此 后十多年的时间里，预应力管桩在浙江、福建等地迅速发展。据不完 全统计，到2 0 0 0 年底，我国现有管桩生产厂近1 6 0 家，主要分布在广 东和华东地区，年生产能力达3 2 0 0 万米以上。 管桩按桩身混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩( 代号p c 桩) 和预应力高强混凝土管桩( 代号p h c 桩) 。前者强度等级不低于c 6 0 ， 后者不低于c 8 0 ，p c 桩一般采用常压蒸气养护，脱模后移入水池再泡 水养护。一般要经2 8 d 才能使用，而p h c 桩，一般脱模后要进高压釜 经1 0 个大气压，18 0 左右的高温高压蒸汽养护，混凝土强度等级可 达c 8 0 ，从成型到使用的最短时间只需三、四天( 阮起楠，2 0 0 0 ，p 5 1 0 ) 。 管桩按混凝土抗裂弯矩和极限弯矩的大小又分为a 型、a b 型、b 型和c 型，其有效预压应力分别为4 0 m p a 、6 0 m p a 、8 0 m p a 和1 0 0 m p a 。 管桩有4 0 5 0 m p a 的有效预压应力时，打桩时桩身混凝土一般就不会 出现横向裂缝，所以，对一般的建筑工程选用a 型或a b 型桩即可。 预应力管桩沉入土中的第一节桩称为底桩，底桩端部都要设置桩 尖( 靴) ，它的形式主要有十字型、圆锥型和开1 3 型。前两者属于封1 3 型，穿越砂层时，开1 3 型和圆锥型比十字型好，开1 3 型桩尖一般用在 入土深度为4 0 m 以上，且桩径大于5 0 0 m m 的工程中，成桩后桩身下部 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 被土体充塞，根据温州多年工程管桩施工实测结果，管桩进土量跟土 质、管径有关，但一般不超过桩长的1 4 ，这在一定程度上减少了挤士 作用。封口桩尖成桩后，内腔可一目了然，对桩身质量及长度可用目 测法检查，这是其它桩型所没有的，十字型桩尖加工容易，造价较低， 破岩能力强，故被广泛应用，广东约9 0 以上的管桩采用十字型桩尖。 管桩按外径从3 0 0 m m 至4 0 0 m m 不等，壁厚为6 0 13 0 r a m ，管桩节 长一般不超过15 m ，最近上海三航管桩厂为适应深入码头建设需要， 生产节长为2 5 m 3 0 m 的管桩，填补了我国p h c 管桩长管节产品的空 白。在浙江，根据工程实际需要，大量生产壁厚为5 0 - 7 0 m m 的薄壁桩， 使成本大大降低，也使得管桩基础成本大为降低，拓广了管桩的应用 范围，使管桩的应用范围从荷载较大的高层或大跨度结构到基础荷载 较小的多层建筑，甚至是独立别墅( 史佩栋主编，1 9 9 9 ) 。 管桩的应用之所以迅速推广，除其经济性之外，还具有其他优势： ( 1 ) 成桩质量可靠性好，管桩的工厂化生产，使管桩在出厂时已经 是合格产品，只要在运输、吊装、施工过程中不被损坏，旆工焊接可 靠，就不必顾及桩身强度的其他问题。 ( 2 ) 施工速度快、工效高、工期短。单台桩机施工同样成桩深度， 比钻孔灌注桩要快8 1 0 倍，比夯扩桩要快2 3 倍。一幢建筑面积2 3 万m 2 的高层建筑，一个月左右便可打完桩，开工后6 7 个星期便可测 试完毕进入下一施工阶段。 ( 3 ) 无废液、废渣污染。 ( 4 ) 监理检测方便。 二、预应力管桩适用范围 预应力管桩沉桩方法主要有锤击法和静压法，锤击法虽可获得较 高的承载力，但由于柴油锤工作时震动剧烈、噪音大，不少城市已限 制使用，近年来，大吨位静压管桩工艺得到很快发展，目前静力压桩 机最大的压力已达到6 0 0 0 k n 7 0 0 0 k n ，浙江地区基本上采用静压施工 工艺。 4 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 21 一般预应力管桩均需选择良好的桩端持力层，如强风化岩层、全 风化岩层、坚硬的粘土层或密实的砂层( 或砂砾层) 等，以使管桩的 强度优势得以充分发挥，如珠江三角洲某些地区，基岩埋藏不深，管 桩桩尖一般座落在中密或密实的砂层上，桩长约3 0 4 0 m ( 郭恒，2 0 0 0 ) 。 在有些地区因上部履盖深厚的软弱土层，不得已采用桩长控制为主的 纯摩擦桩或端承摩擦桩，如上海地区一般以2 层灰色粉细砂或一1 层粉质粘土夹粉砂层作为桩端持力层，桩长约5 0 7 0 m ，宁波地区管桩 桩长一般进入层粉砂一中砂1 2 m ，桩长4 5 5 5 m ，温州地区一般进入 层粘土层，桩长一般为4 0 m 5 0 m ，只有少数工程以粉质粘土或砂砾 层为持力层。 由于其独特的优点，预应力管桩已广泛应用于工业与民用建筑、 铁路、公路桥梁、港口码头等工程，以工业与民用建筑用量最大，约 占工程总用桩量的9 5 。预应力管桩可用于多层建筑，亦可用于高层 建筑，广东应用预应力管桩作基础的楼房己高达4 0 层，温州地区达3 0 层( 如瑞安紫荆花苑d n 3 ) 。 预应力管桩也有它的缺点和局限性：( 1 ) 产生挤土效应，影响周边 环境；( 2 ) 有些地质条件不宜应用预应力管桩，如孤石和障碍物多的地 层，有坚硬夹层的土层等( 王离，1 9 9 9 ) 。 1 2 3 温州地区静压预应力管桩应用情况及存在问题 温州地区应用预应力管桩起步较晚、但推广较快。1 9 9 9 年在瑞安 紫荆花苑d n 一3 首先使用，而后迅速推广成为温州地区三大桩型之一 ( 其余为钻孔灌注桩和振动沉管灌注桩) 。目前温州地区预应力管桩生 产厂已达五家，年生产能力达2 0 0 万米，专业施工单位共8 家，静压 施工机械最大压桩力已达7 0 0 0 k n 。 根据瑞安市2 0 0 0 年开工工程各类桩基应用情况( 表1 2 ) 可以看 出，预应力管桩从技术质量角度合格率最高，从经济因素分析，预应 力管桩每10 k n 承载力造价接近于沉管灌注桩，随着预应力管桩生产厂 温州地区静压空心蛀若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 家增多，工业化生产效率的提高，预应力管桩价格将进步降低，因 此预应力管桩将是优先推广应用的桩型。但同时也应注意到，预应力 管桩提供的均属中等承载力，这是由于温州地区属典型的软土地基， 软弱履盖层较厚( 约4 0 6 0 m ) ，使绝大部分的管桩，找不到良好的持 力层，约8 0 的管桩桩端持力层是层粘土层，桩端阻力约占总承载 力的1 0 - 2 0 ，桩端承载力在4 0 0k n 9 0 0 k n 之间。只有约1 0 的管桩 桩端有较好的持力层( 如砂砾层) ，桩的承载力在7 5 0 k n 2 0 0 k n 之间。 这种特殊的地质条件在一定程度上限制了预应力管桩的应用，2 5 层以 上的高层建筑多数采用钻孔灌注桩，目前温州地区约有8 5 的预应力 管桩用于多层建筑，只有l5 用于高层，且基本上是层数少于1 2 层的 小高层住宅工程( 黄洪勉，2 0 0 1 ) 。 表1 22 0 0 0 年瑞安各类桩基应用情况统计表 工程比例桩径承载力 桩身质每1 0 k n 桩型量合格承载力造 数量 ( )( m m )( k n ) 率( )价( 元) 钻( 冲) 孔灌注桩 1 72 1 85 0 0 1 1 0 05 0 0 7 5 0 09 7 27 8 沉管振动灌注桩3 74 7 43 7 7 4 2 62 5 0 - 5 5 09 5 35 6 预应力管桩1 92 4 44 0 0 6 0 04 0 0 - 15 0 09 9 66 1 水泥搅拌桩56 45 0 01 0 0 1 2 09 2 34 9 预应力管桩在温州推广应用以来，作为一种提供中等承载力的桩 型，已被广泛接受，并取得较好的社会经济效益。然而目前在静压预 应力管桩推广应用过程中还有不少问题亟待解决： ( 1 ) 应用中的施工终压控制标准问题。 温州地区管桩多数是摩擦桩，施工时以设计标高控制为准，但遇 到持力层起伏时，仅以标高控制可能使部分桩承载力不足。如何利用 静压桩机上的油压表提供的终压力值，通过摸清沉桩终压力与极限承 载力的关系，使之作为管桩施工终压控制的辅助标准，具有重要的实 际意义和工程应用价值。 ( 2 ) 管桩应用对周围环境影响问题。 6 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 管桩是一种挤土型桩，温州目前的管桩主要以开口桩形式使用， 进入管桩内腔的土占管桩入土体积大约l5 2 0 左右，因此开口桩只能 减少一些挤土量，而不能从本质上改变挤土的特性。因此在城区使用 管桩最为敏感的问题就是管桩挤土对周围环境的影响问题，其中包括 对周围建筑物、市政管网，特别是煤气管道、自来水管、道路等施工 场所的周边建筑和设施的影响。 针对这些问题，本文通过温州地区推广应用预应力管桩过程中积 累搜集的数据，主要探讨： ( 1 ) 软土中预应力管桩的沉桩阻力。 ( 2 ) 沉桩终压力与桩的极限承载力的关系。 ( 3 ) 预应力管桩挤土引起土体竖向位移和水平位移的发展规律。 1 3 静压桩挤土效应研究现状 当钢筋混凝土预制桩、沉管灌注桩、钢管桩和木桩被压入土层中 时，桩对周围土体产生挤土效应，桩周土体会产生很大的位移和很高 的超静孔隙水压力，由于在饱和软粘土中超静孔隙水压力消散慢，产 生较大的垂直隆起和水平位移，会导致邻近建筑物损坏。 1 3 1 饱和软粘土地层中沉桩对工程和环境的影响 在饱和软粘土地层中沉桩会对工程和周围环境产生以下影响： ( 1 ) 由于打桩过程的挤压作用使土体产生隆起，会导致工程桩上浮， 工程技术人员必须采取措施把地面隆起量控制在可接受的范围内。对 隆起量的研究就显得必要。h a g e r t y & p e e k ( 1 9 7 1 ) 认为群桩范围内，地表 的垂宜隆起的体积大约是被桩代替的体积的5 0 ，而根据 o r r j e & b r o m s ( 19 6 7 ) 和a d a m s & h a n n a ( 1 9 7 1 ) 的报道，该数值分别为3 0 和1 0 0 ，这可能与土质条件和试验环境有关。 ( 2 ) 引起土的水平位移( 表层和深层) ，挤压已打入地基中的桩，使 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2i 之产生桩位偏移和桩身翘曲，严重时造成桩的断折。 ( 3 ) 无论是土体的垂直位移还是水平位移，都会影响到桩周定范 围，导致邻近管线、建筑物、道路等的破坏。 ( 4 ) 沉桩过程中对土的扰动和随之产生的孔压在施工一段时间后的 消散对土的强度有很大的影响，而土体强度的变化直接关系到桩的极 限承载力。 1 3 2 减少挤土效应的措施 沉桩过程中土体的垂直隆起和水平位移要波及压桩区域外的一定 范围，如果周围建筑物对变形要求比较高，采取一些防护措旌就成为 必要，其中对施工现场进行监测以指导工程实施是一项重要的措施。 为了防止和减轻压桩对周围环境的影响，施工时可采取以下具体措施： ( 1 ) 开挖防挤沟； ( 2 ) 设置释放孔； ( 3 ) 取土植桩； ( 4 ) 控制压桩速率； ( 5 ) 设置排水通道。 1 3 3 静压桩沉桩对土性状影响研究 针对桩静压产生的影响，国内外许多学者对此进行了研究。从研 究手段来看，可以分为室内外试验、工程实测数据分析、理论分析和 数值模拟分析等。 用理论或数值工具来研究桩静压时引起土中孔压的产生以及消散 过程、桩周土体强度变化、土体的垂直隆起及水平位移和桩的极限承 载力的变化等现象由来己久。 1 9 9 3 年，国家自然科学基金岩土力学类资助项目有天津大学汪克 让副教授的题为“沉桩对周围介质和邻近结构的影响”的立项。 1 9 9 4 年，国家自然科学基金岩土力学类资助项目中有国家地震局 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 工程力学所赵振东副研究员的题为“桩贯入过程力学机理与仿真研究” 的立项。 桩静压时，桩周土体产生很大的变形，对桩土间的相互作用进行 分析时，采用原有基于小应变假设的有限元理论已不适用或者说采用 这种理论方法时将产生较大的误差。谢永利( 1 9 9 4 ) 采用大变形理论对软 土地基的沉降进行研究时，得出考虑和不考虑大变形的结果相差2 5 的结论。 鲁祖统( 1 9 9 8 ) 的博士论文在总结国内外研究成果的基础上，采用大 变形和b i o t 固结理论对静压桩挤土效应进行了深入探讨。 归纳起来，沉桩挤土效应的研究方法主要集中在：圆孔扩张理论、 应变路径法和有限元法。其中以圆孔扩张理论和有限单元法居多。 1 4 本文主要研究工作 从前文对空心桩的研究应用现状和静压桩挤土效应研究现状总结 的可以发现，软土中沉桩阻力、沉桩终压力与桩的极限承载力的关系、 沉桩挤土效应等的研究与应用并未成熟，为此本文结合温州地区的实 践开展相应的研究工作。 ( 1 ) 第一部分 预应力管桩在温州被大力推广应用，为了适应工程需要和服务于 工程，本文在对预应力管桩进行大量现场原位试验基础上，通过对试 验数据的统计分析，开展以下几方面的研究： 沉桩阻力随深度变化规律； 沉桩阻力随时间变化规律： 沉桩终压力与极限承载力的关系。 ( 2 ) 第二部分 以五洲大厦为实例，通过对现场监测数据的整理，探讨空心桩的 挤土效应及由此产生的对周围环境的不利影响，开展以下研究工作： 堂盟垫墅垦窒：垒笙董王塑璧里塞 塑垩盔堂堡主兰壁垒壅! ! ! ! ：! 深层士体位移的变化规律； 压桩时超静孔隙水压力产生和消散的规律； 对周围建筑物沉降和道路、管线的可能影响程度。 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 ，1 第二章预应力管桩沉桩阻力研究 2 1 温州地区软土地基工程地质概况 温州经济开发区、中心区及瑞安、安阳新区、莘塍塘下等地区， 地貌单元属河海相冲海积平原，地质属较典型的软土地基，表层下埋 藏着深厚的饱和软粘土，一般基岩埋深在地表下7 5 m 一9 5 m 。较好的持 力层如粉质粘土，圆砾层也在5 0 m 6 0 m 之间，地表下1 0 0 m 范围内各 土层依次大体描述如下： 粘土：该层上部市区为杂填土，市郊和农村为耕植土，厚度 o 3 0 8 m ，其下为约0 5 1 o m 厚的可塑状“硬壳层”，下部粘土呈黄 褐色，湿一饱和，软塑可塑状，呈中等偏高压缩性，富含植物根系， 此层厚度一般在0 8 - 2 o m 左右。 淤泥：青灰灰色，饱和，流塑状，高压缩性，水平微层状或 粗鳞片状构造，含少量贝壳细碎片及半炭化植物碎屑，层顶埋深o 8 m 2 o m ，厚度约2 0 m 3 0 m 。 淤泥质粘土：灰色、饱和、软塑状、水平微层状或细鳞片状构 造。高压缩性，含少量贝壳细碎片和半炭化植物碎屑。局部夹少量片 状、小团状粉细砂，层顶埋深2 0 m 一3 0 m ，厚度8 m 2 0 m 。 粘土：灰黄色浅灰色、饱和、软塑状、水平层状构造，中压缩 性。局部含片状、微层状粉细砂，层顶埋深3 0 m 4 5 m ，厚度1 0 m 2 0 m 。 粉质粘土：灰色灰绿色、饱和、可塑硬可塑状，中高压缩 性，水平层状构造，夹少量片状，小团状粉细砂，层顶埋深厚度 4 5 r n 一6 5 m ，层厚7 l5 m 。 圆砾：灰、灰黄色，饱和、稍密状，砾卵石呈次棱角次圆状， 卵石直径2 0 c m 4 0 c m ，含量2 0 3 0 ，砾石含量1 5 3 0 ，砂含量 2 0 4 0 ，层项埋深6 0 8 0 m ，层厚1 0 m l 5 m 。 强风化流纹质凝灰岩，灰紫色，岩性为流纹质晶屑凝灰岩。呈 强风化状，层顶埋深7 5 m 9 5 m 。 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 表2 1 数据由安阳新区安阳中学工程地质勘探报告提供，具有一定 代表性。 层 土名 厚度 w o ( ) e oe s qs q p 号 ( m )r m p a ) w l ( ) f m p a )( k p a )( k p a ) 粘土 1 5 2 03 0 - 4 20 9 64 0 4 - 5 1 93 0 01 2 0 淤泥2 8 3 13 8 7 2i 7 83 6 2 - 5 8 41 5 16 0 淤泥质2 7 4 8 1 2 01 132 9 9 5 1 42 4 51 0 o2 5 0 粘土4 5 5 2 1 7 粘土 8 1 0 o0 8 92 3 3 4 9 96 3 01 8 0 8 2 0 3 7 3 粉质粘2 3 9 9 l3 0o 7 82 9 4 3 8 99 0 03 0 018 0 0 3 3 3 圆砾 1 3 1 63 5 0 0 3 5 02 7 0 0 强风化 6 0 0 05 0 04 0 0 0 石 注：表中q ；和q 。指标系对预制桩而言。 2 2 现场试验工程概况 为探讨温州地区预应力管桩极限承载力与沉桩阻力等的关系，作 者选择了安阳中学综合楼、莘塍三小教学楼和风荷二期住宅等1 2 个工 程的3 3 根桩进行了工程试验。试验工程地基土层分布见表2 2 和表2 3 。 试验内容为：在典型土质情况下预应力管桩的沉桩阻力随深度 变化；沉桩阻力随时间变化；施工时管桩沉桩终压力与桩极限承 载力之间的关系。 试验概况如下： 1 、沉桩阻力工程试验：本次试验共选取两个工程作为试验对象， 分别是莘塍三小教学楼，风荷二期e s i 住宅工程，两个工程的她质情 况基本上属典型的温州软土地质，不同的是局部土层厚度、桩径和桩 长有所差异。本次试验压桩机采用y y e d 3 0 0 0 4 0 0 0 型顶压液式压力 机，此桩机配有自动压力读数仪，试验共选取6 根工程桩作为试验对 象。试验时在管桩身上每隔3 m 划一红线，也即每隔3 m 读一次沉桩压 力，为避免管桩之间相互影响试验桩距不少于2 0 m ，呈梅花型布置， 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 具体布置见图2 1 和图2 2 所示。 表2 - 2 试验工程地基土层厚度( m ) 分布表 工程名称 层 土名安阳中学莘塍三小风荷二人武部长江空 号 紫荆花苑 教学楼教学楼 期e s 1综合楼调车间 粘土 1 0 2 01 2 2 41 5 2 51 5 2 o1 0 2 01 5 2 5 淤泥2 0 5 2 5 2 5 o 2 9 02 0 2 4 53 0 3 4 03 0 3 3 ，02 9 33 。0 淤泥质 4 0 7 05 0 8 o7 0 9 09 5 1 3 08 0 1 0 58 0 - 1 1 5 粘土 粘土 3 5 5 01o o 1 4 07 0 - 1 0 57 o 1 0 o7 0 8 56 0 9 0 粉细砂 坛 ，砂砾层7 0 l o 5 4 0 6 5 圆砾层 表2 - 3 试验工程地基土层厚度( m ) 分布表 工程名称 层 土名温州移动 温州国 号 瑞星花苑大广场 温州绿潘岱小瓯北阳 交换中心园 堂 光花园 二期 粘土1 5 2 51 5 2 0 2 0 2 51 5 2 01 5 2 02 0 2 5 淤泥2 6 0 2 8 53 0 - 3 2 5 2 6 2 8 o2 5 2 7 o1 2 1 4 ol5 - 1 7 0 淤泥质 7 5 9 01 0 1 2 05 5 8 06 5 8 06 o 8 04 5 7 0 粘土 粘土 7 5 1 0 08 0 1 0 52 5 3 53 0 4 53 0 4 53 0 5 0 粉细砂 6 0 8 0 层 砂砾层 6 o 8 04 5 6 07 5 1 0 0 圆砾层 2 、沉桩阻力时间效应试验：本次试验共选取莘塍三小教学楼、长 江空调车间、安阳中学综合楼三个工程六根桩进行试验，为不影响其 施工进度，本次试验安排在试桩阶段，具体试验安排如下： 温州地区静压空- t 5 桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 1 ) 0 2 图2 1 莘塍三小教学楼图2 2 风荷二期e s 1 将工程桩在正常施工条件下( 即4 0 m 管桩在l 小时左右施工完毕) 的终压力作为初始值，然后间隔2 小时，5 小时，1 0 小时，2 4 小时，5 天，1 0 天，2 0 天进行复压，记录下每根桩沉桩阻力的复压值。 3 、终压力与桩极限承载力关系试验：本次试验较为复杂，也是搜 集工程试验数据历时最长的试验，原因是静压桩的静压力和单桩承载 力的关系受到土层、土质、桩规格、桩型、桩布置形式及施工顺序、 旋工速度等因素影响( 张雁，1 9 9 1 ) 。温州地区的静压桩规格绝大部分是 o 4 0 0 、中5 0 0 ，桩长在3 5 m 以上，本次试验此两项因素未予考虑，仅 对正常施工进度下的不同桩尖土条件，不同桩型( 摩擦桩端承桩) 进 行了对比试验。 对极限承载力的认定，静压时检测单位往往仅压至二倍设计承载 力即终止加荷，因此为了不过多增加检测费用，仅对部分桩进行了极 限承载力试验。对每个工程的多个试桩，确保有一根桩进行极限承载 力试验。 2 3 预应力管桩沉桩阻力分析 2 3 1 沉桩阻力理论分析 预应力管桩的沉桩阻力，由桩侧摩阻力和桩尖阻力组成，即： q u = q s + q p( 2 1 ) 温卅地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 、l 式中q 。一总沉桩阻力： q 。一沉桩侧摩阻力： q 。一沉桩桩尖阻力。 ， 沉桩侧阻力分析：饱和软粘土中桩的沉入过程是一个不排水过程， 大量桩的连续沉入将在土中产生很大的超静孔隙水压力，并对土体产 生强烈扰动，从而在桩周产生重塑土，降低了沉桩时的侧摩阻力。在 沉桩过程中按土的扰动程度的不同桩侧土可分为如图2 3 所示的三个 区。 佰) 、一 图2 3 桩周挤土分区图图2 4 沉桩挤土应力沿径向变化图 其中重塑区范围约离桩表面o 5 d ( d 为桩径) ，扰动区范围约( 3 5 ) d 。重塑区土的抗剪强度将大为降低，一般只保留其残余抗剪强度，根 据上海、广东两地淤泥质粘土和粉质粘土7 6 组比贯入阻力p 。值与十字 板试验的不排水抗剪强度c 。之问的统计关系有c 。= 1 1 18 p 。，二者之间近 似呈线性关系。因而土体扰动后其c 。的下降必然会导致p s 同等程度的 下降，因此，郑刚等( 1 9 9 6 ) 将士的灵敏度指标考虑进去之后，得出 压桩时的桩侧阻力如下式所示。 式中u 一桩身周长； q , - - u 丛s 矗, i ( 2 2 ) 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 q 。i 一桩周第i 层土的单位摩阻力； h ，一桩周第i 层土的厚度； s 。i 一桩周第i 层土的灵敏度： ni 一考虑桩侧涂抹作用的影响系数。 软粘土r li 一般可取0 9 1 0 。 沉桩端阻力分析：沉桩时作用在桩尖上的阻力反映了桩尖附近范 围土体的综合强度特性，这一范围的大小决定于桩的尺寸和桩尖处土 体的破坏机理。沉桩端阻力与桩尖附近处土层的天然结构强度、密度、 土层的分层厚度和排列、桩尖进入土层的深度等多种因素有关。袁相 瑞( 1 9 9 2 ) 根据试验资料对不同土层的桩尖阻力影响范围进行了分析， 得出的规律性结论为： ( 1 ) 一般均质粘性土层中桩尖阻力决定于桩尖上、下2 5 d 范围内土 层强度的平均值，见图2 5 a 。 ( 2 ) 桩尖处为硬土层，桩尖上2 5 d 范围存在软土层时，或桩尖处为 软土层，桩尖下2 5 d 范围有硬土层时，桩尖阻力决定于桩尖以上2 5 d 范围土层强度平均值，见图2 5 b 。 ( 3 ) 桩尖处为软土层，桩尖上2 5 d 范围有硬土层时，或桩尖处为硬 土层，桩尖下2 5 d 范围有软土层时，桩尖阻力决定于桩尖以下2 5 d 范 围内土层强度的平均值，见图2 5 c 。 ( 4 ) 当桩尖处的土层强度较低时，桩尖阻力主要决定于桩尖以上 2 5 d 范围内土层强度的平均值，见图2 5 d 。 根据以上分析，预应力管桩的沉桩阻力可用下式进行估算 姨= q + 绯= u 旦学+ a q 幽 ( 2 3 ) u “ 式中4 一管桩截面积 q 。k i 一桩尖处单位桩尖阻力( 按( 1 ) ( 4 ) 确定) 1 6 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 9 2i 阻力 鋈l 深 度 阻力 j 鋈l ( a ) 均质土中桩尖阻方( b ) 上软下硬地基土中桩尖阻力 阻力 深 度 阻力 ( c ) 上硬下软地基土中桩尖阻力( d ) 上、下硬中软地基土中桩尖阻力 图2 5 桩基在地基中的工作原理示意图 2 3 2 沉桩阻力与深度的关系 本次试验预应力管桩沉桩阻力实测结果及与按上述方法估算得到 的桩阻力预测值比较如表2 - 4 、2 - 5 、图2 6 、2 7 所示。莘塍三小工程 预应力管桩桩径巾4 5 0 ，桩长4 5 m ，节长分别是1 2 m 、1 2 m 、1 2 m 、9 m ： 风荷二期工程桩径巾5 0 0 ，桩长3 5 m ，节长分别是1 2 m 、1 2 m 、1 1 m 。 分析表2 - 4 、表2 5 及图2 6 、2 7 可以看出： 由经验公式估算的沉桩阻力与入土深度关系是连续的折线，实 测值为不连续的折线，这是因为实际压桩过程并非连续，在每节桩接 长时( 包含吊装、就位、焊接冷却等工艺，约2 5 分钟) 被扰动的土体 己恢复部分强度，增加了沉桩阻力，使实测压桩阻力不连续。 温州地区静压空心桩若干问题研究渐江大学硕士学位论文2 0 0 2l 利用经验公式估算沉桩阻力时，估算阻力总体偏小，对纯摩擦 桩而言，偏差相对较大，约计2 0 ；对端承型桩而言，估算偏差较小， 约计5 。分析温州地区软土地基特点及估算压桩力与实测压桩力差值 的变化可得，实测桩侧摩阻力约为估算桩侧摩阻力的1 2 倍左右，实际 工程中可将沉桩侧摩阻估算值乘以调整系数1 2 。 由表2 5 及图2 7 发现，当淤泥质土( 或粘性土) 中含有砂层时， 将明显增大桩尖阻力。 利用经验公式得出估算值与实测值比较，发现在桩入土6 m 以 前，估算值明显低于实测值，偏差达4 0 之多。分析可以发现，开口 空心桩，在6 m 以内桩的内腔挤进了部分原位土，对桩周土的扰动小于 普通实心桩，另一方面，表层硬壳层的实际土层强度相对较大，这两 方面都导致了浅层( 6 m 左右) 按完全扰动后强度估算压桩力将明显小 于实测值，随着入土深度的增大，在桩内空腔形成土塞，其对周围土 体的影响类似于实心桩，估算值与实测值相对接近，见图2 8 示。 桩入土深度 估算值( k n ) 桩号 ( m )l 拌2 撑3 拌 37 21 2 0 1 3 31 2 5 68 41 2 5 1 4 11 2 5 91 0 01 2 2 1 4 51 3 5 1 21 1 51 5 0 ( 1 8 0 )1 6 2 ( 1 9 9 )1 4 7 ( 18 i ) 1 51 3 01 8 01 7 81 8 5 181 4 51 9 21 8 51 7 3 2 l16 0 1 9 81 9 318 2 2 417 52 0 3 ( 2 6 0 )1 9 5 ( 2 5 5 )2 1 8 ( 3 1 4 ) 2 71 9 0 2 6 02 5 63 0 2 3 02 0 52 7 02 0 33 1 2 3 32 2 02 9 52 8 03 2 5 3 62 3 53 0 2 ( 4 0 0 )3 2 0 ( 4 3 2 )3 4 0 ( 4 5 2 ) 3 94 0 2 5 1 25 8 25 8 5 4 24 5 3 5 6 06 2 96 0 l 4 55 0 46 1 6 7 0 26 2 9 注：括号内数据表示接桩后沉桩阻力。 温州地区静压空心桩若干问题研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 1 表2 - 5 风荷二期e s 1 幢沉桩阻力表 实测值 桩入土深度估算值 4 撑5 撑6 拌 38 01 2 21 15 1 1 8 61 0 01 2 0 12 01 2 5 91 2 013 l 1 2 71 2 7 1 21 4 015 5 ( 1 9 0 )13 9 ( 1 7 3 ) 1 4 7 ( 18 1 ) 151 6 017 81 8 0 18 0 1 818 02 0 3 1 9 52 0 0 2 12 0 02 1 62 132 1 4 2 42 2 02 1 4 ( 2 7 0 )2 1 2 ( 2 8 1 ) 2 2 5 ( 2 9 3 ) 2 73 5 43 7 0 3 8 04 1 0 3 03 9 85 7 64 2 0 6 0 1 3 37 3 07 9 0 7 6 58 4 0 3 57 9 5 8 4 08 2 l9 0 3 1 9 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 o 售2 0 运 簧2 5 爨3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 沉桩阻力( k n ) o2 0 04 0 06 0 0 8 0 0 图2 6 莘塍三小教学楼沉桩阻力随深度变化图 温州地区静压空，t 5 桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 21 0 5 3 到 饔2 0 1 5 娶 2 5 3 0 3 5 4 0 02 0 0 沉桩阻力( k n ) 4 0 06 0 0 8 0 01 0 0 0 图2 7 风荷二期e s - 1 幢楼沉桩阻力随深度变化图 2 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2 ，l o 1 0 1 5 4 5 沉桩阻力实测值与估算值之比 oo 5 1 52 图2 8 沉桩阻力实测值与估算值之比随深度变化图 2 2 5谜髅刊嚣 温州地区静压空心桩若干问题研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 2i 2 4 沉桩阻力的时间效应 2 4 1 机理分析 就其机理而言，沉桩阻力的时效原因有： 土的触变时效：在沉桩的同时，桩周土和端土经挤压扰动，强 度降低。粘性土的触变作用则使损失的强度会随时间逐渐恢复。 固结时效：沉桩引起的超静孔隙水压力将随时间消散，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，强度逐渐提高，甚至可能超过其起始强度。 桩周土变形特性发生变化：根据前文分析可将桩周土划分塑性 区和弹性区，按土的扰动程度可分为三个区：重塑区i 、部分扰动区i i 和非扰动区i i i ，如图2 3 所示。对紧靠表面的土，由于压桩过程中产 生竖向剪切，横向拉裂经挤压作用而形成重塑土。由于桩土表面的挤 压应力最大，超孔隙水压力也最大，在不断产生相对位移的桩土界面 上将形成“水膜”( 桩基工程手煅，1 9 9 5 ) 。该水膜不仅起到降低沉桩贯 入阻力的作用( 若打桩中途停歇，水膜消散，便会使沉桩阻力大大增加) ， 而且会在桩表面形成排水通道使重塑区土体较快地固结，并随静置和固 结时间的延长，逐步形成一紧贴于桩表面的硬壳。该硬壳的厚度一般 为3 - 2 0 m m ( 桩基工程手册，1 9 9 5 ) ，随土性