预制桩的加密作用对消除粉砂土液化的应用分析

预制桩的加密作用对消除粉砂土液化的应用分析

王磊

江苏煤炭地质勘探三队 江苏 常州  21300

摘要：基于预制桩桩土加密效应机理，结合工程实例，通过采用双桥静力触探试验对沉桩前后桩间土的原位测试试验，研究了桩土挤密作用对桩间土的影响，结果表明桩土挤密效应可有效改善桩间土的物理力学性质和液化指标，可进一步优化桩基方案的设计、改善桩基施工难度及确保工程建设的安全度和可靠度。

关键词：预制桩、加密作用、双桥静力触探试验、液化判别

1引言

预制混凝土桩是深基础的一种，主要由桩及承台组成，预制桩具有施工速度快、单桩承载力高、质量可靠、可提前预制、环境污染小等优点，在城市高层建筑、桥梁、港口等工程中被广泛采用，已经成为基础工程中的重要形式之一。预制桩是一种挤土桩，对桩端持力层的选择有较高的要求，主要适用于粉质黏土、粉土及粉砂土地区，区域性较强；在粉砂土地区，由于粉砂土的挤密作用，使得桩侧土体被压密，经常会出现预制桩施工时无法压至设计标高或进入桩端持力层一定深度的情况，这些问题给桩基施工、设计及工程建设的安全性带来了不少隐患。因此，以粉砂土为主的区域地质条件下，在一定桩距及桩数的前提下，宜考虑桩周土体的挤密作用对桩基承载力及液化土层的改善作用，可进一步优化桩基方案的设计、改善桩基施工难度及确保工程建设的安全度和可靠度。

本文以一定桩距及桩数的桩基工程为例，从预制桩的加密效应机理出发，分析了预制桩的挤密作用对消除粉砂土液化效应的改善作用，对类似项目的设计具有一定的借鉴意义。

2加密效应机理

预制桩的施工可以采用静压法及锤击法，静压法对周边环境的污染较小，在城市周边预制桩的施工主要采用静压法，静压法施工前需根据地质条件选择合适型号的静压桩机及配重。当桩体在一定压力下被逐渐压入土中，桩侧土体向外挤出，土的体积被桩填充，此时桩侧一定范围内的土体被扰动而重塑，而上覆压力较小的浅层土向上隆起，体积增大，浅层土的密实度反而减小，其侧摩阻力较小。随着深度的增加，上覆土层压力增加，桩侧土向桩截面方向挤压，从而造成桩侧一定范围内土颗粒重新组合，孔隙比减小，密实度增加，桩侧摩阻力也相应增加，桩基承载力增加。根据前人的研究成果，可以将桩周土体自桩侧向外分为四个区域，如图1所示。

    I区内，土颗粒骨架受到挤压最为明显，产生塑性破坏，土体原有的结构基本散失；随着休止之间增加，该部分土颗粒重新固结，抗剪强度达到甚至超过原来的强度；II区内，土颗粒骨架受桩土挤压的影响较为严重，发生较大程度的位移和塑性变形，但未达到颗粒重分布的情况；III区内，土颗粒的变形主要以弹性变形为主；IV区内，土颗粒基本未受桩土挤压作用的影响，属于原状土。在桩间距较小的（桩间距小于6倍桩径）情况下，桩侧I区~III区的范围是相互叠加的，受力区的相互叠加使桩侧土体以I区及II区变形为主，一方面使得桩土挤密效应增强，另一方面桩侧摩阻力的增加使得单桩承载力提高。

3工程实例

    为更好的研究桩土挤密效应的发挥，采用双桥静力触探试验对桩基施工前后桩间土进行现场原位测试试验，根据双桥静力触探试验锥尖及侧阻力的大小，定量分析粉砂土中的桩基挤密效应，并就桩基施工前后粉砂土的液化效应采用静力触探试验计算法进行验证。

3.1场地地质条件

根据岩土工程勘察报告，拟建场地在地域上属长江下游三角洲冲积平原地貌单元，勘探深度范围内地基土均为河流相和滨海相沉积物，勘探范围内的土层分成11个工程地质层，主要土层的物理力学性质建下表1：

表1  场地内主要土层的物理力学性质

    根据勘察及设计提供的桩基方案，本工程以层8（粉砂）做桩端持力层，设计单桩承载力特征值1200kN。为了定量分析桩土挤密后桩间土的挤密作用，对沉桩完成后桩间土采用双桥静力触探试验进行原位测试。

3.2预制桩加密作用分析

桩土挤密作用常发生于粉砂土层中，桩土挤密对桩基承载力的提高具有改善作用，但会提高沉桩的难度，需要配合更大功率的沉桩设备及配重，增加了桩基施工成本。对本工程沉桩前后的双桥静力触探试验值进行了统计，统计值见表2。

表2  桩基施工前后双桥静力触探试验统计值

从桩基施工前后的双桥静力触探试验值可知，沉桩完成后，桩侧及桩端土层qc值均得到提高，层2及层5提高幅度最为明显，分别提高了82.3%及82.4%；桩端持力层层8（粉砂）qc值提高28.6%，从桩端处的曲线可以看出，桩基进入持力层一定距离Ld，在Ld范围内，qc值增加明显，而Ld范围外，qc值基本与沉桩前相同；由此可知，桩土挤密作用主要出现在桩侧土层中，而对桩端下土层的挤密作用有限。因此对考虑桩土挤密作用的桩基设计参数而言，建议在有经验的地区可在规范的基础上适当提高桩侧摩阻力标准值，桩端极限端阻力标准值宜根据规范要求取值。

4液化影响分析

    砂土、粉土液化（liquefaction of sand）是指饱水的疏松粉、砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象，由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象，影响粉土、砂土因素较多，密实程度是其中之一；从以上的分析可知，桩基施工对桩间土的影响较为明显，因此预制桩对改善土层液化性能有一定的作用。

4.1液化判别试验方法

粉砂土的液化判别以标准贯入试验法为主，判别的依据主要为累计打入30cm的锤击数及贯入器中扰动土样的黏粒含量；本工程中通过双桥静力触探记录沉桩前后对桩间土液化指标的影响；因此，根据铁道部《铁路工程抗震设计规范》及《岩土工程勘察规范》内容，采用静力触探法进行液化判别，液化临界贯入阻力按下式计算：

       公式（1）

式中参数释义详见相关规范。以7度区为例，锥尖阻力基准值取值范围为4.6~5.5，为尽可能确保在建项目的可靠性，取5.5计算。

4.2计算成果及分析

根据公式（1）分别计算沉桩前后桩间土的液化指标，详见表3。

表3  沉桩前后桩间土液化计算成果

    根据上表的计算成果可知，沉桩后层2（粉土）由原来的液化转变成不液化，静压式预制桩基础对桩周土体产生挤密作用，使得桩周土颗粒进一步压缩，孔隙比减小，密实度增加，双桥静力触探试验锥尖阻力及侧摩阻力都得到不同程度的增加，加密效果明显。通过对沉桩前后桩间土采用静力触探试验进行液化判别的结果，本工程场地内层2（粉土）受桩土挤密作用的影响，液化基本消除。

5结论

    在粉砂土地区，预制桩沉桩完成后对桩周土体具有挤密作用，通过采用双桥静力触探试验对沉桩前后桩间土的现场原位测试，说明了挤密作用可有效改善桩周土层的物理力学性质，对改善粉砂土的液化性能亦有作用。因此，桩基设计时在考虑经济因素外，尚可根据工程地质条件选择合适的桩长及桩间距，当有成熟经验时可考虑桩土挤密作用对提高单桩承载力及改善液化土层的有利影响。

参考文献：

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