軟土地區(qū)中路堤荷載下預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力及沉降特性研究

黨國(guó)峰 劉海龍 王凱 姚廣鵬 陳俊

【摘要】在現(xiàn)代工程建設(shè)當(dāng)中，預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)揮著極其重要的作用，其具有施工成本低、承載力高等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛使用在工程建設(shè)中。但是預(yù)應(yīng)力管樁也存在很多的問題，在施工方面很多不完善的地方。比如在軟土地區(qū)當(dāng)中路堤荷載下預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用以及承載力水平還有很大的研究空間。因此本文選取軟土地區(qū)中研究路堤荷載下預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力的問題，通過公式計(jì)算以及實(shí)例研究進(jìn)一步闡釋承載力問題，并通過軟件修正系數(shù)。在文章的最后，總結(jié)了在使用過程當(dāng)中常見的預(yù)應(yīng)力管樁操作問題，提出了相應(yīng)的預(yù)防手段，希望能夠?yàn)橐院箢A(yù)應(yīng)力管樁的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】路堤荷載;預(yù)應(yīng)力管樁;單樁承載力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.097

1、路堤荷載下預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載機(jī)理分析

1.1簡(jiǎn)要概述

預(yù)應(yīng)力管樁在路堤荷載下受到的力會(huì)從兩個(gè)途徑分散。第一個(gè)會(huì)沿著管樁本身傳遞到管樁的持力層，形成一個(gè)樁端阻力。第二種是由于摩擦阻力的作用受到的力會(huì)從樁體本身向下分散到土層當(dāng)中。也就是說管樁的路堤荷載承載力在豎直方向并不是由一個(gè)力來(lái)承受，而是由兩個(gè)力共同分散承擔(dān)。在荷載的第一階段，管樁的樁頂會(huì)發(fā)生一種彈性變化，管樁本身與土層之間會(huì)出現(xiàn)位移。但是這種位移是一種相對(duì)靜止的狀態(tài)，同時(shí)管樁側(cè)面的阻力產(chǎn)生一定作用。管樁側(cè)面的摩擦力與管樁本身呈現(xiàn)一種線性關(guān)系。一旦這種荷載繼續(xù)加大，那么管樁的下半部分摩擦阻力也會(huì)逐漸增大。二者成正向相關(guān)關(guān)系。此時(shí)管樁所在的土層會(huì)受到外力擠壓，形成樁端阻力。一旦繼續(xù)加大荷載，該阻力也會(huì)增大，導(dǎo)致樁體本身與土層之間的位移進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)樁體的側(cè)摩擦力由于荷載不斷增大，到達(dá)一定數(shù)值之后此時(shí)繼續(xù)增大荷載所帶來(lái)的摩擦力將由管樁本身獨(dú)自承擔(dān)。在這種情況下，管樁的側(cè)阻力會(huì)率先被激發(fā)出來(lái)，發(fā)揮作用。如果繼續(xù)加大摩擦阻力到達(dá)一定數(shù)值后，樁端阻力也會(huì)相應(yīng)增大，直到到達(dá)臨界值。此時(shí)繼續(xù)加載，管樁本體就會(huì)發(fā)生一定破壞，樁身也失去了承載力。具體的受力情況如下圖1所示。

預(yù)應(yīng)力管樁的承受力會(huì)根據(jù)地層的變化而變化。在軟土地區(qū)中管樁的承受力主要是端承摩擦樁。也就是管樁側(cè)摩阻力承受大部分的荷載壓力，而端樁阻力只承受其中一小部分的荷載。

1.2影響因素分析

預(yù)應(yīng)力管樁承受力的部位主要是在端承樁以及摩擦樁位之間。很多因素都會(huì)對(duì)路堤和在下的單樁承載力造成影響，比如管樁的尺寸、大小、直徑以及管樁的長(zhǎng)度，甚至是施工的工藝等。

在路堤荷載作用下，樁體和土層都會(huì)發(fā)生一定的變形和壓縮。而管樁本身的變形和土地的壓縮比例變化是由管樁的承載力決定的。如果管樁本身比土體的抗變形能力更強(qiáng)，那么樁端阻力就會(huì)承受絕大多數(shù)的荷載壓力。如果管樁本身比土體的抗變形能力弱，此時(shí)樁側(cè)會(huì)承擔(dān)絕大多數(shù)的荷載壓力。

2、路堤荷載下預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力分析

2.1計(jì)算公式

在分析和計(jì)算預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力的時(shí)候應(yīng)該綜合考量各因素，進(jìn)行全面分析。計(jì)算方法主要有兩種，第一種是將所有阻力計(jì)算出來(lái)相加在一起來(lái)表示單樁承載力，但是這種方法很難確定管內(nèi)的相關(guān)阻力。第二種是計(jì)算管外側(cè)阻力和端樁阻力。筆者選擇用第二種算法計(jì)算預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力，計(jì)算公式如下。

如果（hb/d）的數(shù)值范圍在5以下時(shí)，λp=0.15（hb/d）

如果（hb/d）的數(shù)值范圍在5以上時(shí)，λp=0.8。

qsik-樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

qpk-極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

λp-樁端土塞效應(yīng)系數(shù);

li-樁穿越各個(gè)土層的長(zhǎng)度;

u-樁身周長(zhǎng);

hb-樁端進(jìn)入持力層深度;

2.2實(shí)例分析

以某軟土地區(qū)1工程為例。在該工程中采用的預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度為18米，管樁直徑為0.5米，管樁壁厚為9厘米，管樁樁端到達(dá)持力層的深度為1米，樁端以下厚度為3米，持力層為粉質(zhì)軟土。具體數(shù)據(jù)如下表所示。

根據(jù)計(jì)算公式能夠計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)值為1540KN，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.04。

以某軟土地區(qū)2工程為例。該工程采用的預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度為20米，管樁直徑為0.5米，管樁壁厚為8.5厘米，管樁樁端到達(dá)持力層的深度為0.5米，樁端以下厚度為三米，持力層為粉質(zhì)軟土。具體數(shù)據(jù)如下表2。

根據(jù)計(jì)算公式能夠計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)值為1600KN，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.06。

以某軟土地區(qū)3工程為例。該工程采用的預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度為18米，管樁直徑為0.4米，管樁壁厚為8厘米，管樁樁端到達(dá)持力層的深度為0.4米，樁端以下厚度為3.3米，持力層為粉質(zhì)軟土。具體數(shù)據(jù)如下表3。

根據(jù)計(jì)算公式能夠計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)值為1020KN，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.09。

以某軟土地區(qū)4工程為例。該工程采用的預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度為20米，管樁直徑為0.4米，管樁壁厚為9厘米，管樁樁端到達(dá)持力層的深度為0.5米，樁端以下厚度為4.3米，持力層為粉土。具體數(shù)據(jù)如下表4。

根據(jù)計(jì)算公式能夠計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)值為2380KN，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.41。

從這些數(shù)據(jù)能夠看出，如果管樁持力層為粉質(zhì)軟土?xí)r，預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力的極限值與實(shí)驗(yàn)值大小相似。如果預(yù)應(yīng)力管樁的樁端持力層為粉質(zhì)軟土?xí)r，豎向荷載力與規(guī)定承載力大體一致。也能夠說明相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值具有較強(qiáng)的可行性。如果持力層是墳土或粉砂時(shí)，通過計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值的比值大于1而平均值為1.3左右，二者相差較大，因此針對(duì)這些情況要及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整。

2.3修正系數(shù)

本文選取MATLAB軟件計(jì)算相關(guān)系數(shù)，該軟件指令表達(dá)式大體一致。對(duì)于用戶來(lái)說操作較為便捷，運(yùn)用遺傳算法結(jié)合上述實(shí)例，借助MATLAB軟件將數(shù)據(jù)運(yùn)算到程序當(dāng)中能夠得出最佳適應(yīng)度數(shù)值。具體程序如下所示。

function error = fun（x）

%該函數(shù)用來(lái)計(jì)算適應(yīng)度值

e = ones（1，4）;

e（1，1） = abs（1371.3*x（1，1）+266.28*x（1，2） -2380）;

e（1，2） = abs（1247.6*x（1，1）+360.47*x（1，2） -2400）;

e（1，3） = abs（1336.77*x（1，1）+356.5*x（1，2） -2360）;

e（1，4） = abs（1396.42*x（1，1）+253.1*x（1，2） -2400）;

error-sun（e（1：））;

disp（'ertor：'）;

disp（eIтоr）;

運(yùn)行結(jié)果為1.0887、1.3854。

3、軟土地區(qū)工程應(yīng)用中常見問題及預(yù)防

3.1常見問題

在軟土地區(qū)進(jìn)行管樁施工的時(shí)候，由于施工措施不合理、方案設(shè)計(jì)不健全等問題引發(fā)管樁出現(xiàn)傾斜或者是樁身開裂等。

最近幾年以來(lái)，在軟土地區(qū)出現(xiàn)大面積沉樁問題。很多管樁發(fā)生斷裂或傾斜的情況。如某垃圾處理場(chǎng)預(yù)制樁工程在2019年底施工，使用855根PHC管樁。對(duì)其中570根基樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有130根樁出現(xiàn)斷裂，絕大多數(shù)管樁出現(xiàn)偏移，偏移量最大高達(dá)3500毫米，而且不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行糾傾處理，只能將出現(xiàn)問題的管樁全部廢棄，改為直徑更大的灌注管樁。另外為了縮減施工時(shí)間，對(duì)于沉樁的速率沒有進(jìn)行嚴(yán)格的控制，最終導(dǎo)致超孔壓高，擠土效應(yīng)現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

此外，還有由于基坑支護(hù)不當(dāng)，挖土施工過程當(dāng)中不均勻，以及開挖土方堆積在管樁周圍，使得外運(yùn)的過程中導(dǎo)致管樁發(fā)生移位現(xiàn)象。此外，管樁接頭等配件如果不牢固，就會(huì)直接造成沉樁現(xiàn)象。不牢固的配件在施工過程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)接駁錯(cuò)位，導(dǎo)致各配件連接強(qiáng)度較低，最終導(dǎo)致管樁的抗壓能力較弱，頻頻出現(xiàn)管樁被打起等事故。如果樁端的持力層為遇水易軟化的土質(zhì)就需要謹(jǐn)慎選擇管裝材質(zhì)，特別是一些強(qiáng)風(fēng)化泥巖，這類巖層的含泥量大。如果管樁的內(nèi)部漏水或者是有雨水滲透進(jìn)去就會(huì)導(dǎo)致持力層遇到水分變軟導(dǎo)致承載力大大降低。

3.2預(yù)防手段

軟土地區(qū)施工過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制沉樁的速率，或者是采用一系列手段加速孔壓消散，如設(shè)置一些塑料排水板等，也可以采取真空預(yù)壓的手段將軟土層壓實(shí)后再進(jìn)行沉樁施工。軟土地區(qū)的基坑開挖之前需要將壓力消散，也可以采取降水措施后進(jìn)行開挖。此外，挖土過程當(dāng)中應(yīng)該均衡進(jìn)行，高度不應(yīng)該大于1米。在焊接管樁和配件時(shí)要嚴(yán)格控制焊縫的質(zhì)量，合理設(shè)計(jì)焊縫的長(zhǎng)度與寬度，同時(shí)結(jié)合季節(jié)變化，注意焊縫的冷卻時(shí)間。如果在施工過程當(dāng)中遇到風(fēng)化巖層時(shí)，必須要做好樁端的防水工作，避免水滲透到樁體內(nèi)部使巖層變軟。

結(jié)論：

本文首先對(duì)管樁的受力機(jī)理進(jìn)行了分析，說明在預(yù)應(yīng)力管樁受力的過程當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)擠土和土塞的效應(yīng)，這些效應(yīng)會(huì)使得預(yù)應(yīng)力管樁的摩擦阻力增加。其次，通過對(duì)工程的實(shí)際案例以及理論研究，選取適合的計(jì)算單樁承載力公式，并結(jié)合多個(gè)工程實(shí)際案例及相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)應(yīng)力管樁單樁的承載力。此外，在文章最后一部分針對(duì)現(xiàn)代施工過程當(dāng)中可能會(huì)存在的問題進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)這些問題提出了相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。希望能夠通過這些建議及研究提升現(xiàn)代工程建設(shè)的效率，有效減少管樁沉樁以及傾斜等問題出現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

黨國(guó)峰（1982.1—），男，河南省駐馬店市，大學(xué)本科，中電建路橋集團(tuán)有限公司，公路工程方向。