上海城市交通设计院有限公司 上海 200025
摘要：本文结合上海地区某实际工程，分析上海地区预制桩采用静压法沉桩时的受力机理，讨论压桩力与桩承载力的关系，为上海地区预制桩设计和施工提供一定依据。
关键词：上海；预制桩；压桩力；桩承载力
一、引言
预制桩因其施工速度快、经济性良好等优点，得到了广泛应用，但预制桩压桩过程中压桩力与桩抗压承载力标准值的关系经常会困扰部分设计人员和施工人员，本文结合上海某实际工程对该问题做简要的分析和讨论。
二、工程概况
本工程位于上海市闵行区华漕镇，总建筑面积69460m2，其中地下建筑面积为28830 m2，该建筑为地下两层停车库，地上六栋八层办公楼，地下室平面尺寸为233.9mx64.5m。上海市抗震设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.10g，建筑场地类别IV类（上海）[1]，地上各单体均采用框架剪力墙结构。
根据本工程岩土工程勘察报告，拟建场地在20m深度范围内无饱和的成层砂质粉土或砂土分布，根据上海市工程建设规范《建筑抗震设计规范》[1]有关条文，拟建场地在抗震设防烈度7度时，可不考虑地场地地基土地震液化影响。报告给出场地土层分布如表1所示：
根据勘察资料结合本工程的特点，本工程基础采用桩基，主楼部分桩型采用φ500mm先张法预应力混凝土管桩，选自国标图集《预应力混凝土管桩》（10G409），桩长32m，持力层第⑦2层粉砂层，主楼以外纯地下室部分采用400mmx400mm预制方桩，选自国标图集《预制钢筋混凝土方桩》（04G361），由于场地地下水位较高，纯地下车库区域有抗浮要求，方桩为承压桩兼做抗拔桩，桩长27m，持力层第⑥2灰黄色~灰色粉质粘土夹粘质粉土。根据地质报告中的土层参数，依据公式1和公式2[2]确定单桩竖向承载力设计值和标准值：
沉桩方案采用静压法。
三、压桩过程中的问题
为减少挤土效应的不利影响，施工采用分区域施工和跳打的沉桩顺序。桩基施工过程中，主楼范围的φ500mm预制管桩沉桩无异常，地库范围的400mmx400mm预制方桩压桩力数值偏小，与桩抗压承载力标准值有明显差距，主楼范围的两组预制管桩和地库范围的两组预制方桩压桩过程中的压力数值记录分别如表3和表4所示。
注1：桩的规格JAZHb-440-10 09 09 09
注2：压力表压载力换算1mpa=123kN
由上表可见，预制方桩的终压力以及压桩过程中的压力，均远小于桩抗压承载力标准值，试桩3的最大压力甚至不到标准值的一半。
四、静压法沉桩施工过程受力机理分析
（一）静压法定义
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压力而将预制桩压入土中的沉桩工艺。静压法施工时，地基土体受到强烈扰动，桩尖“刺入”土体中，原状土的初应力状态受到破坏，桩尖使得土体发生冲剪破坏，桩身周围土体中的孔隙水在此冲剪作用下形成不均匀水头，产生了超孔隙水压力，使桩身周围土体的抗剪强度降低，出现土的重塑现象，静压桩属于挤土桩。
（二）静压法施工桩周土体阻力分析
静压法施工时土体受到重塑挠动，桩贯入时所受到的土体阻力并不完全是静态阻力，沉桩阻力的大小和分布规律的影响因素较多，主要有：土质、土层排列、土层厚度、桩端进入持力层深度、桩距等。沉桩阻力由桩侧摩阻力和桩尖端阻力组成，二者占沉桩阻力的比例并不是一个定值。根据《桩基工程手册》[3]，当桩的入土深度较大时，桩的侧阻力所占的比例较多，当桩的入土深度较浅时，桩尖阻力所占的比例将比较大，当桩尖处的土层较硬时，桩尖阻力占沉桩阻力的比例会明显增大。当桩在同一软粘土中下沉时，随着桩的入土深度达到某个值后，沉桩阻力将逐渐趋向常值，不再随桩入土深度的增加而增大。另外，在沉桩过程中各土层土作用于桩身的桩侧摩阻力并非均匀，侧阻力整体呈现出下部较大、中间一般、上端几乎没有侧阻力的形态，可用图1描述沉桩过程中的阻力分布：
图1 沉桩阻力分布图
静压桩在打入过程中，桩尖部位原状土处于正处在被挤压破坏的过程中（图中L下区域），所以侧阻力较大；中部区域的土体已经发生了剪切破坏（图中L中区域），抗剪强度降低，侧阻力明显小于桩尖区域；表层区域（图中L上区域）的覆土由于自重压力较小，加上压桩过程中产生的横向晃动，会在桩周上部一定区域形成桩空穴，该区域土体对桩几乎没有摩擦力。
静压法施工时，当桩尖穿过粘性土或其他软土时，压桩力会明显小于桩承载力标准值，而当桩尖要穿越硬质土层时，压桩力则会出现大于桩承载力标准值的情况。
（三）沉桩后桩承载力变化分析
对于粘性土，当沉桩完成后，沉桩引起的超孔隙水压力随着时间的推移逐渐消散，桩周围的土体重新固结，并且在自重应力和桩挤压应力的双重作用下，桩周部分土体的剪切强度能够恢复到大于原先的剪切强度。对于上海地区的粘土层中预制桩，土体固结完成后，桩最终承载力标准值能够达到终压力值的2~3倍。
对于砂土层中的桩，由于砂土层的渗透系数较大，沉桩产生的超孔隙水压力会迅速消散，压桩过程中的砂颗粒之间的咬合和摩擦作用提供的反作用力使桩处于动态平衡状态。卸载以后，在一定的时间内，砂粒之间会产生部分相对滑动，砂粒重新排列，使桩端的承载力、桩侧的摩阻力有所降低，桩的极限承载力甚至会小于压桩结束时的终压力。
五.本工程的解决方案
由以上分析可知，本工程预制方桩桩身和桩尖均在粘土层中，压桩力会明显小于桩承载力标准值，压桩施工记录表的数值也验证了这点；预制管桩桩端持力层为粉砂层，由压桩施工记录表可见，压桩时桩尖穿越粘土层时压力值明显小于桩承载力标准值，当桩尖进入到持力层（粉砂层）时，压桩力值明显提高，并且超过了桩承载力标准值，这与上述分析结论也是吻合的。
针对施工过程粘土层中预制方桩承载力是否会不足的问题，采取以下解决方案：压桩到设计标高还差1m左右时停止下压，压桩设备放置原位不得移动，12小时后待土体部分固结后继续压桩。按此方法施工，12小时后压桩时压桩力大幅度提至极限承载力。
本工程最终试桩结果，所有试桩均满足设计要求。
六.结论
上海地区的土层分布较为均匀，常见的土层分布为地表以下26m~40m范围内为软粘性土层，粘性土层以下到100m左右范围为粉砂或砂层，当采用静压法施工，预制桩桩尖穿越粘性土层时，压力值和终压值会明显小于桩承载力标准值，当桩尖进入粉砂或砂层时，压力值和终压值会大于桩承载力标准值。
参考文献：
[1]上海市工程建设规范《上海市建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013，主编单位：同济大学，批准部门：上海市建设和管理委员会，施行日期：2013年11月1日
[2]上海市工程建设规范《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010），主编单位：上海现代建筑设计（集团）有限公司，批准部门：上海市建设和管理委员会，施行日期：2010年6月1日
[3]史佩栋，《桩基工程手册》，人民交通出版社，2008.
论文作者:马苏川
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/11
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