PHC管樁承載力時(shí)間效應(yīng)研究

趙廣順 何 洋

(1.合肥工大巖土工程有限公司，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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PHC管樁承載力時(shí)間效應(yīng)研究

趙廣順1何 洋2

(1.合肥工大巖土工程有限公司，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

分析了PHC管樁承載力時(shí)效性特征，探討了考慮時(shí)效性的管樁單樁承載力計(jì)算方法，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了PHC管樁單樁承載力與沉樁間歇時(shí)間的關(guān)系，建立了考慮時(shí)效性的單樁承載力計(jì)算公式。

PHC管樁，承載力，時(shí)效性，間歇時(shí)間

0 引言

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，樁沉入土中后，其承載力并不是一成不變的，而是隨時(shí)間的推移，有逐漸增大的趨勢。尤其是對于以擠土為主的預(yù)應(yīng)力管樁，這一現(xiàn)象尤為明顯。由于沉樁時(shí)的沖擊和刺入破壞造成樁周土體中孔隙水壓力劇增，樁周土體由于擠壓作用而被破壞，隨著沉樁時(shí)間的延長，土體中產(chǎn)生的孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力不斷增大，土體在沉樁后發(fā)生再固結(jié)作用，導(dǎo)致樁周土體的抗剪強(qiáng)度增大，承載力增大。樁周土的再固結(jié)和強(qiáng)度的恢復(fù)等作用，可引起PHC管樁單樁承載力的增大。

單樁承載力的時(shí)效影響不僅是由于樁周土體中孔壓的消散與有效應(yīng)力增加的結(jié)果，樁側(cè)土性質(zhì)的變化也是其重要影響因素之一，因?yàn)樗鼈兊淖兓苯佑绊憜螛冻休d力的變化。

本文分析了PHC管樁承載力時(shí)效性特征，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，建立了承載力時(shí)效性計(jì)算公式，探討了考慮時(shí)效性的單樁承載力計(jì)算方法，可為工程提供一定的參考作用。

1 PHC管樁承載力時(shí)效性分析

PHC管樁在沉樁施工完成后的一段時(shí)間內(nèi)，樁間土中的孔隙水壓力逐漸消散、土體發(fā)生再固結(jié)作用，從而引起單樁承載力逐漸增大，即PHC管樁單樁承載力隨沉樁間歇時(shí)間的增加而增大，稱為承載力的時(shí)效性。管樁單樁承載力的時(shí)效性，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義，很早就引起了巖土工程師的注意。

管樁承載力隨時(shí)間的推移而增大的時(shí)效性特征，已被大量的工程實(shí)例實(shí)測資料所證實(shí)，但如何選擇合理的設(shè)計(jì)值是需要解決的關(guān)鍵問題。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范中，常常要求沉樁施工完成后兩周進(jìn)行單樁承載力測試，并以此來確定承載力值，這樣有些偏低，可能造成管樁承載力的浪費(fèi)。

國內(nèi)外不少學(xué)者對樁基承載力的時(shí)效性特點(diǎn)及其影響因素開展了頗為深入的研究，得到了一些有益的結(jié)論。對于PHC管樁來說，其承載力的時(shí)效性特點(diǎn)既具有一般基樁的基本特征，又存在自身的特點(diǎn)，其影響因素眾多。PHC管樁單樁豎向承載力具有時(shí)效性特征，概括起來，包括以下幾個(gè)主要方面。

1.1 樁周土的強(qiáng)度觸變恢復(fù)時(shí)效

在PHC管樁沉樁過程中，土體由于管樁的擠壓作用，發(fā)生擾動(dòng)破壞，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度明顯減小。沉樁施工完成后，隨著間歇時(shí)間的推移，樁周土體損失的強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，樁的承載能力顯著提高。

1.2 固結(jié)時(shí)效

沉樁過程中，樁周土體由于受到樁體的擠壓作用，導(dǎo)致樁周土中總應(yīng)力和超孔隙水壓力有一定程度的增大，PHC管樁沉樁施工完成后，隨著間歇時(shí)間的推移，土中的超孔隙水壓力從較高的孔壓區(qū)逐漸向較低的孔壓區(qū)消散。孔隙水壓力的不斷消散，引起樁周土體發(fā)生再固結(jié)作用，土體中的有效應(yīng)力不斷增大，其抗剪強(qiáng)度增大，進(jìn)而導(dǎo)致PHC管樁單樁承載力提高。

1.3 硬化效應(yīng)

PHC管樁在沉樁過程中，樁周土體受到橫向擠壓和豎向剪切作用。緊貼樁身周圍的土體所受到的擾動(dòng)作用顯著，形成完全塑性區(qū)。沉樁過程中，PHC管樁與樁間土產(chǎn)生相對滑移，樁—土界面處形成一層水膜，由于該水膜的潤滑等作用，可降低沉樁阻力，利于PHC管樁沉樁施工。在PHC管樁沉樁過程中，由于接樁等原因，往往需要停頓。沉樁停頓后，該水膜就會消失，從而導(dǎo)致沉樁阻力在短時(shí)間內(nèi)顯著增加。PHC管樁壓樁施工結(jié)束后，樁周土體經(jīng)過一段時(shí)間的靜置，孔隙水壓力消散，發(fā)生固結(jié)。在緊貼樁身表面附近，將逐漸形成一層硬殼層，其抗剪強(qiáng)度比其周圍土體的強(qiáng)度要高。諸多工程實(shí)踐表明，該硬殼層的厚度受管樁表面的粗糙程度和土的性質(zhì)等因素影響，一般在3 mm～20 mm。因此，當(dāng)PHC管樁受到豎向荷載作用而發(fā)生向下的位移時(shí)，該硬殼層將隨樁身一起向下移動(dòng)，使得土體的剪切面發(fā)生在該層之外圍。實(shí)際上，完全塑性區(qū)與部分?jǐn)_動(dòng)區(qū)的交界面即為該剪切面。這種由于硬化而引起的土體剪切面外移作用，實(shí)際上增加了樁的側(cè)表面摩擦面積，即增加了管樁的側(cè)摩阻力，從而提高了PHC管樁的單樁承載力。

2 PHC管樁單樁承載力時(shí)間效應(yīng)計(jì)算

在PHC管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，考慮承載力的時(shí)間效應(yīng)，進(jìn)行承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，應(yīng)通過計(jì)算或?qū)崪y，獲得沉樁引起的樁間土中超靜孔隙水壓力在任一時(shí)刻t的消散值，計(jì)算得到土中的有效應(yīng)力增量,進(jìn)一步計(jì)算承載力增量,得出任一時(shí)刻t的管樁單樁承載力。具體計(jì)算方法概括如下。

2.1 確定管樁的承載力初始值

管樁承載力初始值指的是管樁沉樁結(jié)束瞬時(shí)的單樁承載力值。在沉樁結(jié)束時(shí)刻，由于擠土作用,樁周土受到擾動(dòng)而存在很大的損傷,土體抗剪強(qiáng)度最小,管樁承載力最小。在靜壓法施工中，可以使用簡便的格局試樁試驗(yàn)或者終止壓樁力,直接確定管樁的初始承載力。

2.2 確定管樁側(cè)土體抗剪強(qiáng)度增量

管樁的單樁承載力增長主要是由于樁間土中的孔隙水壓力消散以及土體的再固結(jié)導(dǎo)致的有效應(yīng)力增加等原因所致?？梢韵扔?jì)算獲得孔隙水壓力值，把土體的固結(jié)問題看作是軸對稱的彈性問題來分析，計(jì)算得到有效應(yīng)力增量和抗剪強(qiáng)度增量。

2.3 確定管樁單樁承載力增量

首先通過分析，確定樁土破壞面的位置。緊靠樁側(cè)的土體受到擾動(dòng)而完成重塑，形成硬殼層。硬殼層的出現(xiàn)，導(dǎo)致管樁側(cè)摩阻力的增大，從而引起單樁承載力的增大。因此，可以通過計(jì)算硬殼層的厚度及其引起的摩阻力與端阻力增大值，來確定管樁單樁承載力的增量大小。

2.4 確定任意間歇期的管樁單樁承載力

任意t時(shí)刻管樁的單樁極限承載力即為管樁初始承載力與管樁側(cè)摩阻力和端阻力增量值之和。

3 PHC管樁承載力時(shí)效性現(xiàn)場試驗(yàn)

在某高速公路橋梁管樁基礎(chǔ)工程中，進(jìn)行了不同齡期的單樁承載力試驗(yàn)，建立了承載力提高系數(shù)與沉樁間歇時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示。

結(jié)果表明，沉樁施工完成后的1周～2周時(shí)間內(nèi)，PHC管樁的單樁承載力較最終壓樁力提高了1.3倍～1.5倍。通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的研究，可以看到承載力PHC管樁承載力隨時(shí)間的變化關(guān)

系大致符合雙曲線規(guī)律，如圖1所示。

將該雙曲線表示為如下關(guān)系式：

(1)

式中：ξ——單樁承載力提高倍數(shù)；

t——管樁沉樁間歇時(shí)間，d；

α，β——雙曲線系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定。

因此，利用式(1)，可計(jì)算得到間歇時(shí)間的PHC管樁豎向單樁承載力：

Qt=ξ·Q0

(2)

式中：Qt——PHC管樁在間歇時(shí)間t時(shí)刻的單樁豎向承載力，kPa；

Q0——PHC管樁沉樁施工時(shí)的最終壓樁力，kPa。

當(dāng)t→∞時(shí)，通過式(1)可得到ξ的極限值：

(3)

則PHC管樁的單樁豎向最終承載力為：

(4)

利用式(4)，可通過較為簡便的計(jì)算獲得PHC管樁的單樁最終豎向承載力值。

4 結(jié)語

本文分析了PHC管樁承載力時(shí)效性特征，探討了考慮時(shí)效性的管樁單樁承載力計(jì)算方法。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，探討了單樁承載力隨沉樁間歇時(shí)間的變化規(guī)律，建立了考慮時(shí)效性的PHC管樁單樁承載力計(jì)算方法，對工程實(shí)踐具有很好的指導(dǎo)作用。

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Study on the time-effectiveness of PHC pipe pile bearing capacity

Zhao Guangshun1He Yang2

(1.HefeiTechnologyUniversityGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Hefei230009,China;2.CollegeofResources&EnvironmentEngineering,HefeiUniversityofIndustry,Hefei230009,China)

The paper analyzes the time-effectiveness features of PHC pipe pile bearing capacity, and explores single pipe pile bearing capacity calculation method by taking time-effectiveness into consideration. Through site experiment, it analyzes the relationship between single PHC pipe pile bearing capacity and sinking pile intervals, and establishes single pipe pile bearing capacity calculation formula by taking time-effectiveness into consideration.

PHC pipe pile, bearing capacity, time-effectiveness, interval time

1009-6825(2016)20-0060-02

2016-05-08

趙廣順(1982- )，男，工程師

TU473

A