第２期 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ １６１ 管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析 肖章寿 （福建省建设工程物探试验检测中心，福州，３５００１１） 摘要根据管桩的竖向抗压承载力特性和受力状况，通过对预应力敞口管桩与闭口管桩 的荷载一沉降试验，结合国内外专家对“土塞效应”的研究，对比分析了敞口管桩与闭口管桩 的Ｑ＿Ｓ曲线形态，研究了两种桩的沉降特性，得出敞１３：管桩与闭口管桩的不同承载机理及沉降。 关键词 管桩竖向抗压承载力 沉降 管桩的种类分为钢管桩、预制混凝土管桩及钢管混凝土管桩。因管桩桩端截面形式的不 同又可分为敞口管桩与闭口管桩。钢管桩及钢管混凝土管桩具有高强度、抗冲击疲劳性能 好、贯人能力强、便于割接、质量可靠、运输方便、沉桩速度快及挤土影响小等优点，但造 价高，为预应力混凝土管桩的３～１Ｏ倍。因此，一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工 和质量难以保证、或工期紧迫等情况下使用，或者是一些重要的特种工程的基础上，如海上 钻井平台，港口平台等工程中使用。预制混凝土管桩因其桩身混凝土强度高、质量可靠、工 期短、施工速度快、综合造价低等优点而得到了越来越广泛的应用。据工程资料统计，２００４ 年福建省实际利用预应力混凝土管桩就达２ ５００万ｍ。为了更合理利用管桩这一技术、有效 地推广使用管桩，对管桩进行研究是极为必要的。笔者从事基桩检测工作多年，经过大量的 现场数据采集对比，发现不同截面形式的管桩在同一荷载下沉降是不一样的。 １ 管桩的竖向抗压承载特性及国内外研究情况 １．１管桩的竖向抗压承载特性 管桩的底桩端部的桩尖（靴）形式主要有十字型、圆锥型和敞口型，前两种属于封口 型。采用封口型桩尖的管桩其承载力主要由桩周的侧摩阻力及桩端的端阻力组成；采用敞口 型桩靴的管桩则在沉桩过程中桩身下部１／３～１／２桩长的内腔被土体充塞，挤土效应较弱 （与沉管桩、静压实心混凝土桩比较），对周围建筑物及环境影响小，具有较高的环保性能。 但是内腔土塞却为管桩提供了内侧摩阻力，使得管桩的承载力的组成变得更为复杂。影响管 桩承载特性的因素很多，比如桩侧土性、桩端土性、桩径、敞口管桩的壁厚、人土深度、施 工顺序等。预制混凝土管桩通常只具备敞口桩的功效。敞口管桩的受力机理不同于其他预制 桩，存在“土塞效应”，即敞口管桩在沉桩过程中，桩端土一部分进入管内形成“土塞”，进 收稿日期：２０１３－０３—０７ 作者简介：肖章寿（１９７２一），男，助理工程师，土木工程专业。 １６２ 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ 第３２卷 入管内的土塞在沉桩过程中受到管内壁摩阻力作用而产生一定压缩，其发展直接影响了桩的 承载力和沉降。 １．２国内外研究情况 管内土塞侧阻力的发挥性状不同于管外侧阻力，一些学者认为动力打桩中内壁侧摩阻力 和外壁侧摩阻力相似，但实际上内外侧阻力的作用是不同的。后者随桩顶受荷、沉降出现自 上而下发挥，前者则只有当荷载传递到桩端并产生沉降才开始由下而上逐渐发挥。由于荷载 较小时管内土塞连同管桩同步下沉，只有当土塞底部受到足够大的反力，土塞才产生相对于 管桩的向上位移而使侧阻力逐渐发挥出来。Ｓｔｅｖｅｎｓ等人假定土塞不完全闭塞情况下桩内侧 壁摩阻力为外侧摩阻力的５Ｏ ～１００ ，Ｐｅｒｒｙ和Ｈａｎｄｌｅｙ提出管桩内的拱效应，Ｐａｉｋｏｗｓｋｙ 认为土塞的拱效应导致了非常大的内侧摩阻力。 土塞的模量愈低，土塞的高度愈大，全部充分发挥土塞侧阻力所需的沉降也愈大。一般 情况下，要充分调动土塞全长的侧阻力几乎是不可能的，因其所需沉降过大，比充分发挥端 阻力所需沉降更大。在打人过程中，一部分土体被挤向桩的四周，另一部分土体涌入管内形 成土芯。在桩向四周挤土的过程中，土与桩的外壁接触更为紧密，其法向应力更大，桩侧阻 力也更大，这种效应称之为“挤土效应”。由于敞口桩中存在土芯，其排土量小于闭口桩， 其挤土效应不如闭口桩，因而必须考虑挤土效应降低对桩侧阻力的折减。 （１）田岛法是通过敞口桩和闭口桩二者桩端在承载极限状态下的下沉量对比，寻求土塞 闭塞率。小泉法认为桩端阻力除其壁厚的承载力外，还应考虑桩管内部土的剪切应力传递到 壁面上的摩阻力。Ｅ．Ｐ．Ｈｅｅｒｅｍａ于１９８１年曾编制了一个考虑土芯与桩相互作用的Ｓｍｉｔｈ法 专用的计算机程序，计算结果表明，在打桩过程中桩的内壁与土芯之间始终有相对位移和摩 阻力的作用。 Ｒａｎｄｏｌｐｈ对敞口管桩的土芯应力进行了静力分析，得出下式＿】］： 卺 ＋ 径； 土芯与桩内壁之间的剪应力与竖向有效应力的比率。 （１） 式中：ｄ 一土芯竖向应力；ａ 一土芯有效竖向应力；）， 一土芯有效重度； 一桩内壁直 （２）国内将预应力混凝土管桩与钢管桩的性能作了比较，在敞口钢管桩承载力计算公式 的基础上，得出了预应力混凝土管桩的承载力估算公式［２］： Ｒ 一 ｐ∑ｑ ｉ Ｚ ＋ ｐＡＰｑｐ （２） 当４＜ｈｂ／（Ｄ一２ｔ）＜５时 当ｈｂ／（Ｄ一２ｔ）≤４时 当ｈｂ／（Ｄ一２ｔ）≥５时 。一０．２ｈｂ／（Ｄ一２ｔ） 。一０．８ 。一１．０ 式中： 。一桩身周长；ｑｐａ一桩端持力层的端阻力特征值；ｚｉ一桩穿越第ｉ层土厚度； 。一 桩端“土塞”的闭塞效应系数；Ａ。一桩端投影面积；Ｄ一预应力混凝土管桩外直径；ｑｓｉ．一第 ｉ层土的桩侧阻力特征值；￡一预应力混凝土管桩壁厚；ｈ 一桩端进入持力层深度。 （３）我国现行ＪＧＪ９４—２００８《建筑桩基技术规范》对预应力混凝土管桩的进行承载力计 算按如下公式口］： Ｑ ｋ＝＝＝Ｑ ｋ＋Ｑｐｋ＝：＝ ∑ｑ 。ｋ Ｚ ＋ａ ｓｋＡ （３） 第２期 肖章寿：管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析 １６３ 当Ｐ。ｋｌ≤Ｐ ｋ２时，Ｐ ｋ一÷（Ｐ。ｋ１＋ｐＰ。ｋ２） 厶 当Ｐ ｋ１＞Ｐ 时，Ｐ ｋ—Ｐ。ｋ２ 式中：Ｑ Ｑ。 分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值。 影响土塞效应的主要因素有土性、桩径、桩的人土深度等。通过一系列的现场试验结果 证明，钢管桩内的土塞高度与钢管桩的直径以及土层的性质有密切相关，在工程施工结束后 相当长的时间内，因打桩扰动，土塞在桩端１０倍桩径以上，土塞的工程特性指标比原状土 层差很多；虽然在桩１Ｏ倍桩径范围内的土塞密实，但闭塞效应很难达到１００ 。 桩在下沉过程中地基土进入管桩内形成土塞是一个复杂过程，它受打桩过程中管桩的振 动、地基土中因振动和挤压所产生的超孔隙水压力以及地基土性质等因素相互影响，土塞的 工程特性指标发生很大变化。 目前国内外专家都已经把“土塞效应”考虑到承载力中，但我国的现行规范对管桩的承 载力计算只用一种单一的计算模式，把敞口管桩与闭口管桩的承载力计算只考虑截面的大小 变化，而没有考虑土层及施工方法不同，显然不能正常反应不同的工程个体，在实际工程中 往往也把敞口管桩与闭口管桩同等使用。敞口管桩与闭口管桩在同一土层中沉降有什么不同 呢，笔者进行了数据归类分析。 ２荷载一沉降试验结果对比及分析 福州某一安置房项目，挑选１Ｏ根 ４ＯＯ ｍｍ基桩进行荷载一沉降试验，其中５根为敞口 桩，编号为１ ，２ ，３ ，４ ，５ ；５根为闭口桩，编号为６＃，７＃，８ ，９ ，１Ｏ＃，底部 桩靴均用钢板密封。采用慢速维持荷载法分１０级，第一级取分级荷载的２倍，后面采用逐 级等量加载进行静载荷试验。试验桩桩长均为２０ ｍ，桩端持力层均为粘土。试验分两批次 进行，其中１ ，２＃，３ ，６＃，７＃，８ 在打完桩后１５ ｄ进行静载试验。４＃，５ ，９ ，１０ 在打完桩后４５ ｄ进行静载试验。设计单桩极限承载力均为２ ９８０ ｋＮ。实测得到的Ｑ—Ｓ曲线 （图１，２）。 ２．１ 两种桩型沉降结果分析 ２．１．１ 敞口桩Ｑ—Ｓ曲线 从图１中１ ～３ 桩可以看出预应力敞口管桩Ｑ—Ｓ曲线属于缓变型。当桩顶荷载增加到 单桩极限承载力２ ９８０ ｋＮ时（试验设定值），沉降在１Ｏ～１５ ｍｍ。从Ｑ—Ｓ曲线中可以看出， 当荷载在２～６级时，每级的沉降量几乎呈线性增加，即此时桩侧摩阻力发挥主要作用，而 桩端摩阻力发挥很小。随荷载继续增加，桩顶沉降较上一级沉降增加，桩侧摩阻阻力达到极 限值，桩端摩阻力继续发挥作用。在第３级荷载之前，桩底沉降微小，此时的桩顶沉降为桩 身的弹性变化量，即桩承载力基本上只由桩侧摩阻力承担。在荷载逐渐增加时，桩端阻力逐 渐发挥作用，此时管桩承载力主要是桩侧摩阻力和桩端阻力的综合作用。继续加载，桩身弹 性变形在桩顶沉降中的比例逐渐减小，而桩底沉降所占比例则线性增加。 ２．１．２ 闭口桩Ｑ＿Ｓ曲线 预应力闭口管桩也是属于缓变型。从图２中６ ～８ 桩得知，在荷载加至极限承载力， 桩顶沉降缓慢增长，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２ ９８０ ｋＮ时（试验设定值），沉降为 １６４ 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ 第３２卷 图１ １ ～５ 敞口桩单桩竖向抗压静载试验ＱＳ曲线图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｓｈｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ Ｑ－Ｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ １ ～５ ｏｐｅｎ ｐｉｌｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓ— ｓｉｖｅ ５～１０ ｍｍ。而从图中得知，在荷载加至极限承载力之前，除第一级荷载时沉降量稍大以外， 其余几级荷载，每级沉降量△Ｓ变化不大，△Ｓ基本上为桩身弹性变形。而随桩顶荷载的增 加，桩端阻力得到充分发挥，沉降量也较上一级沉降增加，但没有发生线性增加的趋势。 ２．２成桩后间歇时间对桩沉降影响 （１）在４５ ｄ后对敞口的另外两个管桩进行静载试验，得出如图１的４ 、５ 桩的Ｑ＿Ｓ曲 线，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２ ９８０ ｋＮ时（试验设定值），沉降在２５～３０ ｍｍ。 （２）在４５ ｄ后对闭口的另外两个管桩进行静载试验，得出如图２的９＃、１Ｏ 桩的Ｑ＿Ｓ 曲线，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２ ９８０ ｋＮ时（试验设定值），沉降在５～１０ ｍｍ， 没有发生沉降突变现象。 第 ２期 肖章寿：管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析 １６５ 图２ ６ ～１０ 敞口桩单桩竖向抗压静载试验ＱＳ曲线图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍ ｓｈｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ Ｑ－Ｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ６ ～１０ ｏｐｅｎ ｐｉｌｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍ— ｐｒｅｓｓｉｖｅ ２．３ 敞口桩与闭口桩受力机理及沉降比较分析 （１）敞口桩随沉降增大，部分桩底土进人管内，形成土塞。其受力性状表现为桩侧摩阻 力随桩沉降逐步发挥，而管桩沉降引起桩端阻力发挥，但因敞口桩桩端截面面积较小，端阻 力也比较小。桩端阻力（环形面积）发挥极限后，土塞发生相对位移，这样就产生内侧阻力 作用于环形内侧面积，产生更大的侧阻力。此时，管内土塞摩阻力才开始发挥作用，桩侧摩 阻力达到极限值后，桩端阻力也随即达到极限值。闭口桩则不然，因其桩端闭口，即桩端截 面积为敞口桩截面积的１．５６倍。在桩静压施工时，与敞口桩对比，进入敞口桩管内的土被 挤到桩周，即产生很大的挤土效应。同时桩端阻力也比敞口桩的桩内侧摩阻力与端阻之和大 很多。所以敞口桩与闭口桩在桩侧阻力发挥到极限后明显沉降较大。 （２）第二组试验在４５ ｄ后进行，从图１的４ 和５ 桩和图２的９ 和１Ｏ 桩可以看出敞 １６６ 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ 第３２卷 口桩沉降明显加大，而闭口桩沉降和原来同等条件下没有什么大的变化，其原因分析为闭口 桩桩端密封，避免了地下水渗入桩端持力层相反，对于敞１２１桩，地下水直接进入持力层，地 下水对持力层的软化对桩端阻力与桩侧摩阻力造成极为不利的结果。 ３ 结论 （１）敞日管桩与闭口管桩桩端截面形式不同，桩端持力层为粘土时，在达到极限承载力 之前，敞口管桩沉降明显大于闭口管桩的沉降。 （２）敞Ｉ＝１管桩在地下水通过管芯对持力层长时间的软化、桩侧土液化后沉降明显加大， 所以在基础设计时应充分考虑此项因素。 （３）敞口桩虽然有“土塞效应”，但个别对沉降量有特殊要求的工程基础，选择敞口桩 时应经过充分论证，建议使用闭口桩更加合适。 参 考 文 献 １陈克华．管桩的荷载传递机理及承载力研究．工程建设与管理，２００８，１０ ２ ＪＧＪ ９４—２００８．建筑桩基技术规范． Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｉｌｅ Ｘｉａｏ ｚｈａｎｇｓｈｏｕ （Ｆｕｊｉａｎ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓ，Ｆｕｚｈｏｕ，３５００１１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｌｅｓ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｑ—Ｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｏｐｅｎ—ｅｎｄ ａｎｄ Ｃｌｏｓｅ—ｅｎｄ ｐｉｌｅｓ，ａｎｄ ｉｎ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｌｕｇｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂｙ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｅｘｐｅｒｔｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｔｒａｓｔｓ ａｎｄ ａｎ－ ａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ Ｑ—Ｓ ｃｕｒｖｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｅｎ—ｅｎｄ ａｎｄ Ｃｌｏｓｅ—ｅｎｄ ｐｉｌｅｓ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｅｔ— ｔｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｏｐｅｎ—ｅｎｄ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｃｌｏｓｅ—ｅｎｄ ｐｉｌｅｓ ｓｈａｒｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｐｉｌｅ，ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ，ｂｅａｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ
