劉文龍

摘 要：根據(jù)豎向荷載作用下的樁-土相互作用原理，并考慮土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性特征，建立了樁基沉降簡(jiǎn)化模型。筆者以某高速公路為工程實(shí)例，探討了預(yù)制管樁樁長(zhǎng)和回彈率在砂層地基中對(duì)基樁沉降的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)樁徑不變時(shí)，基樁沉降隨樁頂豎向荷載的增加呈現(xiàn)非線性增大的趨勢(shì)，隨樁長(zhǎng)的增大呈非線性減小趨勢(shì);增大樁徑一定程度上能夠減小樁基豎向受荷沉降，但是對(duì)于樁徑800 mm的基樁，樁長(zhǎng)增大到12 m時(shí)，樁長(zhǎng)已經(jīng)不再是控制樁徑沉降的關(guān)鍵參數(shù);基樁試驗(yàn)樣本的回彈率在小范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)基樁沉降基本無(wú)影響，以期為基樁工程的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制管樁;沉降;樁基;回彈率

中圖分類號(hào)：U448.25;U441+.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2022）3-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.023

Analysis of the Influence of the Length of Prefabricated Pipe Piles on the Settlement of Foundation Piles in Sand Ground

LIU Wenlong

（1.No.2 Engineering Co.， Ltd. of China Railway 10th Group Co.， Ltd. Zhengzhou 450008，China;2. Henan Anluo Expressway Co.， Ltd. Zhengzhou 450003， China）

Abstract： According to the principle of pile-soil interaction under vertical load， and considering the nonlinear characteristics of soil stress and strain， a simplified pile settlement model is established. The author takes the foundation piles of the viaduct from Shangcai to Luoshan on the Anyang-Luoshan Expressway as an engineering example to discuss the influence of the length and resilience of precast pipe piles on the settlement of foundation piles in sand foundations. The research results show that when the pile diameter is constant， the settlement of the foundation pile decreases with the increase of the pile length in a non-linear trend， and with the increase of the vertical load on the top of the pile， it shows a non-linear increase trend. Increasing the pile diameter can reduce the vertical load settlement of the pile foundation to a certain extent， but when the pile length increases to about 12m with pile diameter of 800mm， the pile length is no longer a key parameter to control the pile diameter settlement. The rebound rate of the foundation pile test samples fluctuates in a small range， and has basically no effect on the settlement of the foundation pile， which is expected to provide a reference for the design of foundation pile engineering.

Keywords： precast tubular pile; sedimentation; pile foundation; percentage of rebound

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用越來(lái)越大。公路作為帶狀構(gòu)造物，有時(shí)需要穿越不同的地質(zhì)單元，導(dǎo)致部分橋梁修建在軟弱土層中。由于土層的承載能力不足，會(huì)造成橋梁基樁的沉降量過(guò)大，進(jìn)而影響橋梁的安全和使用壽命[1-3]。

近年來(lái)，對(duì)樁基沉降問(wèn)題，學(xué)者們提出了相關(guān)的理論并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。張瑞坤[4]等基于深厚軟黏土地區(qū)的4根單樁靜荷載試驗(yàn)資料，分析了單樁沉降。張忠苗[5]等人通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比高強(qiáng)混凝土管樁和預(yù)制方樁中的沉降曲線和樁身分布情況，研究了高強(qiáng)混凝土管樁的傳遞機(jī)制。劉紅軍[6]等建立了用于單樁沉降計(jì)算的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，通過(guò)與算例證明了該方法的準(zhǔn)確性。陳錦劍[7]等結(jié)合彈性理論，基于單樁荷載試驗(yàn)結(jié)果，探討了工作荷載下單樁沉降的簡(jiǎn)化方法。彭武[8]等借鑒已有巖石結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的方法，采用荷載傳遞理論，分析了預(yù)制管樁的受力機(jī)理。陳焰明[9]等對(duì)預(yù)制方樁與高強(qiáng)混凝土管樁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，對(duì)比分析了預(yù)制方樁與高強(qiáng)混凝土管樁在軸向荷載作用下樁身的受力特性。尹建坤[10]等提出了鉆埋式微型預(yù)制管樁承載力試驗(yàn)研究方法。靳建明[11]等基于最小勢(shì)能原理，推導(dǎo)了樁-土體系的控制方程，提出了相應(yīng)的求解方法。以往的研究主要為樁和土之間的作用機(jī)理，研究樁豎向承載能力，但是現(xiàn)有的成果還未體現(xiàn)在砂層地基中的基樁的尺寸對(duì)沉降量的影響。

基于此，在分析豎向荷載作用下土和樁之間的相互作用的同時(shí)，探討在砂層地基中預(yù)制樁樁長(zhǎng)和回彈率對(duì)樁基沉降的影響，以期為基樁工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算基裝沉降的荷載傳遞法

荷載傳遞法在樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算時(shí)被廣泛采用[1]。如圖1所示，豎向荷載作用下樁土體系的傳遞荷載過(guò)程可簡(jiǎn)化為：樁身沉降s（z）和樁身軸力Q（z）隨深度逐漸遞減，而樁側(cè)摩阻τ（z）逐漸發(fā)揮作用的過(guò)程。

取預(yù)制樁樁身微量dz為研究對(duì)象，由豎向受力平衡公式可得式（1）（2）。

2 橋墩樁基沉降的計(jì)算

2.1 工程概況

某高速公路設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，雙向四車道，路基寬度27 m。施工過(guò)程中采用的管樁基礎(chǔ)橋墩形式。管樁按《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476—2009）及國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）選用，工業(yè)化制造產(chǎn)品;承臺(tái)、墩身及蓋梁均采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

下部結(jié)構(gòu)蓋梁、立柱、管樁均為預(yù)制的橋墩形式。

承臺(tái)與管樁通過(guò)填芯混凝土伸出鋼筋錨固在承臺(tái)內(nèi)。管樁填芯混凝土高度不小于3倍樁徑;澆筑填芯混凝土前，將管樁內(nèi)壁浮漿清理干凈，采用內(nèi)壁涂刷水泥凈漿、混凝土界面劑等措施提高填芯混凝土與管樁的整體性。

2.2 地質(zhì)資料

根據(jù)本工程的巖土工程勘察資料的勘察成果，該工程土層分布從上至下描述如下。

第一層，粉質(zhì)黏土，整體呈灰褐色，主要成分為黏性土。而粉質(zhì)黏土即大部分為黏土，有一定黏性、切面較光滑、干強(qiáng)度高、韌性較高，層厚11.8～16.5 m，層底標(biāo)高45.88～34.87 m。土質(zhì)不均，普遍分布。

第二層，粗砂，呈灰色，軟塑，干強(qiáng)度中等，中等韌性，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚8.5～13.4 m，層底標(biāo)高34.87～23.07 m，土質(zhì)較均勻，工程性能一般。

第三層，粉質(zhì)黏土，整體呈灰褐色，主要成份為黏性土。而粉質(zhì)黏土即大部分為黏土，有一定黏性、切面較光滑、干強(qiáng)度高、韌性較高，層厚12.6～13.4 m，層底標(biāo)高23.07～13.37 m。土質(zhì)不均，普遍分布。

第四層，粗砂，呈灰色，軟塑，干強(qiáng)度中等，中等韌性，無(wú)搖震反應(yīng)，層厚20～23.37 m，層底標(biāo)高13.37～10.33 m，土質(zhì)較均勻，工程性能一般。

2.3 施工工藝

本項(xiàng)目采用錘擊沉樁施工，其工藝流程為：測(cè)量放線-樁基就位-吊樁落位-樁機(jī)調(diào)平-雙向調(diào)整樁身垂直度-打樁-接樁-送樁-移動(dòng)樁機(jī)。具體要求如下。

①根據(jù)設(shè)計(jì)樁位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樁位測(cè)放，樁位誤差應(yīng)符合要求。

②樁機(jī)就位應(yīng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，場(chǎng)地平整，采取保證施工中樁機(jī)不發(fā)生傾斜、移位，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正。

③首節(jié)管樁插入土中深度不大于0.5 m時(shí)，應(yīng)檢查樁位及樁身垂直度偏差，校正后的垂直度偏差不大于0.5%。

④管樁錘擊過(guò)程中，采用重錘輕擊，樁錘、樁帽和樁身的中心須始終重合，并實(shí)時(shí)檢查樁身的垂直度，當(dāng)樁身傾斜度大于0.8%時(shí)，應(yīng)立即找出原因并設(shè)法糾正，嚴(yán)禁釆用移動(dòng)樁架強(qiáng)行扳拉的方法糾偏。

⑤每一根樁宜一次性連續(xù)沉樁完成，盡量減少中間間歇時(shí)間，當(dāng)采用分節(jié)施工時(shí)，應(yīng)保證承臺(tái)下10 m范圍內(nèi)不出現(xiàn)接樁。

⑥設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高在自然地面以下時(shí)應(yīng)進(jìn)行送樁，送樁深度不宜大于4 m，應(yīng)采套筒式送樁器，套筒直徑應(yīng)與管樁相匹配，送樁器與樁身軸線保持重合。

⑦施工工程中應(yīng)加強(qiáng)樁頂高監(jiān)測(cè)，當(dāng)上浮時(shí)應(yīng)復(fù)打。

⑧垂直度校正應(yīng)采用二臺(tái)經(jīng)緯儀或全站儀從互成90°的兩個(gè)方向同時(shí)觀測(cè)，沉樁過(guò)程應(yīng)設(shè)置專人專崗，隨時(shí)觀測(cè)校正。

⑨送樁器應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 406—2017）的相關(guān)規(guī)定，建議采用套筒式送柱器，不得采用中間設(shè)置小圓柱體的插銷式送樁器，也不得采用下端面不設(shè)任何限位裝置的圓柱形送樁器。

⑩樁帽與樁頂之間應(yīng)有麻袋、紙皮或木砧等材料作為彈性襯墊。錘擊壓縮后材料的厚度以12～15 cm為宜。

2.4 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

2.4.1 樁身混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。由實(shí)測(cè)獲得各級(jí)荷載下軸向應(yīng)變值和應(yīng)力計(jì)算值，可以得到各試樁表頂面混凝土的軸向應(yīng)力應(yīng)變的擬合關(guān)系式（8）。

3 影響因素分析

在所有影響豎向荷載作用下基樁沉降的因素中，樁長(zhǎng)是主要因素。在樁徑為800 mm時(shí)，通過(guò)改變樁長(zhǎng)，對(duì)砂層地基中樁頂沉降的變化規(guī)律展開(kāi)分析。樁基的回彈率一定程度上會(huì)影響樁基的特性進(jìn)而影響到沉降量。

3.1 樁長(zhǎng)的影響

以實(shí)際工程中的樁長(zhǎng)L=10.8、11.3、12.0、12.5、20.5 m為基礎(chǔ)，經(jīng)荷載試驗(yàn)，得到不同樁長(zhǎng)條件下的樁頂荷載沉降曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，樁頂沉降隨著L的增大呈非線性減小趨勢(shì)，在樁長(zhǎng)L超過(guò)12 m以后，樁長(zhǎng)隨荷載的變化不明顯。樁頂沉降s隨樁身軸力Q增加而呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)。樁長(zhǎng)L=12.5 m，當(dāng)Q為2 300 kN和4 600 kN時(shí)，預(yù)制樁樁頂沉降量s分別為4.00 mm和15.12 mm，沉降量與其上一級(jí)荷載對(duì)比，其增幅分別為42.35%和24.75%。因此，樁基長(zhǎng)度L增大到一定程度后，樁長(zhǎng)的改變已經(jīng)對(duì)樁基沉降基本無(wú)影響。

3.2 樁基回彈率的影響

圖3為不同樁長(zhǎng)回彈率的測(cè)試結(jié)果，可以看出，不同樁長(zhǎng)的回彈率，整體上差別不大。其中在樁長(zhǎng)L=11.3 m時(shí)，回彈率出現(xiàn)最小值為20.18%，在樁長(zhǎng)為L(zhǎng)=20.5 m時(shí)，回彈率出現(xiàn)最大值為28.09%。整體上的回彈率的平均值為24.17%。其中L=12.0 m時(shí)預(yù)制管樁的回彈率為22.47%，L=12.5 m時(shí)預(yù)制管樁的回彈率為27.18%。

因此，在考慮樁長(zhǎng)對(duì)沉降量的影響時(shí)，可不必考慮回彈率對(duì)其結(jié)果的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以某高速公路為工程實(shí)例，探討了預(yù)制管樁樁長(zhǎng)和回彈率在砂層地基中對(duì)基樁沉降的影響。研究結(jié)論如下。

①應(yīng)用了樁基沉降計(jì)算的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并將其應(yīng)用到結(jié)果的計(jì)算當(dāng)中。

②當(dāng)樁徑和加載力不變時(shí)，基樁在砂層地質(zhì)中的沉降隨L的增大呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì)。對(duì)于樁徑為800 mm，加載力小于4 600 kN的基樁，樁長(zhǎng)大于12 m后的沉降量變化不明顯。

③通過(guò)多組數(shù)據(jù)分析可知，基樁的回彈率在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，不同樁長(zhǎng)的回彈率之間的變化不明顯，因此可以不用考慮回彈率對(duì)沉降量的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡超.湘府路高架橋樁基沉降計(jì)算及影響因素分析[J].交通科學(xué)與工程，2020（2）：6.

[2] 中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2021[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2021（2）：1-97.

[3] 張磊，胡志強(qiáng).橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降[J].黑龍江交通科技，2017（6）：2.

[4] 張瑞坤，石名磊，倪富健，等.黏性土中大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載性狀及單樁沉降分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（S2）：4190-4198.

[5] 張忠苗，喻君，張廣興，等.PHC管樁和預(yù)制方樁受力性狀試驗(yàn)對(duì)比分析[J].巖土力學(xué)，2008（11）：3059-3065.

[6] 劉紅軍，上官士青，樸春德，等.基于數(shù)學(xué)規(guī)劃算法的單樁沉降計(jì)算分析研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012（5）：868-873.

[7] 陳錦劍，王建華，朱峰.軟土地區(qū)單樁沉降的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（12）：2126-2129.

[8] 彭武，黃天，鄒進(jìn)濤，等.嵌巖鉆埋式預(yù)制管樁基礎(chǔ)受力機(jī)理[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2020（6）：75-79.

[9] 陳焰明，馬燕燕，徐艷萍，等.軟土地區(qū)防洪堤工程中預(yù)制方樁和PHC管樁的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013（S2）：986-989.

[10] 宋犇，尹建坤.輸電線路工程中鉆埋式微型預(yù)制管樁承載力試驗(yàn)研究[J].粉煤灰綜合利用，2020（6）：45-49.

[11] 靳建明，梁仕華.成層Gibson地基中單樁沉降的非線性分析[J].巖土力學(xué)，2012（6）：1857-1863.