軟土地區中路堤荷載下預應力管樁單樁承載力及沉降特性研究

黨國峰 劉海龍 王凱 姚廣鵬 陳俊

【摘要】在現代工程建設當中，預應力管樁發揮著極其重要的作用，其具有施工成本低、承載力高等優勢，因此被廣泛使用在工程建設中。但是預應力管樁也存在很多的問題，在施工方面很多不完善的地方。比如在軟土地區當中路堤荷載下預應力管樁的應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中研究路堤荷載下預應力管樁單樁承載力的問題，通過公式計算以及實例研究進一步闡釋承載力問題，并通過軟件修正系數。在文章的最后，總結了在使用過程當中常見的預應力管樁操作問題，提出了相應的預防手段，希望能夠為以后預應力管樁的實際應用提供一定的參考價值。

【關鍵詞】路堤荷載;預應力管樁;單樁承載力

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

1、路堤荷載下預應力管樁單樁承載機理分析

1.1簡要概述

預應力管樁在路堤荷載下受到的力會從兩個途徑分散。第一個會沿著管樁本身傳遞到管樁的持力層，形成一個樁端阻力。第二種是由于摩擦阻力的作用受到的力會從樁體本身向下分散到土層當中。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力來承受，而是由兩個力共同分散承擔。在荷載的第一階段，管樁的樁頂會發生一種彈性變化，管樁本身與土層之間會出現位移。但是這種位移是一種相對靜止的狀態，同時管樁側面的阻力產生一定作用。管樁側面的摩擦力與管樁本身呈現一種線性關系。一旦這種荷載繼續加大，那么管樁的下半部分摩擦阻力也會逐漸增大。二者成正向相關關系。此時管樁所在的土層會受到外力擠壓，形成樁端阻力。一旦繼續加大荷載，該阻力也會增大，導致樁體本身與土層之間的位移進一步擴大。當樁體的側摩擦力由于荷載不斷增大，到達一定數值之后此時繼續增大荷載所帶來的摩擦力將由管樁本身獨自承擔。在這種情況下，管樁的側阻力會率先被激發出來，發揮作用。如果繼續加大摩擦阻力到達一定數值后，樁端阻力也會相應增大，直到到達臨界值。此時繼續加載，管樁本體就會發生一定破壞，樁身也失去了承載力。具體的受力情況如下圖1所示。

預應力管樁的承受力會根據地層的變化而變化。在軟土地區中管樁的承受力主要是端承摩擦樁。也就是管樁側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

預應力管樁承受力的部位主要是在端承樁以及摩擦樁位之間。很多因素都會對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，樁體和土層都會發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，那么樁端阻力就會承受絕大多數的荷載壓力。如果管樁本身比土體的抗變形能力弱，此時樁側會承擔絕大多數的荷載壓力。

2、路堤荷載下預應力管樁單樁承載力分析

2.1計算公式

在分析和計算預應力管樁單樁承載力的時候應該綜合考量各因素，進行全面分析。計算方法主要有兩種，第一種是將所有阻力計算出來相加在一起來表示單樁承載力，但是這種方法很難確定管內的相關阻力。第二種是計算管外側阻力和端樁阻力。筆者選擇用第二種算法計算預應力管樁單樁承載力，計算公式如下。

如果（hb/d）的數值范圍在5以下時，λp=0.15（hb/d）

如果（hb/d）的數值范圍在5以上時，λp=0.8。

qsik-樁側第i層土的極限側阻力標準值;

qpk-極限端阻力標準值;

λp-樁端土塞效應系數;

li-樁穿越各個土層的長度;

u-樁身周長;

hb-樁端進入持力層深度;

2.2實例分析

以某軟土地區1工程為例。在該工程中采用的預應力管樁長度為18米，管樁直徑為0.5米，管樁壁厚為9厘米，管樁樁端到達持力層的深度為1米，樁端以下厚度為3米，持力層為粉質軟土。具體數據如下表所示。

根據計算公式能夠計算得出實驗值為1540KN，實驗值與計算值之比為1.04。

以某軟土地區2工程為例。該工程采用的預應力管樁長度為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，持力層為粉質軟土。具體數據如下表2。

根據計算公式能夠計算得出實驗值為1600KN，實驗值與計算值之比為1.06。

以某軟土地區3工程為例。該工程采用的預應力管樁長度為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，持力層為粉質軟土。具體數據如下表3。

根據計算公式能夠計算得出實驗值為1020KN，實驗值與計算值之比為1.09。

以某軟土地區4工程為例。該工程采用的預應力管樁長度為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。具體數據如下表4。

根據計算公式能夠計算得出實驗值為2380KN，實驗值與計算值之比為1.41。

從這些數據能夠看出，如果管樁持力層為粉質軟土時，預應力管樁單樁承載力的極限值與實驗值大小相似。如果預應力管樁的樁端持力層為粉質軟土時，豎向荷載力與規定承載力大體一致。也能夠說明相關數據標準值具有較強的可行性。如果持力層是墳土或粉砂時，通過計算能夠發現標準值的比值大于1而平均值為1.3左右，二者相差較大，因此針對這些情況要及時的進行調整。

2.3修正系數

本文選取MATLAB軟件計算相關系數，該軟件指令表達式大體一致。對于用戶來說操作較為便捷，運用遺傳算法結合上述實例，借助MATLAB軟件將數據運算到程序當中能夠得出最佳適應度數值。具體程序如下所示。

function error = fun（x）

%該函數用來計算適應度值

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）;

運行結果為1.0887、1.3854。

3、軟土地區工程應用中常見問題及預防

3.1常見問題

在軟土地區進行管樁施工的時候，由于施工措施不合理、方案設計不健全等問題引發管樁出現傾斜或者是樁身開裂等。

最近幾年以來，在軟土地區出現大面積沉樁問題。很多管樁發生斷裂或傾斜的情況。如某垃圾處理場預制樁工程在2019年底施工，使用855根PHC管樁。對其中570根基樁進行低應變檢測，發現有130根樁出現斷裂，絕大多數管樁出現偏移，偏移量最大高達3500毫米，而且不能夠對其進行糾傾處理，只能將出現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間，對于沉樁的速率沒有進行嚴格的控制，最終導致超孔壓高，擠土效應現象更加嚴重。

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

3.2預防手段

軟土地區施工過程當中應當嚴格控制沉樁的速率，或者是采用一系列手段加速孔壓消散，如設置一些塑料排水板等，也可以采取真空預壓的手段將軟土層壓實后再進行沉樁施工。軟土地區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行開挖。此外，挖土過程當中應該均衡進行，高度不應該大于1米。在焊接管樁和配件時要嚴格控制焊縫的質量，合理設計焊縫的長度與寬度，同時結合季節變化，注意焊縫的冷卻時間。如果在施工過程當中遇到風化巖層時，必須要做好樁端的防水工作，避免水滲透到樁體內部使巖層變軟。

結論：

本文首先對管樁的受力機理進行了分析，說明在預應力管樁受力的過程當中，會出現擠土和土塞的效應，這些效應會使得預應力管樁的摩擦阻力增加。其次，通過對工程的實際案例以及理論研究，選取適合的計算單樁承載力公式，并結合多個工程實際案例及相關數據計算預應力管樁單樁的承載力。此外，在文章最后一部分針對現代施工過程當中可能會存在的問題進行了總結，并針對這些問題提出了相應的預防對策。希望能夠通過這些建議及研究提升現代工程建設的效率，有效減少管樁沉樁以及傾斜等問題出現。

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作者簡介：

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