静压法与锤击法施工预制桩沉桩机理及承载力差异研究

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　　[摘要]通过工程实例分析，对静压法与锤击法两种沉桩方法造成的承载力差异进行了深入研究，探讨了在同一地质条件下静压法与锤击法施工预制桩其单桩承载力存在较大差异问题及解决对策。
　　[关键词]静压法 锤击法 预制桩 承载力 粉土液化 沉桩机理
　　[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-407-1
　　在地基与基础工程施工中，预制桩由于具有效率高、成本低、质量好且桩体形状可根据设计需要灵活改变等特点，故被广泛应有。目前国内常用的沉桩方法有静压法和锤击法，设计计算承载力时一般认为，在相同技术参数和地质条件下，两种沉桩方法得到的单桩极限承载力应该是一样的，但在实际工程施工中，检测数据证明存在较大的差异。
　　1工程实例
　　1.1地质条件
　　位于浙江杭州甲、乙两个工地，相互毗邻，建筑基础均采用预制管桩桩基，经取样检测，地层岩性为粉土，中密、中-低压缩性、接近-完全饱和状态。
　　1.2施工工艺和检测结果
　　工地甲采用PC-600（100）预应力管桩静压法施工，桩长15.0m，桩端入土15.7m，沉桩后3天静载荷试验时加载到2565KN，沉降量为20.8mm，且承载力还有提高的空间。
　　工地乙采用PC-600（70）预应力管桩锤击法施工，桩长15.0m，桩端入土15.8m，沉桩后15天进行静载荷试验，普遍的极限承载力仅有1500-1700KN。沉降量一般达到40mm以上，静置14天后再行复测，承载力亦无明显提高。
　　2工程佐证
　　鉴于以上测试结果，笔者研究了一些具有可比性的预制桩单桩承载力的检测结果，发现采用不同的沉桩方法，单桩承载力差异明显的现象并不是特例。例如江苏徐州某工地，施工区内地层17m以浅地段为稍密-中密状态的粉土，其下为中-低压缩性的粘性土。设计桩基为预制桩，规格400mm×400mm，桩长15m，桩端入土18.5m，其沉桩方式一部分采用静压法施工，一部分采用锤击法施工。该工地试压桩静载荷试验结果显示单桩承载力差异达3倍以上。
　　3原因分析
　　3.1沉桩机理影响因素
　　锤击法施工，通过给桩头往复施加冲击力作用，会产生一种振动波，该波以三种形式在土层传播，即压缩波、剪切波和表面波。锤击法在施工过程中，桩底和桩周附近的土体抗剪强度急剧降低，当桩底土的强度与桩周土对桩的摩擦阻力两者之和不足以抵抗桩顶施加的激振力和桩的自重时，土体即被破坏，桩身得以下沉。静压法施工，可以看做是一个静态过程，一方面桩端土在外力加载作用下经过压密阶段、局部剪切阶段直至产生结构破坏；另一方面桩周土会被桩体连带下沉，甚至桩体与部分土体脱离，因而造成沉桩时摩阻力变小，桩体得以顺利下沉。
　　3.2挤密作用影响因素
　　锤击法和静压法施工预制桩均属于挤土桩，沉桩过程中桩尖处的土体向下和周边挤压，地表土体会向上隆起，但在地下深处，由于上覆压力的作用，土体向四周挤压。根据小孔扩张理论，这种横向挤压力最大可达7.5倍原土体强度，在这种扩张力作用下，土体的孔隙率降低，强度得以提高。但由于锤击法和静压法沉桩机理不同，两者的挤密效果亦不尽相同。由于土体为粉土，锤击法施工时土体存在流态区，必然消弱桩周摩擦阻力和桩端阻力，导致挤密作用力降低，与静压法施工相比，单桩承载力存在明显差别。
　　3.3孔隙水影响因素
　　锤击法施工依靠振动作用，孔隙水压力随着振动的循环而逐渐累加，在这种荷载的反复作用下，当逐步聚集起来的孔隙水压力等于或大于上覆土的有效应力时，土粒间的链接结构发生崩解，相互分散而悬浮于水中，就产生了液化。静压法施工由于贯入过程近乎匀速，可以看做是一种持续的静力作用，土体始终处于平衡状态。因排水条件不畅，同样会产生超孔隙水压力，但这种压力是一种静水压力作用，不会积累增加，即使在加压的某一瞬间也可能会产生孔隙水压力等于或大于上覆土的有效应力。因此，土体产生液化的可能性及超孔隙水压力的影响，必然导致锤击法和静压法两种施工方法单桩承载力产生较大差别。
　　3.4孔隙水压力消散时间影响因素
　　实践证明，沉桩完成后桩体承载力一般会随着孔隙水压力的消散及有效应力的提高而逐渐提高。由于沉桩过程中的挤密作用，桩端及桩侧的土体受到的总应力均比原始状态的应力高，有关试验资料显示最高可达7.5倍。由于总应力提高，最终形成的有效应力也会比原始状态的应力高，另外，由于锤击法施工导致土体发生液化，使得桩体环向挤压力不如静压法大，即桩侧和桩端土体在沉桩过程中受到的总应力较小，超孔隙水压力消散后的有效强度也较低，造成预制桩的承载力下降。
　　3.5土质本身影响因素
　　本工程实例中下覆地层为粉土，施工过程中很容易液化，液化是导致单桩承载力下降的一个非常重要的原因。影响粉土液化的因素很多，如含水量、密实度、周围应力、动载荷大小及频率等，但对于桩基而言，更应关注液化后重塑土体的强度恢复问题，而其中的粘粒含量就是一个关键因素。静压法施工预制桩的工程只存在挤压作用不存在振动作用，故不会产生土体液化现象。单纯从这个意义上讲，在粉土地基中施工预制桩，同等条件下单桩承载力静压法比锤击法要高，具有更好的保障效果。
　　4结论与建议
　　通过以上工程实例和原因分析，可以得到以下结论与建议：
　　（1）在预制桩工程施工中，沉桩引起的土体液化，对土体强度的影响最大，是造成桩基承载力偏低的主要原因；
　　（2）在容易液化的粉土地层中，锤击法施工预制桩得到的单桩极限承载力比静压法施工预制桩得到的单桩极限承载力低，其幅度一般超过50%；
　　（3）在其它容易液化的地层（如饱和粉砂、细砂等）中，两种施工方法得到的单桩极限承载力也有可能会出现上述结果；
　　（4）在同等条件下，与锤击法相比，静压法施工预制桩对桩基承载力更有保障。因此，建议在施工条件允许的情况下，应优先选用静压法施工；
　　（5）由于两种沉桩方法可能导致桩基承载力不同，因此，建议同一地块同一单体建筑物不要同时采用两种沉桩方法，否则有可能产生不均匀沉降，继而造成严重的工程质量事故。
　　参考文献
　　⑴ 王文韶.土的动力强度和液化特性〔M〕.北京：中国电力出版社，1996.
　　⑵ 赵明华，等. 土力学地基与基础疑难释义〔M〕. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
　　⑶ 黄博，陈云敏，殷建华，等.粉土和粉砂的动力特性实验研究〔J〕.浙江大学学报（工学版），2002，（3）.
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