静压桩的沉桩机理及常见问题及处理

静压桩的沉桩机理及常见问题及处理
1 前 言
至今，管桩在厦门地区的应用已有十多年的历史，特别是近几年，随着福建省境内管桩生产企业的不断涌现，管桩产量大幅提高，价格也随之下降，促使管桩特别是预应力高强混凝土管桩在厦门的工业与民用建筑中得到广泛应用。施工方法主要采用静压抱压式沉桩，静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将桩压入土中的沉桩工艺。由于这种方法具有无噪音、无振动、无冲击力等优点，适应对绿色岩土工程的要求；同时压桩桩型一般选用预应力管桩，该桩作基础具有工艺简明，质量可靠，造价低，检测方便的特性。两者的结合便大大推动了静压管桩在厦门地区的应用。原来厦门地区管桩设计和施工主要参照广东省标准《预应力混凝土管桩基础基础技术规程》DBJ/T15-22-98，由于管桩基础设计和施工的特殊性，厦门地区根据国家现行的有关标准、规范、在总结厦门地区勘察、设计、施工及工程质量验收的基础上，制定了厦门地区管桩技术规程《建筑预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ13-59-2004（2004－09－01实施）。在根据规程设计和施工的基础上，也希望对静压桩的沉桩机理及工程实践中的应用有进一步的了解，本文为此作一介绍，与大家共勉。
2 静压桩的设计
桩基础设计，应根据建筑物特点，仔细了解地质资料提供的场地土的工程特点，合理选择桩径，主要包括以下计算或验算：(1)、根据桩基的使用功能和受力特征进行桩基的竖向抗压或抗拔承载力计算；(2)、对经常受水平荷载作用的高层建筑，应进行水平承载力计算；(3)、桩身承载力验算；(4)、当桩端平面下存在软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的承载力；(5)、按照先行国家标准，进行桩基础沉降验算；(5)、承台内力与承载力验算。
桩端持力层为全风化岩或强风化岩，单桩竖向承载力特征值一般由桩身强度控制，抗拔承载力一般由桩身强度控制。当桩端平面下存在软弱下卧层时，应慎重计算，同时桩端持力层厚度应满足要求，如太薄，设计时应考虑被穿越的可能性。
3 静压桩沉桩机理
沉桩施工时，桩尖“刺入”土体中时原状土的初应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖产生相应阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动（粘性土）或挤密侧移和下拖（砂土），在地表处，粘性土体会向上隆起，砂性土则会被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周水平方向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响，此时，桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力，桩将继续“刺入”下沉。反之，则停止下沉。
压桩时，地基土体受到强烈扰动，桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度有很大差异。随着桩的沉入，桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移，由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用，土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时，剪切面发生在桩与土的接触面上;当桩周土体较软时，剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内，粘性土中随着桩的沉入，桩周土体的抗剪强度逐渐下降，直至降低到重塑强度。砂性土中，除松砂外，抗剪强度变化不大，各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值，而是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值，桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用，其值可占沉桩阻力的50～80％，它与桩周处土体强度成正比，与桩的入土深度成反比。
粘性土中，桩尖处土体在扰动重塑、超静孔降水压力作用下，土体的抗压强度明显下降。砂性土中，密砂受松驰效应影响土体抗压强度减少，松砂受挤密效应影响土体抗压强度增大，在成层土地基中，硬土中的桩端阻力还将受到分界处粘土层的影响，上覆盖层为软土时，在临界深度以内桩端阻力将随压入硬土内深度增加而增大。下卧为软土时，在临界厚度以内桩端阻力将随压入硬土的增加而减少。
一般将桩摩阻力从上到下分成三个区：上部柱穴区，中部滑移区，下部挤压区。施工中因接桩或其它因素影响而暂停压桩的间歇时间的长短虽对继续下沉的桩尖阻力无明显影响，但对桩侧摩阻力的增加影响较大，桩侧摩阻力的增大值与间歇时间长短成正比，并与地基土层特性有关，因此在静压法沉桩中，应合理设计接桩的结构和位置，避免将桩尖停留在硬土层中进行接桩施工。
4 终压力与极限承载力
在静压桩施工完成后，土体中孔隙水压力开始消散，土体发生固结强度逐渐恢复，上部桩柱穴区被充满，中部桩滑移区消失，下部桩挤压区压力减小，这时桩才开始获得了工程意义上的极限承载力。从大量的工程实践看，粘性土中长度较长的静压桩其最终的极限承载力比压桩施工时的终压力要大，在某些土体固结系数较高的软土地区，静压桩最后获得的单桩竖向极限承载力可比终压力值高出一二倍，但是粘性土中的短桩，土体强度经一段时间的恢复，摩阻力虽有提高，但因桩身短，侧摩阻力占桩的极限承载力的比例差异不大，最终极限承载力达不到桩的终压力。因此桩的终压力与极限承载力是两个不同的概念，一些初接触静压桩的设计、施工人员往往将两者混为一谈。两者数值上不一定相等，主要与桩长、桩周土及桩端土的性质有关，但两者也有一定的联系。汕头市总结本地经验提出了自己的做法,对一些设计承载力较高的工程,终压力值宜尽量达到设计取值的1.5~1.7倍,并视土质及布桩情况考虑复压;对于14~21m的中长桩,终压力控制在设计值的1.7~2倍以上,宜复压3次;而小于14 m的短桩,终压力控制在设计值的2~2.5倍以上,并复压3~5次。
广东省《静压桩基础技术规程》编制组通过大量桩基资料的统计分析，提出一个桩的极限承载力与终压力之间的关系经验公式：
当L≤14m时，Quk=αRsm =（0.6～0.85）Rsm
当14m＜L＜21m时，Quk=αRsm =（0.75～1.05）Rsm
当L≥21m时，Quk=αRsm =（1.0～1.20）Rsm
式中：Quk—静压桩单桩竖向极限承载力标准值
Rsm—静压桩的终压力值，不宜大于管桩桩身竖向承载力设计值的1.6倍
桩长一些，土质好一些，土体恢复系数α可取上限值；反之取下限值。这个经验公式有下列两个用途：一是已知终压力、桩长及土质情况，可以粗估静压桩的极限承载力。如终压力为3600KN，桩长7m，土体恢复系数取0.6，则估算桩的极限承载力Quk =0.6×3600=2160KN；二是已知单桩竖向极限承载力、桩长和土质情况，可选择压桩时的终压力值。如桩长为7m，土体恢复系数取0.7，要求桩的极限承载力达2400KN，则终压力值应为Rsm≥2400/0.7=3430KN，所以可选用3600KN压桩机施压。
由于各地区地质情况差别较大，所以压桩力宜以现场试压桩确定，根据压桩力、桩长、桩端进入持力层深度、参考类似工程经验综合确定。
4 常见质量事故分析及处理
总结近年来静压桩设计和施工经验，可以发现一些常见问题。
4.1 浮桩
由于静压桩是挤土桩，在场地桩数量较多，桩距较密的情况下，时常后压的桩会对已压的桩产生浮桩，特别对于短桩，易形成所谓的吊脚桩。这种桩在做静载试验时，开始沉降较大，曲线较陡，但当桩尖达到持力层，承载力又有明显增加，沉降曲线又趋于平缓，这是桩身上抬的典型曲线。浮桩除了静载沉降偏大外，对桩而言可能会把接头拉断，桩尖脱空，同时大大增加对四周桩的水平挤压力,导致桩倾斜偏位。观察场地浮桩情况可在桩基施工时先打几根观测桩，数量和位置应具有代表性，打桩过程中可通过对观测桩的监测了解场地的大致浮桩情况。
在处理上施工前合理安排压桩顺序,同一单体建筑物一般要求先压场地中央的桩,后压周边的桩;先压持力层较深的桩,后压较浅的桩。同一场地的多栋单体建筑宜分散跳打。同时减少单位时间沉桩数量。出现桩身上抬后一般采用复压的办法使桩基按正常使用，但对承受水平荷载的基础要慎重。