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1、混凝土管桩土塞效应分析摘要：本文针对管桩应用中产生的土塞效应进行了分析和总结。介绍了管桩沉桩过程中土塞形成的机理和土塞长度的计算方法。与闭口桩的竖向承载力相比较，开口管桩由土塞引起的桩管内壁侧阻力的性状受多种因素的影响和制约，变化很复杂。关键词：管桩；土塞效应；承载力；挤土效应一、问题的提出预应力高强混凝土管桩具有施工速度快、价格低、承载力高、质量稳定、养护时间短、施工方便等诸多优点。近年来在各地基础工程中得到了越来越广泛的使用，但目前关于其竖向承载力计算的经验公式不多，现行的地基基础规范大多套用预制方桩的参数【1】。对于开口的预应力空心管桩，其承载机理和承载力远比闭口桩复杂。这是因为预应力空
2、心管桩在沉桩过程中，桩端土受挤压后有一部分进入管桩内形成土塞。另一部分将被挤向桩周。随着沉桩的继续深入，涌入管桩内的土芯不断增高，当到达一定高度后。由于管桩内壁与土芯间的摩阻力作用，产生封闭效应，即形成了土塞。而桩端土的闭塞程度又直接影响端阻发挥与破坏性状及桩的承载力。如果按照经验公式来计算管桩单桩承载力必然会造成单桩承载力设计值偏低。实际工程中经常会发现试桩的单桩承载力要大于设计院给定的值。所以对于预应力管桩的土塞效应研究是非常需要的对于不同地区不同土质条件也应区别分析研究【2】。二、土塞形成机理和性状对于开口的管桩，在沉桩过程中桩端土受挤压后，有一部分土被压入桩管内形成“土塞”，另一部分土
3、被挤向桩周。进入管桩内的那部分土受到管内壁摩阻力作用产生一定的压缩，土塞的高度与性状与桩的打入深度、土层及持力层性质、管桩的管径与壁厚等诸多因素有关。而桩端土的闭塞程度又直接影响持力层桩端阻力的发挥与桩端持力层破坏模式及桩的承载力，上述作用为“闭塞效应”。因此对于开口的管桩，其承载机理和承载力计算要远远比闭口桩复杂。与闭口桩的竖向承载力表达式比较，桩外侧阻力QS项是基本相同的，桩管环底端阻力QP计算的方法也是基本相同的，只是计算的受力面积为环底面积，而不是管桩的桩底(包括环底和土芯)面积，因此问题的实质是如何确定桩管内侧阻力QI。计算空心管桩承载力的关键是如何确定管内土芯侧阻力。而管内土芯侧阻
4、力的发挥性状与管外侧阻力不同，后者随着桩顶加载、沉降出现自上而下发挥，前者则只有当荷载传递到桩端并产生桩端沉降才开始由下而上逐渐发挥。由于荷载较小时管内土塞连同桩管同步下沉，只有当土塞底部受到足够大的反力，土塞产生相对于与内管壁的向上位移时，侧阻力才逐渐发挥出来。土塞的模量越低，土塞的高度越大，全部充分发挥土塞侧阻力所需沉降也越大。一般情况下，要充分调动土塞全长的侧阻力是不可能的，因其所需沉降较大，比充分发挥端阻力所需的沉降更大【2】。注：H为桩的打入深度Lp为土塞长度，DO为桩外径，Di为桩内径图1 打桩过程中土塞变化示意图开口管桩土塞的形成对确定桩的打入性状以及打桩过后的承载性状具有重要意
5、义。土塞的闭塞效应一般采用土塞增量与桩打入深度增量之比 (the incremental filling ratio，简写为IFR)来评价。该指标定义为 式中：dLp/dH表示桩的打入深度增加一个单位长度，土塞长度的增加量。其中IFR= 0，IFR=100分别对应两种极端情况是：土塞完全闭塞，没有任何土体继续进入桩内；土塞完全填充，土塞长度增加量与桩打入深度增加量相等。Kyuho Paik等【7】在研究砂土中管桩土塞效应时发现，IFR与土塞长度与桩打入深度之比PLR ( Lp/H) 呈线性关系，并提出经验公式：谢永健等基于上海典型软土地基中长PHC桩的现场试验，统计分析 3个不同场地共44根桩
6、打桩过程中的土塞数据，得出PLR与IFR关系式如下：由于现场可以方便测出土塞高度(Lp)和桩打入深度(H)，故建立IFR与PLR的经验公式有助于现场人员根据现场测量情况，快速确定土塞的闭塞效应指标IFR。三、土塞对承载力的影响与闭口桩的承载力计算方法不同，开口桩的竖向承载力Qu包括：，由桩外侧阻力QS，桩管内侧阻力QI，桩管环底端阻力QP三部分组成，其承载力表达式为【2】：其中QS、QI分别为桩管外壁与内壁的极限摩阻力；QP管桩管壁的极限端阻力；Qu管桩的极限承载力。与闭口桩的竖向承载力表达式比较，桩外侧阻力QS项是基本相同的，桩管环底端阻力QP计算的方法也是基本相同的，只是计算的受力面积为环
7、底面积，而不是管桩的桩底(包括环底和土芯)面积，因此问题的实质是如何确定桩管内侧阻力QI。由土塞引起的桩管内壁侧阻力的性状受多种因素的影响和制约，变化很复杂。本文主要介绍计算管桩的内壁阻力的山原法。图2 土塞隔离体受力分析取深度处厚度d土塞隔离体的平衡，可得：式中：p、q深度处的竖向压力、水平压力（kN/m2）;A、U管内截面积、周长（m）；c土的粘聚力或土与管壁的外摩擦角；a土的内摩擦角或土与管壁的外摩擦角，取其小者；土的重度（kN/m3）对式两边积分，并设k=tga，Ds为桩的内径（m），为水平土压力与竖向土压力之比，则有式中px为单位截面积上的管内侧阻。四、土塞对挤土效应的影响开口管桩属
8、于部分挤土桩，管桩的部分挤土效应应该理解为两层含义：1、开口管桩在沉桩过程中有部分土进入管内，与方桩相比，其挤土效应是不完全的、部分的；2、进入管内的土柱是由不完全闭塞渐进而转化为完全闭塞状态的，部分挤土效应是随闭塞效应同步发展的。开口管桩在打入或压入的成桩过程中因为土塞的闭塞效应引起的挤土作用，会使桩周土产生扰动重塑及侧向压应力增加。对于非饱和土，土由于受挤而增密。土质愈松散，土粒的粘性愈低，其增密幅度愈大。对于饱和粘性土，由于瞬时排水固结效应不显著，体积压缩变形小，引起超孔隙水压力，土体产生横向位移和竖向隆起。在沉桩过程中，桩周土层被压密和挤开，桩周土体中的应力状态了相应发生改变，桩周土体
9、被重塑和扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生很大改变，沉桩的挤土效应造成的桩周土体侧移和隆起对邻近建筑物、地下工程和市政管线的破坏和影响等问题也是日益突出。因此，了解并掌握开口管桩沉桩的挤土效应规律，不仅有利于减小沉桩对周围环境的不良影响，也利于提高沉桩工程本身的质量和施工进度，但至今人们对于开口管桩挤土效应对桩周围的工程环境的影响规律仍在探索中。五、结论本文针对管桩应用中产生的土塞效应进行了分析和总结。介绍了管桩沉桩过程中土塞形成的机理和土塞长度的计算方法。与闭口桩的竖向承载力相比较，开口管桩由土塞引起的桩管内壁侧阻力的性状受多种因素的影响和制约，变化复杂，本文主要介绍计算管桩的内壁阻力的山原法。开口管桩作为部分挤土桩，在沉桩过程中有部分土进入管内，与实心桩相比，其挤土效应是不完全的、部分的；进入管内的土柱是由不完全闭塞渐进而转化为完全闭塞状态的，部分挤土效应是随闭塞效应同步发展的。参考文献：1.开口管桩土塞效应研究进展及展望,建筑结构,2008/042.PHC管桩土塞效应浅析,工业建筑,2005/S13.打入承压水层中的管桩土塞的稳定分析,建筑结构,2005/12