软土地区中路堤荷载下预应力管桩单桩承载力及沉降特性研究

党国峰 刘海龙 王凯 姚广鹏 陈俊

【摘要】在现代工程建设当中，预应力管桩发挥着极其重要的作用，其具有施工成本低、承载力高等优势，因此被广泛使用在工程建设中。但是预应力管桩也存在很多的问题，在施工方面很多不完善的地方。比如在软土地区当中路堤荷载下预应力管桩的应用以及承载力水平还有很大的研究空间。因此本文选取软土地区中研究路堤荷载下预应力管桩单桩承载力的问题，通过公式计算以及实例研究进一步阐释承载力问题，并通过软件修正系数。在文章的最后，总结了在使用过程当中常见的预应力管桩操作问题，提出了相应的预防手段，希望能够为以后预应力管桩的实际应用提供一定的参考价值。

【关键词】路堤荷载;预应力管桩;单桩承载力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.097

1、路堤荷载下预应力管桩单桩承载机理分析

1.1简要概述

预应力管桩在路堤荷载下受到的力会从两个途径分散。第一个会沿着管桩本身传递到管桩的持力层，形成一个桩端阻力。第二种是由于摩擦阻力的作用受到的力会从桩体本身向下分散到土层当中。也就是说管桩的路堤荷载承载力在竖直方向并不是由一个力来承受，而是由两个力共同分散承担。在荷载的第一阶段，管桩的桩顶会发生一种弹性变化，管桩本身与土层之间会出现位移。但是这种位移是一种相对静止的状态，同时管桩侧面的阻力产生一定作用。管桩侧面的摩擦力与管桩本身呈现一种线性关系。一旦这种荷载继续加大，那么管桩的下半部分摩擦阻力也会逐渐增大。二者成正向相关关系。此时管桩所在的土层会受到外力挤压，形成桩端阻力。一旦继续加大荷载，该阻力也会增大，导致桩体本身与土层之间的位移进一步扩大。当桩体的侧摩擦力由于荷载不断增大，到达一定数值之后此时继续增大荷载所带来的摩擦力将由管桩本身独自承担。在这种情况下，管桩的侧阻力会率先被激发出来，发挥作用。如果继续加大摩擦阻力到达一定数值后，桩端阻力也会相应增大，直到到达临界值。此时继续加载，管桩本体就会发生一定破坏，桩身也失去了承载力。具体的受力情况如下图1所示。

预应力管桩的承受力会根据地层的变化而变化。在软土地区中管桩的承受力主要是端承摩擦桩。也就是管桩侧摩阻力承受大部分的荷载压力，而端桩阻力只承受其中一小部分的荷载。

1.2影响因素分析

预应力管桩承受力的部位主要是在端承桩以及摩擦桩位之间。很多因素都会对路堤和在下的单桩承载力造成影响，比如管桩的尺寸、大小、直径以及管桩的长度，甚至是施工的工艺等。

在路堤荷载作用下，桩体和土层都会发生一定的变形和压缩。而管桩本身的变形和土地的壓缩比例变化是由管桩的承载力决定的。如果管桩本身比土体的抗变形能力更强，那么桩端阻力就会承受绝大多数的荷载压力。如果管桩本身比土体的抗变形能力弱，此时桩侧会承担绝大多数的荷载压力。

2、路堤荷载下预应力管桩单桩承载力分析

2.1计算公式

在分析和计算预应力管桩单桩承载力的时候应该综合考量各因素，进行全面分析。计算方法主要有两种，第一种是将所有阻力计算出来相加在一起来表示单桩承载力，但是这种方法很难确定管内的相关阻力。第二种是计算管外侧阻力和端桩阻力。笔者选择用第二种算法计算预应力管桩单桩承载力，计算公式如下。

如果（hb/d）的数值范围在5以下时，λp=0.15（hb/d）

如果（hb/d）的数值范围在5以上时，λp=0.8。

qsik-桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;

qpk-极限端阻力标准值;

λp-桩端土塞效应系数;

li-桩穿越各个土层的长度;

u-桩身周长;

hb-桩端进入持力层深度;

2.2实例分析

以某软土地区1工程为例。在该工程中采用的预应力管桩长度为18米，管桩直径为0.5米，管桩壁厚为9厘米，管桩桩端到达持力层的深度为1米，桩端以下厚度为3米，持力层为粉质软土。具体数据如下表所示。

根据计算公式能够计算得出实验值为1540KN，实验值与计算值之比为1.04。

以某软土地区2工程为例。该工程采用的预应力管桩长度为20米，管桩直径为0.5米，管桩壁厚为8.5厘米，管桩桩端到达持力层的深度为0.5米，桩端以下厚度为三米，持力层为粉质软土。具体数据如下表2。

根据计算公式能够计算得出实验值为1600KN，实验值与计算值之比为1.06。

以某软土地区3工程为例。该工程采用的预应力管桩长度为18米，管桩直径为0.4米，管桩壁厚为8厘米，管桩桩端到达持力层的深度为0.4米，桩端以下厚度为3.3米，持力层为粉质软土。具体数据如下表3。

根据计算公式能够计算得出实验值为1020KN，实验值与计算值之比为1.09。

以某软土地区4工程为例。该工程采用的预应力管桩长度为20米，管桩直径为0.4米，管桩壁厚为9厘米，管桩桩端到达持力层的深度为0.5米，桩端以下厚度为4.3米，持力层为粉土。具体数据如下表4。

根据计算公式能够计算得出实验值为2380KN，实验值与计算值之比为1.41。

从这些数据能够看出，如果管桩持力层为粉质软土时，预应力管桩单桩承载力的极限值与实验值大小相似。如果预应力管桩的桩端持力层为粉质软土时，竖向荷载力与规定承载力大体一致。也能够说明相关数据标准值具有较强的可行性。如果持力层是坟土或粉砂时，通过计算能够发现标准值的比值大于1而平均值为1.3左右，二者相差较大，因此针对这些情况要及时的进行调整。

2.3修正系数

本文选取MATLAB软件计算相关系数，该软件指令表达式大体一致。对于用户来说操作较为便捷，运用遗传算法结合上述实例，借助MATLAB软件将数据运算到程序当中能够得出最佳适应度数值。具体程序如下所示。

function error = fun（x）

%该函数用来计算适应度值

e = ones（1，4）;

e（1，1） = abs（1371.3*x（1，1）+266.28*x（1，2） -2380）;

e（1，2） = abs（1247.6*x（1，1）+360.47*x（1，2） -2400）;

e（1，3） = abs（1336.77*x（1，1）+356.5*x（1，2） -2360）;

e（1，4） = abs（1396.42*x（1，1）+253.1*x（1，2） -2400）;

error-sun（e（1：））;

disp（'ertor：'）;

disp（eIтоr）;

运行结果为1.0887、1.3854。

3、软土地区工程应用中常见问题及预防

3.1常见问题

在软土地区进行管桩施工的时候，由于施工措施不合理、方案设计不健全等问题引发管桩出现倾斜或者是桩身开裂等。

最近几年以来，在软土地区出现大面积沉桩问题。很多管桩发生断裂或倾斜的情况。如某垃圾处理场预制桩工程在2019年底施工，使用855根PHC管桩。对其中570根基桩进行低应变检测，发现有130根桩出现断裂，绝大多数管桩出现偏移，偏移量最大高达3500毫米，而且不能够对其进行纠倾处理，只能将出现问题的管桩全部废弃，改为直径更大的灌注管桩。另外为了缩减施工时间，对于沉桩的速率没有进行严格的控制，最终导致超孔压高，挤土效应现象更加严重。

此外，还有由于基坑支护不当，挖土施工过程当中不均匀，以及开挖土方堆积在管桩周围，使得外运的过程中导致管桩发生移位现象。此外，管桩接头等配件如果不牢固，就会直接造成沉桩现象。不牢固的配件在施工过程当中会出现接驳错位，导致各配件连接强度较低，最终导致管桩的抗压能力较弱，频频出现管桩被打起等事故。如果桩端的持力层为遇水易软化的土质就需要谨慎选择管装材质，特别是一些强风化泥岩，这类岩层的含泥量大。如果管桩的内部漏水或者是有雨水渗透进去就会导致持力层遇到水分变软导致承载力大大降低。

3.2预防手段

软土地区施工过程当中应当严格控制沉桩的速率，或者是采用一系列手段加速孔压消散，如设置一些塑料排水板等，也可以采取真空预压的手段将软土层压实后再进行沉桩施工。软土地区的基坑开挖之前需要将压力消散，也可以采取降水措施后进行开挖。此外，挖土过程当中应该均衡进行，高度不应该大于1米。在焊接管桩和配件时要严格控制焊缝的质量，合理设计焊缝的长度与宽度，同时结合季节变化，注意焊缝的冷却时间。如果在施工过程当中遇到风化岩层时，必须要做好桩端的防水工作，避免水渗透到桩体内部使岩层变软。

结论：

本文首先对管桩的受力机理进行了分析，说明在预应力管桩受力的过程当中，会出现挤土和土塞的效应，这些效应会使得预应力管桩的摩擦阻力增加。其次，通过对工程的实际案例以及理论研究，选取适合的计算单桩承载力公式，并结合多个工程实际案例及相关数据计算预应力管桩单桩的承载力。此外，在文章最后一部分针对现代施工过程当中可能会存在的问题进行了总结，并针对这些问题提出了相应的预防对策。希望能够通过这些建议及研究提升现代工程建设的效率，有效减少管桩沉桩以及倾斜等问题出现。

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作者简介：

党国峰（1982.1—），男，河南省驻马店市，大学本科，中电建路桥集团有限公司，公路工程方向。