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摘要：本文通过分析预制桩在各种不同性质土层中的沉桩方式，讨论预制桩的沉桩特性，说明沉桩力与承载力关系，为预制桩的没计提供参考意见，同时为解决施工中遇到的各种问题提供理论依据，并说明各种性质土层对沉桩力的不同影响。
关键词：预制桩；沉桩力；承载力；沉桩
建筑技术的不断发展，预制桩普遍应运于各类工程。从截面形状不同可以分为管桩、板桩、方桩等；从使用材料的不同可以分为混凝土预制桩、高强混凝土预制桩、预制钢桩等；从制桩方式不同可以分为混凝土桩，预应力混凝土桩等，从施工方式不同可以分为捶击桩，静压桩等。各种桩及其施工方式的选用此处不再细述，可以查阅相关桩基规范及施工规范，本文只详述预制桩的沉桩机理及土层性质对沉桩力的影响，和沉桩过程中遇到的各种问题的处理方法。
1.预制桩的沉桩机理
预制桩都是通过外力及自身重力作下，使桩体克服桩身摩擦力、桩端反力及地下水位以下沉桩时产生的孔隙水压力作用，达到设计所要求的土层及标高。在外力使桩身进入土层的过程中，首先是桩尖使与之接触的土体冲剪破坏，随着桩尖的深入，桩尖周围的土被挤压向四周挤密，桩尖受到土的反作用力，当达到水面以下时，挤压使土中孔隙水压力急剧加大，由于挤压速度快，短时间内水压力难以消散，不同性质的土层消散速度各不相同，因此桩基检测规范提出了休止时间，如下表：
随着桩身不断的贯入，桩端的水压力和土体的反力将持续的存在，在同一土层中基本保持同样的数值，而桩周的摩擦力则是不断增大，因为桩身摩擦面不断的增大，在砂土中表现尤为明显，在黏性土中表现不太明显，这是因为在黏土中，桩侧摩擦力由于孔隙水压力的存在，土体颗粒与桩身的接触面及接触压力较小，桩侧摩擦力值远小于桩侧极限摩擦力的设计值。对于捶击桩，由于沉桩速度快，这种影响更为明显。
2.粘性土的沉桩特点
黏性土颗粒小，吸附水分子的能力强，当桩进入到地下水位以下时，孔隙水受冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生了超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周约一倍桩径的一部分土体的孔隙水压力骤然增大，而黏性土的渗透能力极差，所以在黏性土中沉桩主要阻力来自桩端的剪切和挤压，以及孔隙水壓力。当桩尖穿越不同土层时，压桩阻力会发生突变。桩尖处在某一土层中时，压桩阻力基本上保持不变或者略有波动。压桩完成以后，沉桩引起的超孔隙水压力逐渐消散，桩侧土体逐渐挤密，土体的剪切强度会慢慢提高，最终大于外围的土体的剪切强度，形成附着于桩表面的一层硬壳，相当于增加了桩体的表面积，从而使得桩侧摩阻力显著增长。黏性土中桩基随时间变化的曲线如下：
3、性土中沉桩特点
砂性土中沉桩时，压桩阻力不仅随桩端所进入的不同砂层变化，而且在同一土层中，压桩阻力也是随深度增加而增大。砂性土中沉桩引起的超孔隙水压力不高，而且消散很快。沉桩的影响主要表现在对土体强度的强化效应和松弛效应。强化效应指的是：砂层被扰动，产生超孔隙水压力，很快消散后土体的有效应力增大，同时挤密作用也使砂性土的强度得到提高。松弛效应指群桩的施工而使桩周土体挤密到较为密实的状态，并在土层中积累了相当大的横向有效应力，从而使后期桩施工时，土层在剪切变形中会产生松弛，并出现剪胀，产生负的孔压，负的孔压随时间消散而使得有效应力下降，引起应力松弛。砂性土中，密砂受松弛效应影响，土体抗压强度减少；松砂受挤密效应影响，土体抗压强度增大。
4、沉桩力和极限承载力
沉桩力是沉桩过程中使桩能贯入土层所施加的外力，主要是克服桩体冲剪土体向下穿透时由桩端阻力和桩周滑动摩阻力及孔隙水压力组成。土体基本恢复后，原来施工下沉时桩侧滑动摩擦力变成承载时的静摩擦力，这时对应的承载力才是设计所需要的极限承载力。也就是说施工完成到休止期结束，桩基承载力值是时间的函数，休止期以后桩基承载力值才趋于稳定。由此可知沉桩力与桩基承载力值没有固定的对应关系，一般来说在砂土中，沉桩力略大于极限承载力值，在黏土中，沉桩力小于极限承载力值，主要是根桩周土体摩擦力的恢复值又大有关。按照以往的施工经验，沉桩力可以按单桩极限承载力参考下表选择。
5、沉桩中遇到的问题及解决方法
在桩基施工中经常遇到沉桩困难的问题，引起这种情况的原因很多，每个工程要更据地质情况具体分析。
（1）较浅层存在沉桩困难的土层。如果土层为砂土层，这时可以采用重锤慢打，若砂土层较厚，可以在重锤慢打的基础上再选用开口桩，减小桩端的阻力。如果土层为黏土层，这时阻力主要来自桩端，而且短时间内难以消除，所以土层较薄时可以采用开口桩，土层较厚时可以采用引孔的方法。这种方法在盐城秸秆工程中也用应运，该工程施工时发现在地下约4米存在着2米左右密实砂土，由于条件限制，换重锤及选开口桩都无法实施，因此采用引孔顺利完成桩基施工。
（2）桩基端部存在沉桩困难的土层。当桩端部分存在砂土时，在沉桩力大于极限承载力时，桩基无法继续贯入，说明承载力基本达到设计要求的极限承载力，此时可以调整设计桩长，楚州秸秆电厂施工时就采取了这种方法，在桩基端部存在平均厚度为15米左右的砂土层，桩基在最后1米左右无法贯入，在达到规范要求的停打条件后，采取调整桩长的方法，成功解决了沉桩困难的问题，同时节约了大量的投资，并在后期桩基检测证明，所有的桩的承载力均达到或超过了设计要求。当桩端部分存在黏土时，这种情况比较复杂，如果是捶击桩，可按规范要求纪录最后三阵的贯入度，但三阵之间的时间间隔应该较长，使孔隙水压力充分消散，如果是静压桩，可以延长静压时间。具体情况可以根据前面所述沉桩机理具体分析。
（3）湿陷性黄土中沉桩困难。这种情况比较容易理解，因为设计极限承载力值中考虑了负摩阻的影响，所以沉桩力和极限承载力相差较大，可以采用比较大的沉桩力，或者部分引孔。
6、结语
1）粘性土和砂土的颗粒摩擦、渗透性及排水条件不同，所以沉桩机理表现形式也不同。粘性土中压桩阻力主要来自于桩尖阻力；砂性土中桩侧摩擦力作用明显。
2）桩基是工程建设中比较重要，所占投资比例较大的部分，也是施工中比较难处理的部分，对于设计人员应该认真分析各种条件下桩基的沉桩机理，灵活的处理施工中所遇到的各种问题。
关键词：预制桩；沉桩力；承载力；沉桩
建筑技术的不断发展，预制桩普遍应运于各类工程。从截面形状不同可以分为管桩、板桩、方桩等；从使用材料的不同可以分为混凝土预制桩、高强混凝土预制桩、预制钢桩等；从制桩方式不同可以分为混凝土桩，预应力混凝土桩等，从施工方式不同可以分为捶击桩，静压桩等。各种桩及其施工方式的选用此处不再细述，可以查阅相关桩基规范及施工规范，本文只详述预制桩的沉桩机理及土层性质对沉桩力的影响，和沉桩过程中遇到的各种问题的处理方法。
1.预制桩的沉桩机理
预制桩都是通过外力及自身重力作下，使桩体克服桩身摩擦力、桩端反力及地下水位以下沉桩时产生的孔隙水压力作用，达到设计所要求的土层及标高。在外力使桩身进入土层的过程中，首先是桩尖使与之接触的土体冲剪破坏，随着桩尖的深入，桩尖周围的土被挤压向四周挤密，桩尖受到土的反作用力，当达到水面以下时，挤压使土中孔隙水压力急剧加大，由于挤压速度快，短时间内水压力难以消散，不同性质的土层消散速度各不相同，因此桩基检测规范提出了休止时间，如下表：
随着桩身不断的贯入，桩端的水压力和土体的反力将持续的存在，在同一土层中基本保持同样的数值，而桩周的摩擦力则是不断增大，因为桩身摩擦面不断的增大，在砂土中表现尤为明显，在黏性土中表现不太明显，这是因为在黏土中，桩侧摩擦力由于孔隙水压力的存在，土体颗粒与桩身的接触面及接触压力较小，桩侧摩擦力值远小于桩侧极限摩擦力的设计值。对于捶击桩，由于沉桩速度快，这种影响更为明显。
2.粘性土的沉桩特点
黏性土颗粒小，吸附水分子的能力强，当桩进入到地下水位以下时，孔隙水受冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生了超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周约一倍桩径的一部分土体的孔隙水压力骤然增大，而黏性土的渗透能力极差，所以在黏性土中沉桩主要阻力来自桩端的剪切和挤压，以及孔隙水壓力。当桩尖穿越不同土层时，压桩阻力会发生突变。桩尖处在某一土层中时，压桩阻力基本上保持不变或者略有波动。压桩完成以后，沉桩引起的超孔隙水压力逐渐消散，桩侧土体逐渐挤密，土体的剪切强度会慢慢提高，最终大于外围的土体的剪切强度，形成附着于桩表面的一层硬壳，相当于增加了桩体的表面积，从而使得桩侧摩阻力显著增长。黏性土中桩基随时间变化的曲线如下：
3、性土中沉桩特点
砂性土中沉桩时，压桩阻力不仅随桩端所进入的不同砂层变化，而且在同一土层中，压桩阻力也是随深度增加而增大。砂性土中沉桩引起的超孔隙水压力不高，而且消散很快。沉桩的影响主要表现在对土体强度的强化效应和松弛效应。强化效应指的是：砂层被扰动，产生超孔隙水压力，很快消散后土体的有效应力增大，同时挤密作用也使砂性土的强度得到提高。松弛效应指群桩的施工而使桩周土体挤密到较为密实的状态，并在土层中积累了相当大的横向有效应力，从而使后期桩施工时，土层在剪切变形中会产生松弛，并出现剪胀，产生负的孔压，负的孔压随时间消散而使得有效应力下降，引起应力松弛。砂性土中，密砂受松弛效应影响，土体抗压强度减少；松砂受挤密效应影响，土体抗压强度增大。
4、沉桩力和极限承载力
沉桩力是沉桩过程中使桩能贯入土层所施加的外力，主要是克服桩体冲剪土体向下穿透时由桩端阻力和桩周滑动摩阻力及孔隙水压力组成。土体基本恢复后，原来施工下沉时桩侧滑动摩擦力变成承载时的静摩擦力，这时对应的承载力才是设计所需要的极限承载力。也就是说施工完成到休止期结束，桩基承载力值是时间的函数，休止期以后桩基承载力值才趋于稳定。由此可知沉桩力与桩基承载力值没有固定的对应关系，一般来说在砂土中，沉桩力略大于极限承载力值，在黏土中，沉桩力小于极限承载力值，主要是根桩周土体摩擦力的恢复值又大有关。按照以往的施工经验，沉桩力可以按单桩极限承载力参考下表选择。
5、沉桩中遇到的问题及解决方法
在桩基施工中经常遇到沉桩困难的问题，引起这种情况的原因很多，每个工程要更据地质情况具体分析。
（1）较浅层存在沉桩困难的土层。如果土层为砂土层，这时可以采用重锤慢打，若砂土层较厚，可以在重锤慢打的基础上再选用开口桩，减小桩端的阻力。如果土层为黏土层，这时阻力主要来自桩端，而且短时间内难以消除，所以土层较薄时可以采用开口桩，土层较厚时可以采用引孔的方法。这种方法在盐城秸秆工程中也用应运，该工程施工时发现在地下约4米存在着2米左右密实砂土，由于条件限制，换重锤及选开口桩都无法实施，因此采用引孔顺利完成桩基施工。
（2）桩基端部存在沉桩困难的土层。当桩端部分存在砂土时，在沉桩力大于极限承载力时，桩基无法继续贯入，说明承载力基本达到设计要求的极限承载力，此时可以调整设计桩长，楚州秸秆电厂施工时就采取了这种方法，在桩基端部存在平均厚度为15米左右的砂土层，桩基在最后1米左右无法贯入，在达到规范要求的停打条件后，采取调整桩长的方法，成功解决了沉桩困难的问题，同时节约了大量的投资，并在后期桩基检测证明，所有的桩的承载力均达到或超过了设计要求。当桩端部分存在黏土时，这种情况比较复杂，如果是捶击桩，可按规范要求纪录最后三阵的贯入度，但三阵之间的时间间隔应该较长，使孔隙水压力充分消散，如果是静压桩，可以延长静压时间。具体情况可以根据前面所述沉桩机理具体分析。
（3）湿陷性黄土中沉桩困难。这种情况比较容易理解，因为设计极限承载力值中考虑了负摩阻的影响，所以沉桩力和极限承载力相差较大，可以采用比较大的沉桩力，或者部分引孔。
6、结语
1）粘性土和砂土的颗粒摩擦、渗透性及排水条件不同，所以沉桩机理表现形式也不同。粘性土中压桩阻力主要来自于桩尖阻力；砂性土中桩侧摩擦力作用明显。
2）桩基是工程建设中比较重要，所占投资比例较大的部分，也是施工中比较难处理的部分，对于设计人员应该认真分析各种条件下桩基的沉桩机理，灵活的处理施工中所遇到的各种问题。