合肥黏土地區靜壓管樁單樁承載力時效性研究

崔 偉

(1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001； 2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031)

1 概述

預應力管樁具有工廠化生產、承載力較高、造價較低、施工周期短且無環境污染等優點，符合建筑工業化的發展方向，近二十年在我國得到了快速發展。管樁常用的靜壓法沉樁方式，是一種典型的擠土沉樁方式，靜壓擠土樁的施工必然導致樁附近一定范圍內的地基土發生顯著的重塑。如圖1所示，如周圍是飽和黏性土，樁打入時，土受到急速的擠壓，破壞了土天然結構，孔隙水壓力急劇上升，從而使土的強度大大降低，因此，這時樁側摩阻力將大幅度降低。隨著休止時間的增長而產生的觸變恢復現象，被擾動的土體強度將隨時間推移而逐漸得到恢復，打樁引起的孔隙超靜水壓力逐漸消散，有效應力不斷增加，樁側土在徑向固結的過程中密度增大，壓縮模量和標貫阻力增大，這就使得樁周圍土的強度得以恢復提高，從而隨著休止時間的增加，單樁豎向抗壓承載力也在逐漸恢復提高[1-2]，擠土效應不同，樁周土體受到壓縮和重塑的程度不同，土的物理學性質發生變化的程度也就不同，樁側摩阻力也不同。這種現象在高靈敏度飽和黏性土中的摩擦樁最明顯。合肥地區廣泛分布硬塑～堅硬的黏土，并且常用的管樁為不采用樁尖的靜壓開口管樁，為了更好地了解該地區靜壓開口管樁的單樁承載力時效性，有必要開展管樁單樁豎向抗壓承載力與休止期天數之間的關系研究。

2 試驗概況

2.1 工程概況

選取合肥黏土地區119根靜壓法沉樁的開口管樁的基樁靜載試驗為研究對象，其中φ400 mm管樁39根，φ500 mm管樁44根，φ600 mm管樁36根，樁長范圍為21 m～30 m。這些管樁的樁端和主要樁側土體均為黏土，黏土層厚度為12 m～36 m，以黃褐、棕黃、灰黃色黏土為主，偶夾透鏡狀亞黏土，結構致密，呈硬塑～堅硬狀態，黏土主要物理力學性質指標如表1所示。

表1 合肥地區黏土典型物理力學性質指標

2.2 單樁豎向抗壓初始極限承載力的確定

合肥黏土地區靜壓開口管樁沉樁施工時有規定的終壓標準，本次直接采用靜壓沉樁施工時的終壓力作為單樁豎向抗壓初始極限承載力Pu0，即為休止期天數t=0時的單樁豎向抗壓極限承載力。

2.3 單樁豎向抗壓極限承載力的確定

對于119根管樁靜載試驗數據中，記下靜載試驗時試驗樁的休止期天數t，按照規范[3]要求單樁豎向抗壓極限承載力的確定方法遵循下列原則：根據沉降隨荷載變化的特征確定：對于陡降型Q-s曲線，應取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值；根據沉降隨時間變化的特征確定：應取s-lgt曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載值；某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經24 h未達到相對穩定標準時，宜取前一級荷載；對于緩變型Q-s曲線，宜根據樁頂總沉降量，取s=40 mm對應的荷載值。按照此方法確定的單樁豎向抗壓極限承載力即為休止期天數為t天時的單樁極限承載力Put。

對于施工場地隔幾天采取復壓以消除可能出現的浮樁現場的情況，可將復壓時終壓力作為休止期天數為t天時的單樁極限承載力Put。

合肥黏土地區管樁的靜載試驗Q-s曲線的特征一般為緩變性[4]，對于樁頂總沉降量s<40 mm的情況，可對Q-s曲線的數據點采用三階多項式進行擬合，再將40 mm代入擬合方程推算出s=40 mm對應的荷載值，將此荷載值作為休止期天數為t天時的單樁極限承載力Put，為減少擬合推定誤差，一般選取靜載試驗最終沉降量不少于30 mm的管樁數據進行分析。

2.4 單樁極限承載力增長率的確定

靜壓管樁在不同休止期的極限承載力增長率Vt表達為：

Vt=(Put-Pu0)/Pu0

(1)

3 數據分析

通過式(1)可研究靜壓管樁豎向極限承載力與休止期的關系。對本地區119根靜壓管樁的靜載試驗資料，得出單樁極限承載力增長率與休止期的關系如圖2(樁徑400 mm)，圖3(樁徑500 mm)，圖4(樁徑600 mm)所示。

運用數理統計的非線性回歸方法分析靜壓開口管樁的單樁豎向抗壓極限承載力增長率Vt與休止期t的關系。度量擬合優度的統計量R2的值越接近1，說明回歸曲線對觀測值的擬合程度越好；反之，R2的值越小，說明回歸曲線對觀測值的擬合程度越差。從理論上講采用多項式來擬合曲線時，只要多項式的階數足夠大，R2的值越接近1，擬合結果就越好。但考慮到工程實際，當隨著休止期天數d的增加，單樁承載力增長率Vtz逐漸放緩，因此采用對數函數進行擬合比較合理，分別擬合得到樁徑400 mm,500 mm和600 mm的管樁單樁豎向抗壓極限承載力增長率Vt與休止期t的關系如下式所示：

樁徑400 mm：

Vt=7.346 8lnt-0.465,R2=0.865 5

(2)

樁徑500 mm：

Vt=15.893lnt-10.645,R2=0.875 8

(3)

樁徑600 mm：

Vt=18.406lnt-14.596,R2=0.887 7

(4)

其中，Vt的單位為%;t的單位為d。分別將5 d,10 d,15 d,25 d,35 d,45 d和55 d代入式(2)～式(4)，得到不同休止期天數各型號管樁的單樁承載力增長率，如表2所示。

表2 不同休止期天數管樁的單樁承載力增長率

由表2分析可知，對于φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管樁，在休止期25 d以內，單樁豎向抗壓承載力極限值增加較快，超過25 d后，三種樁徑的管樁的單樁承載力增長速度放緩，并且較小直徑管樁的單樁承載力增長速度放緩更加明顯，因此靜壓管樁豎向抗壓靜載荷試驗宜在休止期不少于25 d后進行。

φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管樁在休止期為15 d時，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時增加19.4%,32.4%和35.2%；在休止期為25 d時，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時增加23.2%,40.5%和44.7%；在休止期為45 d時，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時增加27.5%,49.9%和55.5%。可見隨著管樁樁徑越大，其單樁豎向抗壓極限承載力隨時間增長越快，這是因為對于同樣的土層條件，樁徑越大，單樁擠土效應越明顯，并且樁側表面積越大，即樁側摩阻力越大，文獻[5]研究成果指出隨著休止期的增長，其單樁承載力的增長，主要來源于樁側阻力的提高，而樁端阻力隨著休止期的增長對于單樁承載力的提高十分有限。

4 結論

1)通過對合肥黏土地區119根靜壓法沉樁的開口管樁的基樁靜載試驗數據分析研究，采用對數曲線擬合出樁徑400 mm,500 mm和600 mm的管樁單樁豎向抗壓極限承載力增長率Vt與休止期t的回歸方程。2)在休止期25 d以內，單樁豎向抗壓承載力極限值增加較快，25 d后單樁承載力增長速度放緩，建議靜壓管樁豎向抗壓靜載荷試驗宜在休止期不少于25 d后進行。3)黏土地區管樁的單樁豎向抗壓極限承載力增長速度與樁徑相關，樁徑越大，其極限承載力隨時間增長越快。