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1、 第 19 卷第 4 期建 筑 结 构 学 报1998 年 8 月软土地基上静力压桩若干问题的分析郑 刚 顾晓鲁(天津大学 天津 300072)=提要 预制桩采用静力压桩法在软土地区已越来越被广泛采用, 甚至应用在 20 层以上的高层建筑也已有数十例。但这些成就更多的是依赖于施工单位的经验取得的。现有的规范已经不能满足生产实践的需要。作者总结了所见的研究成果, 对软土地区静力压桩的若干问题进行了分析与研究。建议尽早进行有关的专门规范研究与制定工作。关键词: 静力压桩、 压桩阻力、 灵敏度、 沉桩控制一、引 言近年来, 静力压桩法在宁波、 温州、 西安、 福州、 广州以及上海等地大量应用。采用此
2、法施工的桩长已达 60m 以上, 压桩机的设计压桩力已达 6000 7000kN。在温州等地, 静力压桩已应用于 20 层以上的高层建筑, 成为一种广泛采用的桩型。随着静力压桩的广泛采用和问题的大量出现, 目前关于静力压桩的有关规范条文已显得不足以解决实际问题, 反映在如下几方 面:11 压桩力: 目前见到的仅是对建筑物采用桩式托换时, 对压入式桩的压桩力规定要不小于单桩承载力标准值的 115 倍 1, 实际上这是对较短的摩擦桩的规定, 缺乏针对不同情况下桩的压桩力的估算方法或规定。 21 压桩控沉标准: 现有的规范仅对锤击法沉桩提出了控沉标准的规定, 由于静力法压桩已应用到高层建筑, 考虑到
3、其重要性, 必须提出静力法压桩控沉标准的有关规定。31 桩身接头: 仅文献 2 对预制桩必须采用焊接法接桩的情形作了相应规定。目前对于采用静力法压桩的桩身接头型式缺乏专门规定。 41 单桩承载力确定: 对于采用静力法压桩的桩基, 其实每根单桩都经过了某种程度的承载力检验(假如关于压桩力和压桩控沉标准都已有相应规定) , 其承载力应与可靠度综合考虑确定。针对以上问题, 一些研究者进行了研究, 各个地区亦总结了一些经验, 但仍感不足。实际 上, 目前静力压桩的设计与施工在某些方面早已突破了已有规范的限制。为使静力压桩的设计、 施工及验收有章可循, 进一步发展和完善有关规范条文, 作者感到有必要对此
4、进行专门的研究。二、压桩阻力静力压桩通常是以 1 2m/ min 的速度匀速将桩体压入土中, 类似于静力触探的过程。因54此, 已有的静力压桩压桩阻力的估算方法基本都是试图在二者之间建立起一种换算关 系3、 4、 5。韩选江3根据两根压桩实测数据, 建议可采用下式估算沉桩阻力:P = 2Rs+ 0107Up2fili或可写成:P =A Rs+ BUp2fili(1)式中, Up为桩截面周长; fi为桩周第 i 层土的侧摩阻力, 由静力触探结果计算; li为第i 层土 的厚度; Rs为由静力触探结果计算的桩端阻力。实用时, 对每个具体工程, 需要按上述方法进行一定数量试压, 根据试压实测结果确定
5、 A 、 B得到式(1) 。但试压实测桩数的多少可能对 A、B数值大小有较大影响。图 1 沉桩阻力分布模式朱晓林 4、 袁相瑞 5详尽地分析了压桩的机理, 把桩周土 随着桩的压入分为三个区段, 见图 1, 认为, l3为无侧阻区; l2为滑移区, 土的侧摩阻力小于原状土的静态侧摩阻力, 它的降低程度与土的灵敏度有关; l1为挤压区, 这个区的桩侧摩阻力一般 稍大于原状土的静态强度。一般 l1= (7 8) d( d 为桩径) , l2= (015 016) l , l 为桩的入土深度, 并按下式计算沉桩阻力:Q = LlU2qsili+ qpAp(2)其中, qsi、 qp根据静力触探 Ps换
6、算; Ll为桩入土深度的折减系数, 为 P. Lagoni6通过实测结果统计的建议公式, 它反映了桩侧阻力并不是随着桩入土深度的增加而线性增加, 有时随深度 增长不大, 有时不变, 有时反而减小, 总体上入土桩身的桩侧平均单位面积侧摩阻力 f 随桩的入土深度增加而减小。 Ll按下式计算:Ll=2(011l - 1+ e- 011l) ( 011l )2(3)文献 4 分析导致入土桩身平均侧摩阻力随入土深度增加而减少的原因为桩土间摩阻力在大位移时发生应变软化、 打桩时桩身晃动、 桩侧向粗糙度随入土深度增加而降低以及桩身周 围土由于桩尖贯入受剪切发生重塑, 土的强度降为重塑土的残余强度等。图 2
7、扩张压力与刚度比关系图由于桩侧土种类不同及桩的刺入和挤土作用, 桩侧动摩阻力的降低情况显然不同, 灵敏度高、 结构性强的饱和软土动侧摩阻力降低幅度大, 降低幅度与土的灵敏度有关; 含水量高的饱和粉、 细砂由于瞬间的液化, 其动侧摩阻力降低幅度显然也 应该大于含水量低的砂土; 对松砂, 桩侧摩阻力反而因土挤密有可能提高。因此, 不同土中的桩侧平均单位侧摩阻力 f 随桩入土深度增加而减小的程度不同。注意到式(3)中 Ll从形式上仅与桩的入土深度l 一个参数有关, 因此, 对每个实际工程都需测定 Ll。饱和土中桩的压入过程是一个不排水过程。如果把桩 在土中的刺入看成是圆柱形孔的扩张, 利用弹性力学理
8、论 可解得土中因桩的压入而对土产生的扩张压力 Pu, 见图552。图中 E 为土的弹性模量, Cu为土的不排水抗剪强度, L为泊松比, 饱和土取 015, 当 E/ Cu 2000 时, 扩张压力 Pu与 Cu之比趋近于 715, 显然, 桩的强力压入对桩周土要产生强烈的挤 压、 剪切扰动。Casagrande 亦曾指出, 因打桩的强烈扰动导致桩周土产生重塑区, 对打入桩, 重塑区范围为离桩表面约 015d( d 为桩径)。众所周知, 软土具有较强的结构性, 其灵敏性的大小可用灵敏度来表示, 并定义为 7St= Sv/ Scv(4)其中, Sv为原状土不排水抗剪强度, Scv为扰动土不排水抗剪
9、强度(或称土的残余强度) 。在桩的压入过程中, 正如文献 4 分析, 桩尖附近范围的桩周土为挤压区, 当桩头继续往下 贯入时, 桩身周围土受剪切而发生重塑, 土的强度降为重塑土的残余强度。而且, 除压桩的强烈扰动之外, 在桩的压入过程中桩土接触面是一个剪切过程, 并且发展至剪损软化阶段, 与十字板试验测定饱和土扰动后不排水抗剪强度(或称残余强度7) 的机理类似, 桩周土提供给桩侧的摩阻力(或抗剪强度)亦相应降低为残余强度。而当压桩过程出现一定时间的停顿或休止时间, 压桩力常常大幅度增长, 如果有足够的休止时间再压(例如进行载荷试验) , 压桩力将达到桩的静极限承载力。因此, 软土静力压桩的动、
10、 静压桩力之间关系必然与桩周土灵敏性有 关。根据上述分析和大量实测对比, 可按下式估算软土中压桩时的桩侧摩阻力:Qs=Up2Giqsu ihi Sti(5)式中, hi为第i 层土的厚度, Sti为桩周第 i 层土的灵敏度, Gi为考虑桩侧涂抹作用影响系数,当桩由较软土层进入软硬土层时及由砂层进入粘土层时, 桩侧摩阻力将有所降低, Gi= 018019。qsui为桩周第 i 层土的单位静极限侧摩阻力, 可根据当地经验确定。如提供有静力触探结果, 亦可根据静力触探结果按表 1 确定8。表 1位于砂、 粉土类土层以上的粘性土位于砂、 粉土类(厚度 1m)以下的粘性土粉土、 粉砂细砂、 中砂Ps(k
11、Pa)qsu(kPa)Ps(kPa)qsu(kPa)Ps(kPa)qsu(kPa)Ps 5000100Ps 4000125Ps 5000100陈强华8等按上表预估预制桩的极限承载力, 统计了共计 275 桩资料, 对软土地区估算值与实测值相差- 25% 20%以内的占总数的 94% 以上, 且多数偏差集中于- 10% 0 以内。 本法不需先进行试压, 根据当地经验或静力触探结果确定 qsu, 即可事先预估压桩力, 便于施工单位制定压桩方案和压桩措施。但本法需勘查报告提供土的灵敏度指标。至于端阻力, 规范 9采用桩尖以上8 倍桩径和桩尖以下4 倍桩径厚度范围内的土层 Ps平均值来估算桩端承载力,
12、 通过计算与实测对比, 作者取桩端上下各 4 倍桩径厚度范围内土层的Ps平均值来估算压桩端阻力:Qp=AbApPs(6)56式中 Ab为修正系数:Ab= 0160+ 0101H 15 H 30(7)当 H 30m 时, Ab= 019; H 为地面至桩端全断面的距离。温州国际大酒店位于温州市人民路侧, 其场地地质情况为典型的温州软土分布, 其下软土土层分布深厚, 且各层土厚度变化小, 采用 50m 长预制静压桩, 送桩 6m。桩断面为 500 500mm。从实际压桩来看, 不同桩压桩力差别较小, 基本都在 1500 1700kN 范围内, 按本文 方法计算的估算压桩力如下:桩端阻力:Qp= 0
13、19 015 015 1800= 405( kN)桩侧摩阻力 Qs见表 2, 总压桩阻力:Q= Qs+ Qp= 1252+ 405= 1657( kN) (与实测一致)表 2土 层名 称土层厚度hi(m)灵敏度Ps(kPa)qsu(kPa)动侧摩阻力(kN)杂填土412115100020112淤泥10197113801958淤泥151681183041123淤质粘土61441299050122粉质粘土212213225081124粘土718217165066305粉质粘土01931727009248泥炭质粘土11531510505144粉质粘土3153173000100151粘土3102131
14、80070165累计56101252注: 表中按本文方法计算之动侧摩阻力已乘以涂抹折减系数 018 019。三、压桩控沉标准以上预估压桩阻力的方法可以用于选择压桩机械的压桩力。但是, 由于缺乏关于静力压桩终压的控沉标准, 因此, 施工操作中存在任意性。注意到这一点, 作者根据大量工程实例, 建议了软土地区静力压桩终压的控沉标准 10: 对摩擦桩, 以标高为主要控制标准, 压桩力为参考, 看其是否与预估压桩力接近, 对高灵敏度饱和软土, 控制 Q/ Rk( Rk为桩承载力标准值)不应小于 111, 一般情况下不小于 113, 对于桩长小于 20m 的短桩则宜不小于 114, 否则就要考虑 承载力
15、不足的可能, 并作承载力检验; 对端承桩, 可不考虑压桩后桩侧土强度恢复、 桩侧摩阻力提高的贡献, Q/ Rk应控制不小于 2, 并结合标高辅助控制以确保桩尖可靠地进入持力层, 防止出现桩尖在达到持力层以前遇到局部硬核或在持力层界面处压桩力一旦有明显增长即停压的情形。对有较好的桩尖持力层, 摩擦、 端承兼而有之的桩长在 20m 以上桩要求介于两者之间, 建议控制 Q/ Rk不小于 115。作者建议的控沉标准得到了较好的评价11。表 3 为工程实例。57压桩阻力和单桩承载力对比表表 3序号工程名称桩截面(mm mm)桩长( m)桩 尖持力层压桩力Q (kN)承载力Rk(kN)Q/ Rk备 注1西
16、 湖 锦 园500 50036 45淤质粘土 粘土1100 1600900 15001122 1107摩擦桩2国 际 大酒店500 50050粘土165015001110摩擦桩3体 委450 45036 33 27粘土 粘土 粘土1030 950 7201050 900 5500198 1106 1132摩擦桩4招贤巷 小 区450 45027 25淤质粘土 淤质粘土836 760650 6001129 1127摩擦桩5八 中 教学楼450 45027 25淤质粘土 淤质粘土850 660600 5301142 1124摩擦桩6某商住楼400 4002318 2318粉质粘土与 粉土互层900 750806 7981112 0194摩擦桩7株柏路 99 110350 350815粉细砂10262703180端承桩8船厂船台500 500812细砂11405002128端承桩9银荔大厦600 60060砂卵(砾) 石层450
