管桩挤土效应研究

胡德生

（广州市城市建设开发集团有限公司，广州）

摘要：研究了开口管桩的挤土效应产生机理，提出了土塞长度的计算方法，提出了减小土塞效应的解决方案-----内润滑管桩，探讨了内润滑管桩的可行性及应用前景。

关键词：管桩 挤土效应解决方案

1. 开口管桩施工的挤土效应

管桩包括钢管桩和预应力混凝土管桩。它们使用非常广泛，其优点有：节省材料，承载力高，穿透性好，挤土效应低。

但开口管桩作为一种半挤土桩，其挤土效应仍了其应用范围。因在沉桩过程中会形成土塞，其长度通常为1/3～2/3桩长，排土体积仍然很大。

目前解决开口管桩挤土效应的方法有如下几种：

1）预钻孔施工。预先在桩位处钻孔，通常直径为2/3桩径，深度为2/3桩长。

该法非常有效，但施工成本高。

2）射水施工。在桩管内设置高压水，在沉桩过程中，高压射水，打碎土

体结构，有效降低桩土摩擦。且射水同时，还可以伴随振动沉桩，更有利于桩管内土体和泥浆排出。但该法施工成本亦较高，排出泥浆污染施工场地，对桩承载力有一定影响，现常用于桥梁工程中大型预应力混凝土管桩施工。

3）挖沟保护。在施工场地周围挖沟，或填入松散材料，减少表层土的挤压

效应，有效保护浅埋管线。该法作用有限，且并未降低管桩挤土效应，只降低其危害。

2. 内润滑管桩挤土效应产生的机理

管桩内土塞的受力状况见图1。沉桩过程中，桩底反力P≥F+G。当桩底反力不能克服强大的阻力（F+G），土塞就形成了。

土体移动方向桩底反力

图1 管桩内土塞的受力状况

G(h)gh；

f(h)uk(G(h)h0F(h))； 2rF(h)2rf(h)dh；

P(h)G(h)F(h)/r2f(h)； uk其中：G(h)为深h处的重应力；f(h)深h处的摩擦应力；F(h)为从深0处(土塞顶)至深h处(土塞底)的摩擦力总和；P(h)为深h处的桩底反力应力；ρ为土体密度；g为重力加

速度；h为土塞计算高度；r为桩管内土塞半径；k为垂直土应力与水平土应力的比例系数；u为土塞与桩壁的摩擦系数。 得到微分方程：

2hf(h)uk(ghf(h)dh)

r0初始条件为f(0)0 求解得：

f(h)F(h)gr2e2ukh/re2ukh/rgr2

gr32kugr32kughr2

桩管与土体间的水平压力2uk2uk当桩底土提供的反力大于土塞的摩擦力和重力时，土塞在桩管内滑动；但若桩底土破坏了，则土塞不再滑动。根据土塞底土的极限承载力，即可反算出土塞高度。

令1.8kg/m3，g9.8N/kg，r0.5m，k=0.6，在u分别为0.4、0.2、0.1、0.05、0.025时，绘制P(h)曲线（附图3）。

70006000P(h)gre2ukh/rgr

土塞底土应力P（kpa）500040003000200010000u=0.025u=0.05u=0.1u=0.2u=0.4由此可见：

1）当u=0.4时,当土塞5m长时，P(h5)约2214kpa，桩底土通常已破坏，故通常的桩内土塞一般不大于5m。

2）若能将u降至0.05,当土塞13m长时，P(h13)约553kpa。故当桩底土极限承载力≥553kpa时，土塞长度可增加到13m。

3）若能将u降至0.025,当土塞17m长时，P(h17)约521kpa。故当桩底土极限承载力≥521 kpa时，土塞长度可增加到17m。

考虑实际地质条件,土体分层，仍可采用上述方法分层计算。因本文重点考察摩擦系数u对土塞长度的影响，故以均匀的单层土层条件为例计算。

若考虑地下水的作用，采用有效应力计算，将替换为（—水）即可。考虑打桩过程中的超静孔隙水压力对有效应力的抵消，土塞的计算长度会增加。 3. 减小挤土效应的方案-------内润滑管桩的构想

设想在桩管内侧涂上固体润滑薄膜，来降低摩阻力。通常桩土摩擦系数μ为

0246810121416182022242628303234363840土塞深度h（m）图2 土塞深度h与土塞底土应力P的关系

0.3～0.5，而固体润滑薄膜可将摩擦系数μ降至0.05～0.025，会极大地降低摩阻力，有效地减小甚至消除土塞效应。

管桩的土塞效应也有优点：有效地增加桩端承载力。故内润滑管桩对承载力会有影响，但可以解决：在沉桩后，可在桩管中回填致密的土体或浇灌混凝土，封住桩管，使土塞不滑动即可。 4. 管桩内润滑的可行性 4.1技术可行性

固体润滑薄膜是一种在母材表明形成的一层致密的润滑薄膜，是一种非常成熟的工艺。常用的固体润滑薄膜有环氧树脂涂层，该涂层掺入石墨和二硫化钼等润滑材料。环氧树脂是常用的混凝土修补材料和钢结构防腐材料，其与混凝土和钢材的粘结，实践已很好地证明。以环氧树脂、石墨、二硫化钼等组分的固体润滑剂为例，摩擦系数可大幅度降低。具体配方见表１。

表１ 环氧润滑耐磨涂料配方 原料名称 E-44环氧树脂 石墨 二硫化钼 660活性稀释剂 630活性稀释剂 邻苯二甲酸二丁脂 气相SiO2 铁纷 钛白粉 摩擦系数u 磨损失量/mg 用量％ 配方1 35.5 8.8 35.5 7.1 3.5 0.8 8.8 0.02 3.05 配方2 37.6 7.5 30.1 7.5 0.4 5.6 11.3 0.0280 1.60 配方3 36.2 7.2 29.0 10.9 0.4 5.4 10.9 0.0260 1.60 配方4 32.6 8.2 32.6 3.2 3.2 3.2 0.7 16.3 0.0400 3.40 固体润滑膜通常由胶粘剂和润滑剂组成。胶粘剂粘结母材，润滑剂降低摩阻力。胶粘剂和润滑剂种类很多。上文所述的环氧树脂涂层是常用的一种。

鉴于固体润滑膜是成熟的应用产品，在很多行业均有广泛的应用，且有确切的数据证明其减小摩擦的效果，因此技术上是可行的。 4.2经济可行性

环氧涂层会增加管桩的成本包括涂层材料成本和涂层施工成本。 其主要成分的价格为：环氧树脂约40元/kg；二氧化钼约240元/kg。

若以涂层厚度为50um计算，管桩成本增加约为20～30元/m。故经济上是可

行的。

5. 应用展望

5.1内润滑钢管桩的应用展望

钢管桩排土少的优点深受欢迎，但施工过程中打桩造成的土体位移仍不能忽略,据工程实例，可达50mm。若采用内润滑钢管桩,进一步减小挤土效应，则必定更受欢迎，其优点有：加快打桩速度，减少土体位移和隆起，减少桩体位移，减少对周边环境的影响。

钢管桩本身造价高，故润滑涂层的增加费用所占比例很小。

结合目前的钢管桩防腐技术，甚至可使用润滑防腐涂层，对钢桩内管来说，既能防腐又润滑土塞。

5.2内润滑预应力混凝土管桩的应用展望

参考文献

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预应力混凝土管桩的混凝土面积占桩总截面的50％以上，故即使土塞能充满预应力混凝土管桩的本身造价较便宜，Ф600mm的亦只有180元/m。故涂层

桩管，排土体积仍占桩总体积的50％以上；故只能有限地降低排土。 成本所占成本比例较大。其应用尚有待探讨。