黄海明
汕头市建筑设计院
摘要；通过对预应力混凝土桩沉桩机理的分析，分析了形成桩基承载力时间效应现象的原因，并最终讨论压桩终压力与单桩极限承载力之间的关系，并结合实际，提出了于现场控制部分可行的办法。
关键词：时间效应；终压力；极限承载力
预应力混凝土桩自上世纪六、七十年代引入我国以来，凭借者其相对低廉的造价、桩基施工质量、成桩质量容易把控、施工速度快、适用范围广、质量检测快捷方便等优点得到迅速的推广，特别是在房地场市场追求快消化的今天，更是被大力的使用。
以汕头市为例，全市一半以上的工地均采用预应力高强度混凝土管桩，但由于单纯追求工程速度、缺少工程施工总结，现场的桩基控制条件往往过于保守，忽视了桩基承载力的时间效应，最终造成严重的资源浪费，因此通过对桩基承载力时间效应以及压桩终压力的研究，明确不同土体中单桩极限承载力的增加特点并运用于工程实际中对于节约工程造价具有重要的现实意义。
1、桩基承载力时间效应现象
在沉桩结束后，桩基承载力会随着时间的改变而逐渐增大，呈现先快后慢最终趋于稳定的变化趋势，这种桩基承载力随时间变化而增加的现象称为桩基承载力的时间效应。
20世纪20年代，工程师们就在工程实践中发现了桩基础成桩后其承载力随时间而变化的现象。
1938年，Meyer在上海浚埔局的工作过程中发现上海地区桩的承载力在一年的静止后增长了约10%；1955年，于美国旧金山的粉质软粘土地基的工地中，工程师采用15m的钢管桩，桩长4.5m，静止33天后的承载力相比于刚入土的3个小时提高了5.4倍，相比于入土7天提高了1.2倍。
笔者在自身的工程实践中，桩基由于时间效应而产生的承载力增加的现象也屡有发现，以于潮州的龙光潮州岗山水库188亩项目为例，工程基桩在达到终压值4100KN后于40分钟进行复压，其压力值可达到4592KN，提高了约10%。
各种类似的现象表明了桩基承载力的时间效应现象是客观存在的，造成这种现象的原因较多，从管桩沉桩的机理出发，影响承载力时间效应的因素分析如下。
2、预制混凝土桩沉桩机理
预制混凝土桩在施工过程中，在静压桩机的压桩力的作用下，桩的桩尖被压入的土体中，在这个过程中，由于挤压、钻进、振动的作用下，周边的原状土将会产生扰动，从而会产生形变和运动。首先，随着桩尖的压入，原状土的初始应力状态遭到破坏，桩端的土体的受到挤压而产生压缩变形，同时土体将对桩尖产生相应阻力。当静压桩机的压桩力大于土体的抗剪强度情况下，原状土体将达到极限状态而最终破坏，混凝土桩将被持续的压入土体中，在这个过程中，土体的粘性土将会产生塑性变形而流动，而砂土则会产生挤密侧移和下拖。由于存在厚层的覆土层，在覆土层的土压力作用下，挤压变形的土体主要向桩周水平向运动，桩周土体在挤土的影响下，土体的结构也会遭到破坏，会形成压密区域，在辐射向压力的作用下，临近桩周处原状土体也会受到较大扰动影响。在这些作用的影响下，桩基在持续压入过程会受到桩周土体对桩身产生的桩侧摩阻力和桩端土体对桩端产生的桩端阻力的影响，当桩端阻力和桩侧阻力之和逐渐增大或者大于压桩阻力时，锤击桩的贯入度将会持续变小，静压桩将停止下沉。
3、桩基承载力时间效应原理
预制混凝土桩的时间效应的机理和影响因素的比较复杂的，前文通过对混凝土桩的沉桩机理的描述和分析，并结合多方的工程经验及分析，归纳起来主要有以下几点：
触变效应：当粘性土结构受扰动时，土的强度降低，但静置一段时间，土的强度又逐渐增长，这种性质称为土的触变性。通过上文对混凝土桩的沉桩机理的描述，在桩压入过程中，桩周土体在应力作用下被挤压变形，特别是粘性土，将会产生扰动甚至流动，其初始应力状态遭到破坏，强度大大降低，对桩的侧向阻力较小。但由于粘性土存在触变性，当静止一段时间后，桩周粘性土的强度将会逐渐增长恢复，桩基的承载力也随之逐渐提高。
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固结效应：在沉桩的过程在，在沉桩的挤土压力的作用下，桩周土的结构遭到破坏，其总应力和超孔隙水应力有所增加，甚至会在桩土间形成一层水膜，降低了沉桩的阻力。当桩基施工完毕后，在桩和土交界面形成排水通道，超孔隙水压力将会从孔压区较高的区域向较低的区域消散，水膜也逐渐消失，桩周土产生固结，土的有效应力和强度逐渐增长恢复，甚至在固结作用下最终会超过其初始强度。
土层硬化效应：成桩一定时间后，将会在桩周形成一与基桩紧密结合在一起的硬壳土层，这相当于提高了基桩的直径，提高了桩侧摩阻力，从而提高了桩基的承载力。
4、压桩终压力和单桩极限承载力压力的关系及工程分析
预应力静压混凝土桩的单桩极限承载力与压桩力终压值一直是工程设计以及施工的过程中会被时常讨论的问题，现场在实际施工过程中一般以压桩的终压力来控制和确定单桩的极限承载力。在通过前文分析我们知道，在桩基施工过程中，土体被扰动从而使桩周和桩端阻力产生了变化，当静压桩施工完成后，土体发生固结强度逐渐恢复，随着桩基承载力时间效应的发生，桩周土的应力逐渐恢复，这时桩才开始获得了工程意义上的极限承载力。终压力与单桩极限承载力在本质上是不同的，在数值上也是不相等的，但两者是存在一定的相关性的，一般来讲可以等效的认为单桩极限承载力是终压力与后期土体在触变效应、固结效应的作用下增加的桩阻力之和，而这个后期的增量主要体现为桩侧摩阻力的增加。因此不同的桩长和桩周土体，其终压力与最终单桩极限承载力之间的比值是不相等的。
大量的实践表明，当桩长相同时，在粘性土地基中，由于粘性土受到的扰动变形较为剧烈，后期在触变效应和固结效应的作用下有效应力增加明显，因此，后期单桩极限承载力比终压值大的多，特别是在软土地区中，由于固结系数较高，最终的单桩竖向极限承载力可比终压力值高出一二倍，而且增长较为缓慢，周期长；而在砂土地基中，由于砂土所受的扰动而导致的应力下降作用较为不明显，且超孔隙水压力下降较快，因此，单桩极限承载力的提高值相比于粘性土地基要小的多，而且增长较快，周期短。当土体一致，桩长较短时，桩周的土体强度经一段时间的恢复后，桩侧摩阻力因为桩长较短的原因，虽有一定程度的提高，但由于桩侧摩阻力占桩的极限承载力的比例较小，前后对比增长不明显，最终单桩极限承载力增长较小，反之，桩长较长时，由于桩侧摩阻力占桩的极限承载力的比例较大，后期由于时间效应增大的应力对桩的极限承载力影响较大，单桩极限承载力增长较为明显。因此压桩的终压力与后期的极限承载力是两个概念，不同地质，不同桩长，压桩的终压力与后期的极限承载力的比值也是不同的，而我们在施工的实际中，由于缺少清晰的认知，经常采用相同的变量（终压值达到设计值2倍）控制桩基的施工，从而造成了大量的工程资源的浪费，同时也影响了工期。
以笔者于揭阳的一项目为例，其单桩承载力特征值为2100KN，下部30m和50m分别存在两个砂土持力层，设计要求终压力达到承载力特征值2倍即达到单桩承载力极限值方可终止沉桩。在施工过程中，由于桩端压入30m段的砂土压桩力为3900KN小于4200KN从而选取了下部50m的砂土层作为桩端持力层，后期静载试验表明桩端至于30m段砂土层后所提供的极限承载力完全能满足设计需要，但由于工期因素，当静载试验完成时桩基施工已经完成了一大部分，这就是未考虑桩基承载力的时间效应现象，盲目的将终压力与单桩承载力极限值划等号的结果，造成了工程的巨大浪费。
通过上述的分析，笔者根据自身的工程经验提出了现场对终压值控制的一些建议和看法：首先，对于端承桩和短桩基础，由于桩摩阻力所占的比重较小，后期桩基极限承载力相比于终压值提高较小，终压力控制宜在设计值的2倍以上；其次对于摩擦、摩擦端承桩以及长桩基础，由于桩侧摩阻力所占比重较大，后期桩基极限承载力相比于初始压桩终压值要大的多，因此终压值可根据摩阻力的比重控制在设计值的1.5-2.0倍，并于后期根据土层的固结速度进行复压。
5、结语
本文通过分析阐述了静压预制混凝土桩的沉桩机理，并结合各类工程实践，论证了桩基承载力时间效应存在的客观事实和形成的主要原因，从而明确并推论出了压桩终压力与极限承载力之间的内在关系，对工程实践也提出了自己的一些意见和看法，得出了一定的结论，为其他工程提供参考。
参考文献
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[4]付凯.静压管桩单桩承载力及其与压桩力关系研究.河北工程大学，2014.
论文作者:黄海明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/14
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