浅析开口管桩及筒桩的“土塞效应”

肖宇辰

(西南科技大学，四川绵阳 621010)

浅析开口管桩及筒桩的“土塞效应”

肖宇辰

(西南科技大学，四川绵阳 621010)

土塞是开口管桩最显著的特征，由于存在土塞与桩管内壁的相互作用，使得开口管桩及筒桩的沉桩性状趋于复杂。为了评估在外部荷载下开口管桩及筒桩沉桩机理的力学性状，文章基于大量的国内外相关文献，从土塞的形成原理、作用机制及力学计算模型等出发，对管桩及筒桩的“土塞效应”进行了研究和讨论。

土塞； 土塞增量填充率； 开口管桩及筒桩； 计算模型； 土塞效应

目前，开口管桩及筒桩以其较好的竖向承载特性，已被广泛用于近海项目(如石油钻井平台)的基础工程中。土塞是开口管桩最显著的特征，早在20世纪60年代土塞对开口管桩及筒桩承载力的影响就受到了国外学者的关注[1]。由于存在土塞与桩管内壁复杂的相互作用，使得开口管桩及筒桩的沉桩性状趋于复杂。

为了评估在外部荷载下开口管桩及筒桩沉桩机理的力学性状，本文基于大量的国内外相关文献从土塞的形成原理，作用机制及力学计算模型等出发，对管桩及筒桩的“土塞效应”进行了研究和讨论。

1 土塞的原理及作用机制

管桩及筒桩在沉桩时，由于底部为开放式端口，土体会进入其内部形成土芯。随着沉桩过程的进行，土芯受自重及内侧摩阻力的影响，其顶部往往低于泥面，并呈现出“完全不闭塞”(unplugged mode)、“半闭塞”(partly plugged mode)、“完全闭塞”(plugged mode)的状态，这种现象即为管桩或筒桩的“土塞效应”(soil plug effect)。由于“土塞效应”的存在，使得开口管桩及筒桩的竖向承载特性较端部闭合的传统桩型更为复杂。

在管桩及筒桩的沉桩过程中，随着桩身入土深度的不同，土塞的工作状态大致可分为3种情况[2]：(1)完全不闭塞阶段。在沉桩的初期，内部桩-土之间的泥面高度与外部相同，随着沉桩的进行，土体可自由的侵入桩身内部；(2)部分闭塞阶段。在沉桩的中期，内部桩-土之间的泥面高度略低于外部，随着沉桩的进行，土体侵入桩身内部的行为被限制；(3)完全闭塞阶段。在沉桩的后期，内部桩-土之间的泥面高度远低于外部，随着沉桩的进行，土体不能侵入桩身内部的行为被完全限制(图1)。

图1 土塞的三种状态

在研究土塞效应时，由于桩身内侧摩阻力难以确定，相关学者提出以变量IFR(土塞增量填充率)来定量描述土塞的闭塞程度[3]：

(1)

式中：ΔL为土塞长度的增量；ΔD为沉桩时的桩身打入地下深度的增量(图1)。当IFR的值为0和1时，分别表示土塞正处于完全闭塞和完全不闭塞状态，而处于0到1之间时，则表示土塞正处于部分闭塞状态。

针对管桩或筒桩的土塞效应，国内外学者提出了“动力拱”的概念，并将其用于解释土塞的力学作用机制。拱效应机制分析的基础依赖于土塞中土拱效应的发现，文献[4]通过试验研究了管桩内侧摩阻力，发现其在端部可达到较大值，而该现象与土拱效应密切相关。如图2所示，在沉桩过程中，桩内土塞的“土拱效应”及其受力情况可解释为在土体球状土拱的形成过程中，当土塞受到荷载后，由于土体与管桩端部刚度的差异，桩-土之间会产生一定的差异变形，随着荷载的传递，土体颗粒沿主应力方向重新调整，从而导致“土拱效应”的发生。而当荷载超过初期土拱的承载力时，土拱即发生剪切和膨胀破坏，桩端土随即涌入桩管内，直到形成一个新拱，此时拱的阻力又超过了向上的推力。拱效应将桩底土阻力转变为桩管内壁的法向挤压力，从而大大提高了土体与桩管内壁的摩阻力。桩在贯入过程中，涌入管内的土体经历着一个拱的形成与破坏交替发生的循环过程，而该循环过程即可视为“动力拱”现象。

图2 土塞中的动力拱效应

针对“动力拱”现象，Paikowsky等[5]根据桩壁和土塞土体可发生的两种情况，将土拱分为：(1)主动凸形拱，土塞和桩壁没有相对运动；(2)被动凹形拱，桩壁向下运动，而土塞向上运动。需要指出的是主动凸形拱往往发生在土拱发生的初期或完全闭塞状态下的管桩或筒桩，而被动凹形拱则发生在不完全闭塞状态下的管桩或筒桩中。

2 土塞力学计算模型

目前，土塞的受力机理大多采用竖向一维平衡的研究思路(图3)。将内部土芯(即土塞)看作连续的多个水平单元，每个单元的上、下部均承受竖向应力σv及σv+dσv，土的有效重度为γ′。由图3所示的土塞竖向受力机理分析图，可建立竖向平衡方程如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：d为土塞的直径；τi为管壁与土芯的摩阻力均值；δ为桩身内部侧壁的摩擦角；β为土塞单元水平与竖向所受应力的比值；φ为土芯土体内摩擦角。

图3 土塞的受力机理分析[6]

土塞形成于开口管桩或筒桩的成桩过程中，且其闭塞的程度在较大程度上影响着桩的沉桩阻力和基础的竖向承载力大小。许多学者对管桩或筒桩开展了现场试验、室内模型试验和理论解析方法，以期对开口管桩或筒桩的设计计算方法提出建议和指导。如图4所示，在考虑土塞与内部土体与桩壁的内侧摩阻力及管桩桩端土的承载力，可得出部分闭塞与完全闭塞状态下的管桩或筒桩的竖向承载力的计算公式[7-8]：

Qunpluged=Qso+Qsi+Qw

(6)

Qpluged=Qso+Qsi+Qp-Wp

(7)

图4 完全与部分闭塞桩竖向承载力计算

3 结束语

由于“土塞效应”的存在，使得开口管桩及筒桩的竖向承载特性较端部闭合的传统桩型更为复杂。本文从土塞的形成原理、作用机制及力学计算模型等出发，对管桩及筒桩的“土塞效应”进行了研究和讨论。随着沉桩过程的进行，土芯受自重及内侧摩阻力的影响，会呈现出“完全不闭塞”、“半闭塞”、“完全闭塞”的3种土塞状态，并可用土塞增量填充率IFR表示。同时，土塞的受力机理大多采用竖向一维平衡的研究思路，且据此可计算考虑土塞作用时，管桩及筒桩的竖向承载力。

[1] 周健，王冠英.开口管桩土塞效应研究进展及展望[J].建筑结构，2008，38(4)：7，25-29.

[2] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[3] Nicolaa, D. E., Randolph, M. F. The plugging behavior of driven and jacked piles in sand[J]. Geotechnique, 1997, 47(4): 841-856.

[4] Kishidah, I. Behavior of Sand Plugs in Open-Ended Steel Pipe piles[C]. 9th Int. Conf Soil Mech., Tokyo: 1977: 601-604.

[5] Randolph, F., Leong, E. C., Houlsby, G. T. One dimensional analysis of soil plugs in pipe piles [J]. Geotechnique, 1991, 41(4): 587-598.

[6] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[7] PAIK K H, SALGADO R, LEE J H et al. Behavior of open-and closed-ended piles driven into sands[J]. Journal of Geotechical and Geoenvironmental Engineering. 2003, 129(3):391-403.

[8] PAIKOWSKY S G, WHITMAN R V, M M. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989 (8):213-230.

TU473.1+2

A

[定稿日期]2016-09-28

[作者信息]肖宇辰(1998～)， 男，本科生，土木工程专业。