山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000

1 緒論

現(xiàn)在的工程建設(shè)中，隨著工程人員對樁基礎(chǔ)的認(rèn)識越來越深，對它的受力狀況研究的越來越透徹，針對不同的工程，各種各樣的樁基形式開始進(jìn)入我們的視野。在我們的工程實(shí)際中，工程人員接觸最多、應(yīng)用最為廣泛的有兩類，分別為為預(yù)制樁基礎(chǔ)與灌注樁基礎(chǔ)，而其中的灌注樁是出現(xiàn)較早，也是我們現(xiàn)階段接觸最多的一種形式。但是，在進(jìn)行灌注樁成樁的施工過程中，因?yàn)椴豢煽匾蛩剌^多，灌注樁自身的質(zhì)量難以得到保證，因此在灌注樁施工過程常遇到夾泥、斷樁、露筋以及縮頸等各種質(zhì)量問題；還有就是，由于樁底處理較為繁瑣，經(jīng)常會出現(xiàn)樁底沉渣現(xiàn)象；再者在水下施工時，灌注樁有很多不便的地方［1］。工程人員在應(yīng)對這些現(xiàn)象的過程中，漸漸的發(fā)現(xiàn)預(yù)制樁的可以解決灌注樁這些問題，隨著預(yù)制樁開始慢慢進(jìn)入人們的視野，逐漸被工程人員所接受，進(jìn)而進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，預(yù)應(yīng)力管樁開始走進(jìn)工程實(shí)際，解決一些以前較為復(fù)雜的問題。

2 預(yù)應(yīng)力管樁的工作原理

2.1 豎向荷載作用下預(yù)應(yīng)力管樁的工作機(jī)理

當(dāng)PC 樁樁頂逐步受到垂直于樁基頂面作用力的影響時，樁身會有壓縮變形的趨勢，PC 樁的壓縮變形使樁基與周邊土層產(chǎn)生相對位移，在發(fā)生變形的過程中，樁基四周的土層會相對于樁基自身運(yùn)動反方向的摩阻力作用，該摩阻力的大小與樁基位移的大小成正比，因?yàn)橛心ψ枇Φ年P(guān)系，樁基頂部施加的豎向力沿著樁身傳遞的過程中會隨著深度的增加而逐漸的減少，在樁基頂部收到的力最大，樁身與土層相對位移最大，摩阻力也就相對較大，在樁基底部，相對位移最小，甚至沒有發(fā)生位移，此時摩阻力相對也就最小，甚至沒有［2-3］。摩阻力的大小不僅與土層深度有關(guān)，還與施加豎向力的大小息息相關(guān)，樁基承受的豎向力在由小變大的過程中，摩阻力的大小在豎向力加載初期，與其成比關(guān)系，豎向力越大，樁基變形越大，與土層產(chǎn)生的相對位移也就越大，摩阻力相對的也就越大，但是當(dāng)豎向力逐漸增大到一定程度，其對樁基的變形影響逐漸變的平穩(wěn)，豎向力在這個階段繼續(xù)加大，樁基與土層的位移基本不會再增加，此時，也就是整個樁身受力，樁基端部產(chǎn)生一定大小的阻力作用，繼續(xù)增大的豎向力將全部由這時產(chǎn)生的端部摩阻力來承擔(dān)，樁側(cè)阻力不會再發(fā)生大的變化。當(dāng)樁基端部開始承受力的作用時，若豎向力繼續(xù)增加，此時端部摩阻力逐漸增大，直至端部摩阻力不足以支撐力的增加時，此時樁基所承受的力就是我們所研究的樁基極限承載能力。隨著近年來大直徑灌注樁與管樁在實(shí)際工程及試驗(yàn)中的不斷應(yīng)用與探索，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及測試結(jié)果表明，樁側(cè)阻力發(fā)揮的大小不僅與力的大小有關(guān)，還與樁徑大小、施工時所用的方法、樁基周邊土的基本特性有直接的關(guān)系。

2.2 水平荷載作用下預(yù)應(yīng)力管樁的工作機(jī)理

在樁基出現(xiàn)的很長一段時間里，人們對樁基關(guān)注的重點(diǎn)都是樁基的豎向承載能力，對樁基承受的側(cè)向荷載重視不足，隨著科技的不斷進(jìn)步，工程人員開始漸漸發(fā)現(xiàn)水平荷載對樁基承載能力產(chǎn)生的重要作用，對于水平荷載的作用效果極其工作原理也開始受到工程人員的重視［4］。

現(xiàn)階段對樁基承受水平荷載一般都是破壞性試驗(yàn)以及抗震試驗(yàn)，單根樁基從開始受到水平荷載作用到樁基破壞結(jié)束這個過程中一般分為三個時間段。初始時間段為彈性變形期，樁基受到水平作用力作用后，由于自身材料的彈性屬性，樁基受力會跟著力的方向發(fā)生位移，但在荷載消失后會慢慢恢復(fù)到原狀。下一個時間段為彈塑性期，當(dāng)作用力超過彈性變形的極限值之后，樁基繼續(xù)受力，會產(chǎn)生無法恢復(fù)到原始狀態(tài)變形，并且在超過該限制之后，樁基單位受力變形量將會大大增加，當(dāng)樁基礎(chǔ)的變形量隨著力的增大逐漸穩(wěn)定的時候，此時的水平作用力稱之為極限荷載；最后一階段為破壞階段，當(dāng)作用在樁基上的水平荷載超過其極限荷載之后，樁基的水平變位會突然變大，同時樁基開始出現(xiàn)裂縫及無法恢復(fù)的變形越來越大，直至破壞。

3 預(yù)應(yīng)力管樁的土塞效應(yīng)

3.1 土塞效應(yīng)產(chǎn)生的原理

PC 樁在被機(jī)械打入土層的施工過程中，由于管樁是空心樁基，因此樁基在下沉過程中勢必會有一部分土由于端部與土層的擠壓力而進(jìn)入空心管樁的空心內(nèi)，隨著力的持續(xù)施加，樁基逐漸下沉，進(jìn)入空心內(nèi)的土層也不斷升高，但是又由于，進(jìn)入空心內(nèi)的土層隨著高度的增加越來越密實(shí)，與管樁內(nèi)壁產(chǎn)生的摩阻力會越來越大，當(dāng)摩阻力的大小大于樁端與土層擠壓力的大小時，管樁內(nèi)的土層由于摩阻力與擠壓力的平衡抵消作用，不會再進(jìn)一步的增加，此時管樁與管內(nèi)的土層產(chǎn)生的封閉效應(yīng)，我們稱之為“土塞效應(yīng)”。（如圖1 所示）。

圖1 沉樁過程中土塞形成示意圖

一般來說，預(yù)應(yīng)力管樁樁基的管徑是決定土塞效應(yīng)強(qiáng)弱或者有無的關(guān)鍵因素，能夠產(chǎn)生土塞效應(yīng)的預(yù)應(yīng)力管樁存在著一個極限樁徑，大于該樁徑的管樁，不會產(chǎn)生任何土塞現(xiàn)象［5-6］。工程人員通過近幾十年的試驗(yàn)總結(jié)，得到砂土層的極限樁徑是100～200mm；而粘土層或者近海沉積土極限樁徑為800～1200mm，在相同的條件下，土塞效應(yīng)與樁徑成反比。

3.2 土塞效應(yīng)的工作機(jī)理

在試驗(yàn)研究以及實(shí)際工程中證明，PC 樁受到豎向力作用之后，力的傳遞過程是依靠管樁的內(nèi)外壁以及管壁底面三個方面完成的，在土塞效應(yīng)中形成的管內(nèi)土層與內(nèi)壁的摩阻力大小是決定PC 樁承載能力極限狀態(tài)的關(guān)鍵因素，因此確定管內(nèi)土層與內(nèi)壁摩阻力（以下簡稱管內(nèi)摩阻力）的工作機(jī)理就顯得十分重要，管內(nèi)摩阻力與管外摩阻力（管樁外壁與土層相對移動產(chǎn)生的摩阻力）工作機(jī)理有很大的不同，管內(nèi)摩阻力只有當(dāng)管內(nèi)土層由于擠壓作用產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，有一定的密實(shí)度之后，才會產(chǎn)生相應(yīng)的力的作用，還有該摩阻力與外力施加的大小也有一定的關(guān)系，當(dāng)施加的外力較小時，管內(nèi)的土層會隨著管樁一起下沉，管內(nèi)土層不會產(chǎn)生較大的密實(shí)度，不會與內(nèi)壁產(chǎn)生相對位移而產(chǎn)生管內(nèi)摩阻力，只有當(dāng)力較大時，土塞效應(yīng)才會發(fā)生。

3.3 土塞效應(yīng)對端阻的影響

由前文內(nèi)容可以得知，管樁下沉?xí)r與土層的擠壓作用產(chǎn)生的管內(nèi)土層與管壁產(chǎn)生相對位移使得管樁內(nèi)部與土層產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦阻力，該阻力的大小受到土塞的高度、土層的特質(zhì)、管樁的直徑以及壁厚等因素的影響［7］。由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，管樁的承載能力極限狀態(tài)與土塞的閉塞程度又有非常大的關(guān)系，工程科研人員根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)得出求解管樁內(nèi)壁側(cè)阻力大小的三種方式：第一種為假設(shè)擠壓進(jìn)管內(nèi)的土為剛塑體；第二種是根據(jù)摩擦過程中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；第三種為假設(shè)土層為理想的彈塑性體進(jìn)行求解。

3.4 土塞效應(yīng)對沉樁過程的影響

由上文可以得到，土塞作用對管樁的承載力影響較大，一方面能夠發(fā)揮其有利于承載能力的效果，提高樁基承載能力［8］。與此同時，又由于土塞現(xiàn)象的不可預(yù)見性又增加了沉樁過程中的諸多不確定性，當(dāng)荷載不斷增大土塞現(xiàn)象由不完全閉塞變?yōu)橥耆]塞后，土塞不會隨著樁基的下降而上升，此時，樁端位置處的地基在荷載作用下不會繼續(xù)進(jìn)入管內(nèi)，而會隨著荷載的加大對該部位處的土體有一個擠壓密實(shí)的效果，從而使該部位的土體不斷的變密實(shí)，越來越緊，最終導(dǎo)致樁基無法繼續(xù)下沉，導(dǎo)致沉樁失敗。所以，有效的利用土塞的閉塞效應(yīng)所產(chǎn)生的效果對施工和設(shè)計(jì)都有極大的借鑒意義［9］。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的擠土效應(yīng)

4.1 管樁擠土原理分析

PC 樁在沉樁過程中表現(xiàn)出來的特性就顯示了該樁基形式本身就屬于擠土樁。PC 樁在豎向力的作用下逐漸打入土層內(nèi)部，在該過程中樁頭所接觸的土層所受到的力最為直接也最大，最容易達(dá)到該處土層的極限承載力而破壞，破壞后的土層會向周邊擴(kuò)散，從而形成新的土層組合形式，一般情況下，會在接觸位置產(chǎn)生4～6 倍樁徑的球形擾動區(qū)，該處土體受力最大，變形最大。經(jīng)試驗(yàn)研究分析發(fā)現(xiàn)，樁土接觸位置是存在一個接觸面的，該接觸位置處的土層特性與擠土作用有著密切的關(guān)系［10］。當(dāng)樁周土層為飽和軟土?xí)r，由于土層中空隙水壓力的存在，因此在沉樁過程中樁體受力傳遞給周邊土，周邊土的受力首先是擠壓土層，將土層中的水分先排除，這種情況就極大的減少了樁體對周邊土層的有效應(yīng)力，會使周邊土體產(chǎn)生相對于管樁的隆起以及水平位移；當(dāng)樁周邊為砂土?xí)r，其特性決定其基本不存在孔隙水壓力，但是該土層極其容易壓縮變形，因此在沉樁初期中，樁體受到力的作用后在下沉過程中其擠土效應(yīng)由于土層受力壓縮變形而使擠土現(xiàn)象非常的不明顯，但是隨著壓縮量的增大，達(dá)到土體的壓縮極限時，擠土效應(yīng)就會越來越明顯。

4.2 擠土效應(yīng)對側(cè)阻力的影響

樁基在施工過程中，由于擠土效應(yīng)的作用，是的周邊土密實(shí)度變得更好，從而使得樁周土與樁基的摩阻力增強(qiáng)很多。但是在開始階段，樁基下沉，樁尖與土層接觸的位置會有大量的土體進(jìn)入管樁內(nèi)形成土塞而只有極少數(shù)的土體會向四周分散，但是隨著土塞效應(yīng)的閉塞效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，擠土效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，最終階段之后擠土作用在發(fā)揮作用，土體不在進(jìn)入管樁內(nèi)部，全部向四周排開。

5 結(jié)論

文章對PC 樁的工作原理做了較為詳細(xì)的介紹。首先介紹了預(yù)應(yīng)力管樁在豎向荷載以及水平荷載作用下的工作原理，并且對樁體體系中荷載傳遞的機(jī)理進(jìn)行了簡單的介紹，然后分別對預(yù)應(yīng)力管樁的土塞效應(yīng)以及擠土效應(yīng)分別從產(chǎn)生的原理，工作機(jī)理以及對樁基承載力的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，得到預(yù)應(yīng)力管樁土塞效應(yīng)與擠土效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)，互相影響的。