预压托换桩的回弹机理及控制方法研究_张媛

第29卷 第1期 岩 土 工 程 学 报 Vol.29 No.1 2007年 1月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan., 2007 预压托换桩的回弹机理及控制方法研究张 媛1，3，赵来顺1，唐丽云1，郭志勇2(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054，2.西安科技大学基础部，陕西 西安 710054；3.西北电力设计院电力公司，陕西 西安 710032)摘 要：根据预压桩托换法的工艺特点，通过桩–土相互作用的工作原理分析，得出预压桩托换中桩体回弹的工作机理。

结合工程实践，运用线性回归分析得出桩体回弹力与控制回弹率的关系式，给出桩体回弹的控制方法。

关键词：预压桩；回弹；基础托换；桩–土相互作用中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2007)01–0112–04作者简介：张 媛(1980–)，女，宁夏银川人，硕士研究生，主要从事结构工程和岩土工程方面的研究。

E-mail: yuanzhang333@。

Study on mechanics of rebound and controlling of preloading pilesZHANG Yuan1,3, ZHAO Lai-shun1, TANG Li-yun1, GUO Zhi-yong2(1. Institute of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710053, China; 2. Department ofBasement, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710053, China; 3. Department of Electric Network, Northwest ElectricPower Design Institute, Xi’an 710032, China)Abstract: According to the technical characteristics of preloading piles, by analyzing the mechanism of interaction of piles and soil, the mechanism of rebound of piles in the course of underpinning was gained. Relationship between the rebound force of piles and the controlled rebound proportion was obtained by using the linear regression analysis, and the controlling method of rebound of piles was given.Key words: preloading pile; rebound; underpinning; pile-soil interaction0 引 言近年来，对既有建筑物的加固改造及建筑病害治理工作已越来越得到国家和人民的重视。

然而，在对既有建筑物的功能改造、加层改造，或在出现下沉、开裂、倾斜等建筑病害的治理中，大都涉及既有建筑物地基基础的加固处理。

工程实践证明，在西部黄土地区既有建筑物地基基础加固处理中，钢筋混凝土预压桩基础托换法确为一种行之有效的方法，尤其在湿陷性黄土层较厚或地下水位较高，且建筑物荷载不大时更为适用。

但目前在本项技术的深入研究方面还较欠缺，现行《建筑地基处理技术规范》中[1]，对单桩承载力R K按一般桩基础计算公式确定，与实测结果并不一致，压桩力系数取1.5也缺乏科学依据，尤其对预压桩基础托换中桩体回弹、回沉等特殊问题还研究很少。

文中通过对预压桩回弹机理的分析，提出对桩体回弹的控制方法，供设计和施工参考。

1 预压桩的回弹及回弹反力1.1 预压桩托换法的工艺特点预压桩托换法是以建筑物自重做反力，采用液压方式在原基础下压入单根桩，经桩式托换后，由桩体直接承受上部荷载的一种基础加固方法。

预压桩桩体多为钢筋混凝土方桩或钢管桩，每根桩由若干段组成，每段长1.0～1.5 m，方桩断面尺寸为150～200 mm，首段为带锥形的尖桩。

每段桩在压桩过程用焊接方法连为一根整桩。

因桩体较小，又称为微型桩。

预压桩的托换工艺作法如图1所示。

当压桩终止压力P压达到1.5R K（R K为设计单桩承载力标准值）时，停止压桩，随后取定值/2P压进行恒压，并保持压力稳定。

此后安装托换架及托换千斤顶，两侧托换千斤顶同步加压至设计托换压力P托时，在桩顶与基础底面之间塞入托换钢管，垫好钢垫板，并用铁锤将钢楔打紧。

然后将两侧托换千斤顶同步卸荷至零，再将托换钢管上、下两端与垫板和桩顶焊接牢固。

最后拆除千斤顶及托换架，进行回填、支模、浇砼承台，使桩体与原基础连为整体。

───────基金项目：陕西省教育厅专项基金科研项目（02JK129）收稿日期: 2005–09–21第1期 张 媛，等. 预压托换桩的回弹机理及控制方法研究 1131.2 预压桩的回弹及回弹反力图2为某工程地基基础加固中预压桩的单桩静载荷试验P –s 关系曲线。

当达到试验最大压力P 试时，桩体产生下沉位移s 。

当卸载至0时，桩体又产生向上的恢复位移∆s 1，称为桩体回弹量，剩余不可恢复的位移∆s 2称为残余位移。

工程实践表明，单桩静载荷试验卸载时、或在压桩过程接桩卸载时，以及桩体托换卸载时，桩体或多或少均会产生一定的回弹量。

由单桩反力试验结果，当桩体产生回弹时，同时可产生向上的反作用力，称为回弹反力P 回。

因此，若能在桩体托换中完全阻止桩体回弹，将使单桩承载力增加P 回，从而满足地基基础设计规范中单桩承载力安全系数K = 2的要求，并且避免因单桩承载力不足而产生桩体的回沉问题。

图1 预压桩托换法示意图Fig. 1 Underpinning of preloading piles图2 单桩静载荷试验P –s 关系曲线 Fig. 2 P –s curves of preloading piles2 预压桩的回弹机理分析预压桩的截面尺寸较小，且桩距一般远大于3倍的桩径，因此可不考虑群桩效应，只按单桩进行分析，即预压桩的回弹问题可以认为是单桩在轴向荷载作用下的桩–土共同工作问题。

桩–土相互作用的力学模型如图3所示。

采用荷载传递法[2]分析，当桩体受压进入地基土时，桩体受到的作用力主要有3种：（1）受扰动土体对桩体径向的挤压作用力P 1，产生挤土抱桩效应。

（2）桩体刺入土体时，受扰动的桩周土体受冲切作用。

但当压桩结束时，桩尖已到达持力层，可以认为基本无刺入变形，因此，可只考虑桩身与土体的摩擦作用力τf 。

（3）桩–土之间相对位移过程中包含桩身的弹性压缩变形和桩端土体的压缩变形，桩土体系荷载传递的基本微分方程[3]为2f 2d ()()d s z Uz z AEτ= ， (1) 式中，d ()s z 为桩身压缩变形，U 为桩身周长，A 为桩身横截面面积，E 为桩身的弹性模量，z 为桩身入土深度。

当桩端土刚度比桩身刚度小很多时，桩身的弹性压缩变形可忽略，因此可只考虑桩端持力层的压缩作用，并对桩体产生反作用力P 2。

从上述单桩受力分析知，单桩承载力可由下式确定：R 桩＝f （P 1，τf ，P 2） 。

(2)由对压桩工艺过程的检测结果分析，可得下述结论：（1）沿桩长范围桩周土存在弹性区和塑性区，弹性区可提供回弹力，塑性区产生下拉力。

工程应用中，一根整桩一般由10根左右短桩组成，在每根短桩压桩、接桩过程（接桩卸载约30 min ）以及在压桩过程调整桩身垂直度时，上部桩体反复挤压并排开土体，使桩周土体多次受到反复挤压作用，土体除发生刺入破坏，还产生塑性变形，形成塑性区，而下部桩周土仍处于弹性区。

由研究资料[4]，沿桩长范围内桩侧土体的塑性区深度：()1/2221p 0s 0z /2//z C P C τββτβ−−⎡⎤=++−−⎣⎦压，(3) 式中，0τ为桩顶部桩侧摩阻力，C z 为土体剪切变形系数，C s 为桩身处于弹性区土体剪切变形系数，P 压为压桩力，β为土的可靠度指标。

图3 压桩过程桩–土相互作用的力学模型 Fig. 3 Mechanical model of soil-pile interaction图4为预压桩托换后的受力模型，当桩周土处于塑性区时，桩土之间失去挤压力P 1，并产生一定的负摩阻力f τ′。

f τ′形成附加于桩体表面的分布下拉荷载，起到阻止桩体回弹的作用，单桩静载荷试验（图2）114 岩 土 工 程 学 报 2007年卸载后存在残余位移2s ∆也证明了这一点；当桩周土处于弹性区时，停止压桩卸载后，桩周受挤压的土体产生恢复作用，桩周存在挤压作用力P 1和摩阻力f τ。

在桩土之间的摩阻力f τ和挤压力P 1作用下，桩体将产生一定的回弹力及回弹变形。

（2）桩端持力层可提供一定的回弹力，且土质愈好，提供的回弹力愈大。

压桩结束卸载时，桩端土层处于弹性区，可提供一定的回弹力。

表1为几个预压托换桩加固工程的桩体回弹与回弹力试验结果汇总，由表1知，工程一持力层土质最好，其桩体回弹力为 工程三的128%，工程二次之。

（3）桩体回弹力及回弹量与托换压力大小有关。

预压桩与静压桩的主要区别就在于预压桩托换过程可阻止桩体回弹，使得1s ′∆<1s ∆，并可提供一定的回弹反力[5]。

由试验结果（表1）可以看出：托换压力与桩体回弹量及回弹力成比例关系，如图5～7所示，托换压力愈大，产生的回弹量愈小，形成的回弹力也就愈大。

运用线性回归统计分析可得180.98(0.993)Ps ′∆=托 ， (4)18.01(0.988)Ps ′∆=回 ， (5) 11110010.89(1.02)Ps u s ′⎛⎞∆=−×=⎜⎟∆⎝⎠回% 。

(6)式中 1s ′∆为预压桩的托换回弹，也就是有压力回弹；1s ∆为自由回弹，即无压力回弹；u 为控制的回弹率。

其相关系数R 在0.992～0.998之间，[R ]接近1，表明相关密切。

由表1知，预压桩托换后可有效的阻止桩顶回弹平均达59%以上，桩顶形成的回弹力平均达89.23 kN ，它可进一步提高单桩承载力，控制地基不再产生新的沉降。

图4 预压桩托换后受力模型Fig. 4 Load model of preloading piles before underpinning（4）桩体回弹量与桩体托换工艺质量好坏有关。