一、問題的提出
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁具有施工速度快、價(jià)格低、承載力高、質(zhì)量穩(wěn)定、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來在各地基礎(chǔ)工程中得到了越來越廣泛的使用，但目前關(guān)于其豎向承載力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式不多，現(xiàn)行的地基基礎(chǔ)規(guī)范大多套用預(yù)制方樁的參數(shù)[1]。
對于開口的預(yù)應(yīng)力空心管樁，其承載機(jī)理和承載力遠(yuǎn)比閉口樁復(fù)雜。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力空心管樁在沉樁過程中，樁端土受擠壓后有一部分進(jìn)入管樁內(nèi)形成土塞。另一部分將被擠向樁周。隨著沉樁的繼續(xù)深入，涌入管樁內(nèi)的土芯不斷增高，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度后。由于管樁內(nèi)壁與土芯間的摩阻力作用，產(chǎn)生封閉效應(yīng)，即形成了土塞。而樁端土的閉塞程度又直接影響端阻發(fā)揮與破壞性狀及樁的承載力。如果按照經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算管樁單樁承載力必然會(huì)造成單樁承載力設(shè)計(jì)值偏低。實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)試樁的單樁承載力要大于設(shè)計(jì)院給定的值。所以對于預(yù)應(yīng)力管樁的土塞效應(yīng)研究是非常需要的．對于不同地區(qū)不同土質(zhì)條件也應(yīng)區(qū)別分析研究[2]。
二、土塞形成機(jī)理和性狀
對于開口的管樁，在沉樁過程中樁端土受擠壓后，有一部分土被壓入樁管內(nèi)形成“土塞”，另一部分土被擠向樁周。進(jìn)入管樁內(nèi)的那部分土受到管內(nèi)壁摩阻力作用產(chǎn)生一定的壓縮，土塞的高度與性狀與樁的打入深度、土層及持力層性質(zhì)、管樁的管徑與壁厚等諸多因素有關(guān)。而樁端土的閉塞程度又直接影響持力層樁端阻力的發(fā)揮與樁端持力層破壞模式及樁的承載力，上述作用為“閉塞效應(yīng)”。因此對于開口的管樁，其承載機(jī)理和承載力計(jì)算要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比閉口樁復(fù)雜。
與閉口樁的豎向承載力表達(dá)式比較，樁外側(cè)阻力QS項(xiàng)是基本相同的，樁管環(huán)底端阻力QP計(jì)算的方法也是基本相同的，只是計(jì)算的受力面積為環(huán)底面積，而不是管樁的樁底(包括環(huán)底和土芯)面積，因此問題的實(shí)質(zhì)是如何確定樁管內(nèi)側(cè)阻力QI。計(jì)算空心管樁承載力的關(guān)鍵是如何確定管內(nèi)土芯側(cè)阻力。而管內(nèi)土芯側(cè)阻力的發(fā)揮性狀與管外側(cè)阻力不同，后者隨著樁頂加載、沉降出現(xiàn)自上而下發(fā)揮，前者則只有當(dāng)荷載傳遞到樁端并產(chǎn)生樁端沉降才開始由下而上逐漸發(fā)揮。由于荷載較小時(shí)管內(nèi)土塞連同樁管同步下沉，只有當(dāng)土塞底部受到足夠大的反力，土塞產(chǎn)生相對于與內(nèi)管壁的向上位移時(shí)，側(cè)阻力才逐漸發(fā)揮出來。土塞的模量越低，土塞的高度越大，全部充分發(fā)揮土塞側(cè)阻力所需沉降也越大。一般情況下，要充分調(diào)動(dòng)土塞全長的側(cè)阻力是不可能的，因其所需沉降較大，比充分發(fā)揮端阻力所需的沉降更大[2]。
開口管樁土塞的形成對確定樁的打入性狀以及打樁過后的承載性狀具有重要意義。土塞的閉塞效應(yīng)一般采用土塞增量與樁打入深度增量之比(theincrementalfillingratio，簡寫為IFR)來評價(jià)。該指標(biāo)定義為
式中：dLp/dH表示樁的打入深度增加一個(gè)單位長度，土塞長度的增加量。其中IFR=0，IFR=100％分別對應(yīng)兩種極端情況是：土塞完全閉塞，沒有任何土體繼續(xù)進(jìn)入樁內(nèi)；土塞完全填充，土塞長度增加量與樁打入深度增加量相等[3~6]。
KyuhoPaik等[7]在研究砂土中管樁土塞效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，IFR與土塞長度與樁打入深度之比PLR(Lp/H)
呈線性關(guān)系，并提出經(jīng)驗(yàn)公式：
謝永健等[3~6]基于上海典型軟土地基中長PHC樁的現(xiàn)場試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)不同場地共44根樁打樁過程中的土塞數(shù)據(jù)，得出PLR與IFR關(guān)系式如下：
由于現(xiàn)場可以方便測出土塞高度(Lp)和樁打入深度(H)，故建立IFR與PLR的經(jīng)驗(yàn)公式有助于現(xiàn)場人員根據(jù)現(xiàn)場測量情況，快速確定土塞的閉塞效應(yīng)指標(biāo)IFR。
三、土塞對承載力的影響
與閉口樁的承載力計(jì)算方法不同，開口樁的豎向承載力Qu包括：，由樁外側(cè)阻力QS，樁管內(nèi)側(cè)阻力QI，樁管環(huán)底端阻力QP三部分組成，其承載力表達(dá)式為[2]：
其中
QS、QI——分別為樁管外壁與內(nèi)壁的極限摩阻力；
QP——管樁管壁的極限端阻力；
Qu——管樁的極限承載力。
與閉口樁的豎向承載力表達(dá)式比較，樁外側(cè)阻力QS項(xiàng)是基本相同的，樁管環(huán)底端阻力QP計(jì)算的方法也是基本相同的，只是計(jì)算的受力面積為環(huán)底面積，而不是管樁的樁底(包括環(huán)底和土芯)面積，因此問題的實(shí)質(zhì)是如何確定樁管內(nèi)側(cè)阻力QI。由土塞引起的樁管內(nèi)壁側(cè)阻力的性狀受多種因素的影響和制約，變化很復(fù)雜。本文主要介紹計(jì)算管樁的內(nèi)壁阻力的山原法[8]。
取深度ξ處厚度dξ土塞隔離體的平衡，可得：
式中：pξ、qξ——深度ξ處的豎向壓力、水平壓力（kN/m2）；
A、U——管內(nèi)截面積、周長（m）；
c——土的粘聚力或土與管壁的外摩擦角；
φa——土的內(nèi)摩擦角或土與管壁的外摩擦角，取其小者；
γ——土的重度（kN/m3）
對式兩邊積分，并設(shè)k=λtgφa，Ds為樁的內(nèi)徑（m），λ為水平土壓力與豎向土壓力之比，則有
式中px為單位截面積上的管內(nèi)側(cè)阻。
四、土塞對擠土效應(yīng)的影響
開口管樁屬于部分?jǐn)D土樁，管樁的部分?jǐn)D土效應(yīng)應(yīng)該理解為兩層含義：1、開口管樁在沉樁過程中有部分土進(jìn)入管內(nèi)，與方樁相比，其擠土效應(yīng)是不完全的、部分的；2、進(jìn)入管內(nèi)的土柱是由不完全閉塞漸進(jìn)而轉(zhuǎn)化為完全閉塞狀態(tài)的，部分?jǐn)D土效應(yīng)是隨閉塞效應(yīng)同步發(fā)展的。開口管樁在打入或壓入的成樁過程中因?yàn)橥寥拈]塞效應(yīng)引起的擠土作用，會(huì)使樁周土產(chǎn)生擾動(dòng)重塑及側(cè)向壓應(yīng)力增加。對于非飽和土，土由于受擠而增密。土質(zhì)愈松散，土粒的粘性愈低，其增密幅度愈大。對于飽和粘性土，由于瞬時(shí)排水固結(jié)效應(yīng)不顯著，體積壓縮變形小，引起超孔隙水壓力，土體產(chǎn)生橫向位移和豎向隆起。在沉樁過程中，樁周土層被壓密和擠開，樁周土體中的應(yīng)力狀態(tài)了相應(yīng)發(fā)生改變，樁周土體被重塑和擾動(dòng)，土的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，土的工程性質(zhì)發(fā)生很大改變，沉樁的擠土效應(yīng)造成的樁周土體側(cè)移和隆起對鄰近建筑物、地下工程和市政管線的破壞和影響等問題也是日益突出[9]。
因此，了解并掌握開口管樁沉樁的擠土效應(yīng)規(guī)律，不僅有利于減小沉樁對周圍環(huán)境的不良影響，也利于提高沉樁工程本身的質(zhì)量和施工進(jìn)度，但至今人們對于開口管樁擠土效應(yīng)對樁周圍的工程環(huán)境的影響規(guī)律仍在探索中。
五、結(jié)論
本文針對管樁應(yīng)用中產(chǎn)生的土塞效應(yīng)進(jìn)行了分析和總結(jié)。介紹了管樁沉樁過程中土塞形成的機(jī)理和土塞長度的計(jì)算方法。與閉口樁的豎向承載力相比較，開口管樁由土塞引起的樁管內(nèi)壁側(cè)阻力的性狀受多種因素的影響和制約，變化復(fù)雜，本文主要介紹計(jì)算管樁的內(nèi)壁阻力的山原法。開口管樁作為部分?jǐn)D土樁，在沉樁過程中有部分土進(jìn)入管內(nèi)，與實(shí)心樁相比，其擠土效應(yīng)是不完全的、部分的；進(jìn)入管內(nèi)的土柱是由不完全閉塞漸進(jìn)而轉(zhuǎn)化為完全閉塞狀態(tài)的，部分?jǐn)D土效應(yīng)是隨閉塞效應(yīng)同步發(fā)展的。
參考文獻(xiàn)：
1.開口管樁土塞效應(yīng)研究進(jìn)展及展望，建筑結(jié)構(gòu)，2008/04
2.PHC管樁土塞效應(yīng)淺析，工業(yè)建筑，2005/S1
3.打入承壓水層中的管樁土塞的穩(wěn)定分析，建筑結(jié)構(gòu)，2005/12
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