东莞市水利勘测设计院有限公司 广东东莞 523115
摘要：本文简要分析了静压桩的成桩机理，讨论了静压桩的终压力与极限承载力的区别和关系，并对其在实际工程中的应用进行了介绍。
关键词：静压桩；成桩机理；终压力；极限承载力。
1、概论
静压预制桩（即静压桩）是通过静力压桩机的压桩机构，以压桩机的自重和机架上的配重做为反力，通过卷扬机滑轮或液压油缸作用于预制桩的桩顶或桩身上，对其施加持续压应力，将桩压入地基中形成桩基础的工艺方法。由于这种方法具有无噪音、无振动、无冲击力等优点，同时静压桩没有人工挖孔桩施工抽水引起的危害和钻孔桩施工泥浆满地的烦恼，满足绿色环保的要求，因此近年来发展较快。目前静压桩的常用桩型有预制混凝土方桩和预应力预应力混凝土管桩，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。本文拟对静压桩的成桩机理及以及在实际工程中的应用进行介绍。
2、静压桩的成桩机理
近年来，在广大学者、专家的共同努力下，静压桩的设计和研究取得了很大的进展，在实际工程中应用也越来越广泛，得到了许多工程技术人员的青睐，下面对静压桩的成桩机理做简要介绍。
静压桩施工时，在压桩机静压力的作用下，桩体垂直受力下沉，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产生冲剪破坏，同时桩周土体也产生剪切积压破坏，粘性土发生稠化，粉土、砂土发生软化，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，它与桩周处土体强度成正比，与桩的入土深度成反比。
由于静压桩沉桩穿越的土层一般使软弱松散的，含水量较高，孔隙比较大，因此，在粘性土中，桩尖处土体在扰动重塑、超静孔隙水压力作用下，土体的抗压强度会明显下降。砂性土中，密砂受松驰效应影响土体抗压强度会减少，松砂受挤密效应影响土体抗压强度会增大，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。根据统计分析，不管桩尖持力层是粘性土层、粉土层、砂土层还是风化岩层，桩端所能提供的端阻力约为终压力的40％～55％，其余部分要靠桩周土体的抗剪强度的恢复来补充，而桩侧摩阻力的大小直接受桩入土深度的影响。
静压桩施工过程中，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，当压桩停止时，随着时间的推移，桩周土体的抗剪强度会逐渐恢复，即桩侧摩阻力会增大，而增大的程度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。
3、终压力与极限承载力
对于静压桩基础而言，不少工程技术人员往往容易把静压桩施工终压力和桩的极限承载力混为一谈，其实二者时有很大区别的，弄清楚他们之间的关系，对设计、施工都有很重要的指导意义。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。由此可见，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。
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经验估算公式：
当6m≤L≤15m时，
当15m＜L＜23m时，：TZpA/
当L≥23m时， 2W$G3
式中：－静压桩单桩竖向极限承载力标准值；
－静压桩的终压力值；
α－效应系数。
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。特别当桩入土深度L＝6m～8m且土质一般时，α≈0.6；土质较好时，α≈0.7～0.8。这个经验公式有下列两个用途：一是如果已知静压桩施工的终压力、桩入土深度及桩周土质情况，则可以粗估静压桩的极限承载力。如终压力为3600KN，桩长7m，效应系数取0.6，则估算桩的极限承载力 =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，效应系数取0.7，要求桩的极限承载力达2400KN，则终压力值应为≥2400/0.7=3430KN，所以可选用3600KN压桩机施压。
4、静压桩在某工程地基处理中的应用
4.1、工程地质概况
某水闸工程中，通过基础开挖以后，地基表面高程为-1.5米（珠基高程，下同），根据地质勘查报告，场地内地层自上而下分为：-1.5米～-3.2米为中细砂，深灰色，饱和，松散～稍密状，含少量和粘粒，地基承载力特征值为110kPa；-3.26米～-10.56米为淤泥质土，灰黑色，饱和，流塑状，含有机质和粉砂，地基承载力特征值为60kPa；-10.56米～-14.46米为中砂层，灰黄色，饱和，稍密～中密状，含少量粘粒，地基承载力特征值为160kPa，再往下依次为全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩等。
本工程基础为钢筋混凝土，可以认为地基所受力为均匀分布，根据实际计算，基础及上部建筑物结构在地基处产生的平均应力为135kPa，大于相应地基处的地基承载力，因此需要对地基进行加固处理。针对本工程的特点，终合考虑各方面的因素，最终确定采用静压桩进行地基处理。
4.2、桩体布置
根据建筑物的基础平面布置形状，拟选用C25混凝土预制方桩，尺寸为250mm*250mm，间距为1m*1m，平面矩形布置，经过分析，当单桩的承载力特征值达到135kPa时，即可满足基础的稳定要求。
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4.3、单桩长度的确定
根据建筑场地处的地质堪察报告中土的物理力学性质，参照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的单桩承载力特征值的计算公式：
式中 －单桩承载力特征值；
－分别为桩周第i层土的侧阻力特征值和桩端持力层端阻力特征值；
－桩周长；
－按土层划分的第i层土桩长。
代入已知数据，经计算得，单桩长度为10.8米，取单桩设计长度为11米。
4.4、桩身结构强度验算
由于桩基础均匀受压，可以认为桩为轴心受压构件，轴心受压钢筋混凝土桩承载力应满足以下要求：
式中 －建筑桩基重要系数，对于安全级别为一、二、三级的建筑物分别取＝1.1，1.0，0.9；
－桩顶轴向压力设计值；
－纵向弯曲系数，取＝1.0；
－混凝土轴心抗压强度设计值；
－桩身截面面积。
计算时，不考虑桩身构造配筋的作用，代入数据＝135kPa，C25混凝土强度设计值＝12.5MPa，桩身截面积＝0.0625m2，经计算，桩身强度满足要求。
4.5、压桩机中终压力的确定
要使静压桩的承载力达到设计要求，就需要选用相应的压桩机械，即确定静压桩所需要的终压力值，因此首先要确定单桩的极限承载力，再根据前面提到的经验公式确定终压力值。单桩的极限承载力按以下公式计算：
式中 －单桩竖向极限承载力标准值；
－桩基安全系数，取＝2.0；
代入数据计算，得＝270KPa。
由于单桩的长度6m≤L≤15m，则α取0.7，按照以下公式计算：
代入数据计算，则静压桩要达到设计的承载力特征值所需要的终压力＝386KPa，因此可据此选用相应的压桩机进行施工。
4.6、施工流程
静压预制桩的施工一般采用分段压入、逐段接长的方法。其施工工艺为：桩位测量定位―→压桩机就位―→吊装、插桩―→桩身对中调直―→静压沉桩―→接桩―→再静压沉桩―→送桩―→终止压桩―→截桩
4.7、施工顺序
不同深度的桩基，应按先深后浅，先密后疏，先长后短的原则，同时考虑施工顺序上的衔接及进度进行沉桩顺序安排，尽量避免多次移动桩机，以经济合理、运桩、喂桩方便为原则。
4.8、压桩技术要求
4.8.1桩位定位
根据图纸和现场轴线确定每根桩的桩位。
4.8.2压桩机就位
经选定的压桩机进行安装调试就位后，行至桩位处，使千斤顶与桩轴线保持同一直线，调平压桩机后，再次校核无误，确保在施工中不发生倾斜和移动。
4.8.3吊装、插桩
配备专门调机进行吊装、插桩。第一节桩（底桩）应用带桩尖的桩，当桩被运到压桩机附近后，采用单点吊法起吊使千斤顶与桩轴线保持同一直线。
4.8.4桩身对中调直
当桩被吊入夹桩钳口后，微调压桩机将桩压入土中0.5～1.0m，暂停下压，再从桩的两个正交侧面校正桩身垂直度，桩身垂直度偏差不宜大于0.5%。
4.8.5静压沉桩
4.8.6接桩
当一节桩压到其桩顶离地面80～100cm时，可进行接桩。采用焊接接桩，焊接前应先复查上下桩的垂直度和中心线是否重合，清理接口处砂浆、铁锈和油污等杂质，下节桩头必须设导向箍，以保证上下桩节找平接着，上下桩之间的间隙应用铁片全部填实，将四周点焊固定，然后对称焊接，焊缝应饱满连续，焊缝不应少于两层，焊完一层应及时清除焊渣，每层焊缝的接头应错开。焊好的桩接头应自然冷却后才能继续施压，电焊结束后的停歇时间应大于1.0min，以确保焊缝质量。焊接的材质（钢板、焊条）均应符合设计要求，焊接件应做好防腐处理。
4.8.7送桩
如果桩顶已接近设计标高，而桩压力尚未达到规定值，可以送桩。静压桩的送桩作业可以利用现场的预制桩段作送桩器。施压预制桩最后一节桩的桩顶面达到施工地面以上1.5m左右时，应再吊一节桩放在被压桩的顶面，不要将接头连接起来，一直下压直到桩顶面压至符合终压控制条件为止，然后将其上面的一节桩拔出来即可。送桩器或作送桩器用的预制桩侧面应标出尺寸线，便于观察送桩深度。
4.8.8终止压桩
当桩被压入土层中一定深度或桩尖进入设计持力层一定深度，且压力表读数达到预先规定值时，便可终止压桩。
4.9施工中的注意事项
（1) 压桩架要保持竖直，应均衡拧紧锚固螺栓的螺帽，在压桩施工过程中，应随时拧紧松动的螺帽；
（2) 桩段就为必须保持垂直，使千斤顶与桩轴线保持在统一垂直线上，不得压偏。压校时，桩顶应压3～4cm厚的麻袋，其上垫钢板在进行压桩；
（3) 压桩施工时不宜数台压装机同时在一个独立柱基上施工。施工期间，压桩力综合不得超过该基础及上部结构的自重，以防基础上抬造成结构破坏；
（4) 压桩施工不得中途停顿，应一次到位。如不得已必须中途停顿时，桩尖应停留在软土层中，且间歇时间不得超过24h；
（5) 采用硫磺胶泥接桩时，上节桩就位后应将插筋插入插筋孔，检查重合无误，间隙均匀后，将上节桩吊起10cm，装上硫磺胶泥夹箍，浇筑硫磺胶泥，并立即将上节桩保持垂直放下，接头侧面应平整光滑，上下桩面应充分粘贴，待接桩中的硫磺胶泥固化后（一般气温下，经5min硫磺胶泥即可固化）才能开始继续压桩施工当环境温度低于5℃时，应对插筋和插筋孔做表面加温处理；
（6) 熬制硫磺胶泥的温度应严格控制在140°～145°范围内，浇筑时温度不得低于140℃；
（7) 采用焊接接桩时，应清除表面铁锈，进行满焊，确保质量；
（8) 桩顶未压到设计标高时（已满足压桩力要求），对于外露桩头必须进行切除（经设计单位同意），切割桩头前应先用模块把桩固定住，然后用凿子凿出外露混泥土，严禁在悬臂情况下乱砍桩头，切除桩头的深度（理基础顶面以下的深度）一般为60cm；
（9) 柱与桩基的连接（封桩）是整个压桩施工中的关键工序之一，必须认真进行。
施工要严格按照设计要求，认真领会设计意图。桩段规格、尺寸、强度等级必须严格要求，符合规定。桩孔孔位与设计孔位一致，其平面位置偏差不得超过20mm。静压预制桩对于此类工程是非常合适的，具有施工时无震动、无噪声、无油污飞溅等环境污染的特点，施工质量好，使用费用低，是环保型桩工机械。
5、结束语
经过对静压桩的简要分析，可以看出，相对于其他桩基础（钻孔灌注桩、人工挖空灌注桩和预制桩）而言，在满足工程质量要求的前提下，静压桩有其独特的优点，并且经过近年来的实际工程应用，在静压桩的施工和设计方面也积累了丰富的经验，这就为静压桩的推广和应用奠定了良好的基础。因此，在实际工程中，针对具体的地基基础情况，各建设、设计、施工、监理等单位之间相互配合、大力协作，充分发挥静压桩的特性，必将创造出更好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 袁聚云、李镜培、楼晓明等 编著·基础工程设计原理·同济大学出版社·2001.1
[2] 武汉水利电力学院 冯国冻 主编·土力学·水利电力出版社·1986.5
[3] 林本海，王离·静压桩承载性能的分析研究[J].建筑结构学报，2004，25（3) ：120-124
论文作者:姚礼标
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第25期
论文发表时间:2019/6/24
标签：静压论文; 承载力论文; 阻力论文; 压力论文; 强度论文; 极限论文; 地基论文; 《建筑细部》2018年第25期论文;