砂層地基中預制管樁樁長對基樁沉降量的影響分析

劉文龍

摘 要：根據(jù)豎向荷載作用下的樁-土相互作用原理，并考慮土體應力應變的非線性特征，建立了樁基沉降簡化模型。筆者以某高速公路為工程實例，探討了預制管樁樁長和回彈率在砂層地基中對基樁沉降的影響。研究結(jié)果表明：當樁徑不變時，基樁沉降隨樁頂豎向荷載的增加呈現(xiàn)非線性增大的趨勢，隨樁長的增大呈非線性減小趨勢;增大樁徑一定程度上能夠減小樁基豎向受荷沉降，但是對于樁徑800 mm的基樁，樁長增大到12 m時，樁長已經(jīng)不再是控制樁徑沉降的關鍵參數(shù);基樁試驗樣本的回彈率在小范圍內(nèi)波動，對基樁沉降基本無影響，以期為基樁工程的設計提供參考。

關鍵詞：預制管樁;沉降;樁基;回彈率

中圖分類號：U448.25;U441+.3 ? 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2022）3-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.023

Analysis of the Influence of the Length of Prefabricated Pipe Piles on the Settlement of Foundation Piles in Sand Ground

LIU Wenlong

（1.No.2 Engineering Co.， Ltd. of China Railway 10th Group Co.， Ltd. Zhengzhou 450008，China;2. Henan Anluo Expressway Co.， Ltd. Zhengzhou 450003， China）

Abstract： According to the principle of pile-soil interaction under vertical load， and considering the nonlinear characteristics of soil stress and strain， a simplified pile settlement model is established. The author takes the foundation piles of the viaduct from Shangcai to Luoshan on the Anyang-Luoshan Expressway as an engineering example to discuss the influence of the length and resilience of precast pipe piles on the settlement of foundation piles in sand foundations. The research results show that when the pile diameter is constant， the settlement of the foundation pile decreases with the increase of the pile length in a non-linear trend， and with the increase of the vertical load on the top of the pile， it shows a non-linear increase trend. Increasing the pile diameter can reduce the vertical load settlement of the pile foundation to a certain extent， but when the pile length increases to about 12m with pile diameter of 800mm， the pile length is no longer a key parameter to control the pile diameter settlement. The rebound rate of the foundation pile test samples fluctuates in a small range， and has basically no effect on the settlement of the foundation pile， which is expected to provide a reference for the design of foundation pile engineering.

Keywords： precast tubular pile; sedimentation; pile foundation; percentage of rebound

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，公路對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的促進作用越來越大。公路作為帶狀構造物，有時需要穿越不同的地質(zhì)單元，導致部分橋梁修建在軟弱土層中。由于土層的承載能力不足，會造成橋梁基樁的沉降量過大，進而影響橋梁的安全和使用壽命[1-3]。

近年來，對樁基沉降問題，學者們提出了相關的理論并進行了一系列的試驗。張瑞坤[4]等基于深厚軟黏土地區(qū)的4根單樁靜荷載試驗資料，分析了單樁沉降。張忠苗[5]等人通過試驗對比高強混凝土管樁和預制方樁中的沉降曲線和樁身分布情況，研究了高強混凝土管樁的傳遞機制。劉紅軍[6]等建立了用于單樁沉降計算的數(shù)學規(guī)劃模型，通過與算例證明了該方法的準確性。陳錦劍[7]等結(jié)合彈性理論，基于單樁荷載試驗結(jié)果，探討了工作荷載下單樁沉降的簡化方法。彭武[8]等借鑒已有巖石結(jié)構面剪切強度的方法，采用荷載傳遞理論，分析了預制管樁的受力機理。陳焰明[9]等對預制方樁與高強混凝土管樁進行了靜載試驗，對比分析了預制方樁與高強混凝土管樁在軸向荷載作用下樁身的受力特性。尹建坤[10]等提出了鉆埋式微型預制管樁承載力試驗研究方法。靳建明[11]等基于最小勢能原理，推導了樁-土體系的控制方程，提出了相應的求解方法。以往的研究主要為樁和土之間的作用機理，研究樁豎向承載能力，但是現(xiàn)有的成果還未體現(xiàn)在砂層地基中的基樁的尺寸對沉降量的影響。

基于此，在分析豎向荷載作用下土和樁之間的相互作用的同時，探討在砂層地基中預制樁樁長和回彈率對樁基沉降的影響，以期為基樁工程的設計提供參考。

1 計算基裝沉降的荷載傳遞法

荷載傳遞法在樁基礎沉降計算時被廣泛采用[1]。如圖1所示，豎向荷載作用下樁土體系的傳遞荷載過程可簡化為：樁身沉降s（z）和樁身軸力Q（z）隨深度逐漸遞減，而樁側(cè)摩阻τ（z）逐漸發(fā)揮作用的過程。

取預制樁樁身微量dz為研究對象，由豎向受力平衡公式可得式（1）（2）。

2 橋墩樁基沉降的計算

2.1 工程概況

某高速公路設計等級為Ⅰ級，雙向四車道，路基寬度27 m。施工過程中采用的管樁基礎橋墩形式。管樁按《先張法預應力混凝土管樁》（GB 13476—2009）及國家建筑標準設計圖集《預應力混凝土管樁》（10G409）選用，工業(yè)化制造產(chǎn)品;承臺、墩身及蓋梁均采用現(xiàn)澆結(jié)構。具體設計詳見表1。

下部結(jié)構蓋梁、立柱、管樁均為預制的橋墩形式。

承臺與管樁通過填芯混凝土伸出鋼筋錨固在承臺內(nèi)。管樁填芯混凝土高度不小于3倍樁徑;澆筑填芯混凝土前，將管樁內(nèi)壁浮漿清理干凈，采用內(nèi)壁涂刷水泥凈漿、混凝土界面劑等措施提高填芯混凝土與管樁的整體性。

2.2 地質(zhì)資料

根據(jù)本工程的巖土工程勘察資料的勘察成果，該工程土層分布從上至下描述如下。

第一層，粉質(zhì)黏土，整體呈灰褐色，主要成分為黏性土。而粉質(zhì)黏土即大部分為黏土，有一定黏性、切面較光滑、干強度高、韌性較高，層厚11.8～16.5 m，層底標高45.88～34.87 m。土質(zhì)不均，普遍分布。

第二層，粗砂，呈灰色，軟塑，干強度中等，中等韌性，無搖震反應，層厚8.5～13.4 m，層底標高34.87～23.07 m，土質(zhì)較均勻，工程性能一般。

第三層，粉質(zhì)黏土，整體呈灰褐色，主要成份為黏性土。而粉質(zhì)黏土即大部分為黏土，有一定黏性、切面較光滑、干強度高、韌性較高，層厚12.6～13.4 m，層底標高23.07～13.37 m。土質(zhì)不均，普遍分布。

第四層，粗砂，呈灰色，軟塑，干強度中等，中等韌性，無搖震反應，層厚20～23.37 m，層底標高13.37～10.33 m，土質(zhì)較均勻，工程性能一般。

2.3 施工工藝

本項目采用錘擊沉樁施工，其工藝流程為：測量放線-樁基就位-吊樁落位-樁機調(diào)平-雙向調(diào)整樁身垂直度-打樁-接樁-送樁-移動樁機。具體要求如下。

①根據(jù)設計樁位現(xiàn)場進行樁位測放，樁位誤差應符合要求。

②樁機就位應準確、平穩(wěn)，場地平整，采取保證施工中樁機不發(fā)生傾斜、移位，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。

③首節(jié)管樁插入土中深度不大于0.5 m時，應檢查樁位及樁身垂直度偏差，校正后的垂直度偏差不大于0.5%。

④管樁錘擊過程中，采用重錘輕擊，樁錘、樁帽和樁身的中心須始終重合，并實時檢查樁身的垂直度，當樁身傾斜度大于0.8%時，應立即找出原因并設法糾正，嚴禁釆用移動樁架強行扳拉的方法糾偏。

⑤每一根樁宜一次性連續(xù)沉樁完成，盡量減少中間間歇時間，當采用分節(jié)施工時，應保證承臺下10 m范圍內(nèi)不出現(xiàn)接樁。

⑥設計樁頂標高在自然地面以下時應進行送樁，送樁深度不宜大于4 m，應采套筒式送樁器，套筒直徑應與管樁相匹配，送樁器與樁身軸線保持重合。

⑦施工工程中應加強樁頂高監(jiān)測，當上浮時應復打。

⑧垂直度校正應采用二臺經(jīng)緯儀或全站儀從互成90°的兩個方向同時觀測，沉樁過程應設置專人專崗，隨時觀測校正。

⑨送樁器應符合《預應力混凝土管樁技術標準》（JGJ/T 406—2017）的相關規(guī)定，建議采用套筒式送柱器，不得采用中間設置小圓柱體的插銷式送樁器，也不得采用下端面不設任何限位裝置的圓柱形送樁器。

⑩樁帽與樁頂之間應有麻袋、紙皮或木砧等材料作為彈性襯墊。錘擊壓縮后材料的厚度以12～15 cm為宜。

2.4 試驗的數(shù)據(jù)處理

2.4.1 樁身混凝土的應力-應變關系。由實測獲得各級荷載下軸向應變值和應力計算值，可以得到各試樁表頂面混凝土的軸向應力應變的擬合關系式（8）。

3 影響因素分析

在所有影響豎向荷載作用下基樁沉降的因素中，樁長是主要因素。在樁徑為800 mm時，通過改變樁長，對砂層地基中樁頂沉降的變化規(guī)律展開分析。樁基的回彈率一定程度上會影響樁基的特性進而影響到沉降量。

3.1 樁長的影響

以實際工程中的樁長L=10.8、11.3、12.0、12.5、20.5 m為基礎，經(jīng)荷載試驗，得到不同樁長條件下的樁頂荷載沉降曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，樁頂沉降隨著L的增大呈非線性減小趨勢，在樁長L超過12 m以后，樁長隨荷載的變化不明顯。樁頂沉降s隨樁身軸力Q增加而呈現(xiàn)非線性增大趨勢。樁長L=12.5 m，當Q為2 300 kN和4 600 kN時，預制樁樁頂沉降量s分別為4.00 mm和15.12 mm，沉降量與其上一級荷載對比，其增幅分別為42.35%和24.75%。因此，樁基長度L增大到一定程度后，樁長的改變已經(jīng)對樁基沉降基本無影響。

3.2 樁基回彈率的影響

圖3為不同樁長回彈率的測試結(jié)果，可以看出，不同樁長的回彈率，整體上差別不大。其中在樁長L=11.3 m時，回彈率出現(xiàn)最小值為20.18%，在樁長為L=20.5 m時，回彈率出現(xiàn)最大值為28.09%。整體上的回彈率的平均值為24.17%。其中L=12.0 m時預制管樁的回彈率為22.47%，L=12.5 m時預制管樁的回彈率為27.18%。

因此，在考慮樁長對沉降量的影響時，可不必考慮回彈率對其結(jié)果的影響。

4 結(jié)語

本研究以某高速公路為工程實例，探討了預制管樁樁長和回彈率在砂層地基中對基樁沉降的影響。研究結(jié)論如下。

①應用了樁基沉降計算的簡化計算模型，并將其應用到結(jié)果的計算當中。

②當樁徑和加載力不變時，基樁在砂層地質(zhì)中的沉降隨L的增大呈現(xiàn)非線性減小趨勢。對于樁徑為800 mm，加載力小于4 600 kN的基樁，樁長大于12 m后的沉降量變化不明顯。

③通過多組數(shù)據(jù)分析可知，基樁的回彈率在一定范圍內(nèi)上下波動，不同樁長的回彈率之間的變化不明顯，因此可以不用考慮回彈率對沉降量的影響。

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