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摘要：灌注桩和预制桩在工程建设中应用广泛，前者往往会因露筋、夹泥、断桩、桩底沉渣等问题影响施工质量和效率，而预制桩则具有更强的耐久性和更低的制作成本，在土木工程建设中得到广泛应用。本文从竖向载荷以及水平载荷两个方面对预应力管桩这里预制桩的工作机理进行了研究，并基于此对预应力管桩在实际应用过程的土塞和挤土效应进行了机理分析，阐明了预应力管桩的作用机理，以供行业相关人员进行参考。
关键词：预应力管桩；竖向载荷；水平载荷；土塞效应；挤土效应
引言：在工程技术人员不断深入研究建筑桩基受力的情况下，各种新型的桩基不断产生，而灌注桩和预制桩则是其中应用最多的桩基类型。相对而言，起步更早的灌注桩基础在施工效率和质量方面存在较多难以解决的问题，在适应性方面也存在较多欠缺；而预制桩则在工程建设中有效解决了传统灌注桩的应用不足，预应力管桩则是相关技术人员持续优化的技术成果，在土木施工难题方面发挥出重要作用。为此，相关技术人员需要深入研究预应力管桩的工作机理，通过分析载荷受力对其进行后续的优化改进，进而为土木施工提供更多便利。
1 预应力管桩的竖向及水平载荷受力分析
1.1竖向荷载受力分析
预应力管桩的顶部在承受到垂直作用力时将会被压缩变形，在形变的同时周边土层将会与桩基形成位移，进而使得桩基承受到反运动方向的摩擦力，而且随着位移距离的增长，摩擦力也会随之增长。随着管桩所处深度的增加，起始于桩顶的竖向应力将会不断降低，在底部甚至不会产生相对位移以及摩擦力[1]。由此可见，预应力管桩所承受的竖向摩擦力与竖向应力大小以及土层深度存在关联，在加载竖向应力的初始阶段，摩擦力与之成正比，在竖向应力达到一定数值时，桩基产生的压缩形变将处于一个稳定阶段，竖向应力再次增加将不会使得桩基产生与土层之间的相对位移。在这种情况下，预应力管桩端部将会形成与竖向应力对应的摩擦力，管桩侧面不会产生较大位移，而随着应力的不断增加，端部的承受力将会达到极限，即为预应力管桩的竖向载荷承载极限。相关施工案例和试验结果表明，施工技术手段、桩基所处土质情况、管桩直径等都会对管桩载荷承受能力产生一定影响。
1.2 水平荷载受力分析
在研究预应力管桩水平载荷承受能力的过程中，技术人员通常采取抗震测试、破坏性测试等方法进行检验，试验结果表明，单根预应力管桩从承受水平载荷到结构破坏的过程可以分为弹性变形期、弹塑性期、破坏期三个阶段。在弹性变形期，预应力管桩自身附带的弹性能力使其在受到水平载荷后沿着水平方向位移，并在取消载荷后恢复初始状态[2]；在弹塑性期，预应力管桩承受超出自身弹性形变极限的水平载荷，管桩产生的形变将不会在受力取消后恢复原状，而且此时的变形力度也会大幅度增加，并在极限载荷时达到最大变形量；在破坏期，预应力管桩承受的超出极限水平的载荷无法通过变形来抵消，而是直接出现裂缝等问题，最终被完全破坏。
2 预应力管桩土塞效应的载荷作用机理及影响分析
2.1 土塞效应基本情况分析
在将预应力管桩压入土层的过程中，一些泥土将会受外力挤压而进入到管桩的空心部位，管桩在机械设备竖向应力持续增加的情况下不断下沉，而空心部位进入的土层也随之增加，而且土层将会在升高过程中变得密度更高，空心管桩壁与土层之间的摩擦力将会进一步增加，一旦内部摩擦力超出挤压力，管桩内部的土层将会封闭，即为土塞效应，这一效应的存在可以有效增加预应力管桩的载荷承受能力。一般而言，土塞效应所发挥的效果与管桩管径存在较大关联，而且桩径越大则土塞效应越弱。通过试验可以对管径的极限尺寸进行测试，而试验结果表明，在不同土层中的桩径极限尺寸也有所不同，沉积土或黏土层具有更高的极限桩径，砂土层则具有远低于黏土层的极限桩径，约为100-200mm。
2.2 预应力管桩土塞效应过程中的载荷作用机理
预应力管桩承受的竖向应力可以通过管壁底部以及管壁进行传递，内部与土层之间的摩擦力可以提升预应力管桩的极限载荷。为此，相关技术人员需要加强对土塞效应载荷作用机理的研究，明确摩擦力的具体作用机理。相对而言，预应力管桩的内壁摩擦力与外壁摩擦力存在一定差异，内壁摩擦力的形成需要内部土层积累到一定高度，即具有较强土层密度时才会形成摩擦作用力，而且随着外力的增加，管桩内部土层密实程度将会不断增加，土塞效应也将会快速形成。
2.3 土塞效应对预应力管桩的影响情况分析
土塞效应过程中产生的内部摩擦力与土质、土层高度、管桩内径、管壁厚度等存在关联，随着土塞效应作用程度的加深，预应力管桩将会具有更强的载荷承受能力。在实际应用分析的过程中，技术人员需要对内部摩擦力进行求解，具体可以采取假设法，例如假设内部土层为刚塑体，假设土层为弹塑体，或者结合应力变化情况进行分析[3]。土塞效应在增强预应力管桩极限承载载荷的同时，也使得整个沉桩过程增加了较多意外情况。在不断增加的载荷应力作用下，管桩内的土塞效应将会发展至完全闭塞状态，完全闭塞的土塞将不会在发生位移，而管内的土层将会在竖向载荷的重要性持续压实，最终对预应力管桩的沉降产生阻碍。为此，技术人员需要在利用土塞效应提升管桩载荷承受能力的同时，通过试验来探索不影响管桩沉降的最佳方法。
3 预应力管桩挤土效应的载荷作用机理及影响分析
预应力管桩在承受静态压力的情况下将会被压入土层之中，而随着管桩的深入，土体本身的平衡状态将会受到影响，为了维持平衡，土体将会被管桩挤开，进而导致周边地形受到影响。在管桩头部下压的过程中，周边的土层将会受到破坏并不断扩散，进而形成4~6倍的扰动区域，该区域的土体承受着最大的外力和变形。研究结果表明，管桩与土层接触部位的土质对挤土效果具有较大影响。一般而言，饱和软土层具有较多的孔隙水，管桩沉降期间将会先挤压饱和软土中的水分，在水分全部消除后将会将压力施加给土层，这也导致饱和软土层将会承受更小的挤土压力，不会产生较多的位移和隆起；如果管桩压入的土质为砂土，则挤土效应在砂土易压缩特点的影响下不会产生明显的作用，而随着压缩程度的加深，挤土效应将会大幅度增加。
在挤土效应的影响下，周边土层将会被压实，预应力管桩外壁会承受更大的侧压力，进而使得摩擦阻力增加。如前文所述，在预应力管桩内部土层压实度较低的情况下不会出现土塞效应，此时的管桩贯入是依靠切土来实现的，往往不会产生较大的摩擦阻力。随着管桩的不断沉降，管桩承受的最大挤压力不断下沉，大量土逼入管桩而部分土排向侧面，而随着土塞程度不断加深，更多的土将会排向侧面而不是进入管内，此时的挤土效应将会随着沉降深度的增加而不断增强。
4 结语
综上所述，预应力管桩载荷作用机理的研究对于现场施工具有指导意义，相关建设单位需要进一步加强对预应力管桩竖向载荷、水平载荷的机理进行分析，并基于此对土塞效应、挤土效应等影响预应力管桩载荷承受能力和周边土层稳定性的效应进行研究分析，明确各种效应对端阻、侧阻、沉桩过程的影响，进而为施工工序的优化改进和施工质量的提升提供参考指引。
参考文献：
[1]吕国仁,陈振.荷载作用下预应力管桩的工作机理探析[J].江西建材,2020(07):111-112+114.
[2]熊凯峰,陈荣保,陈建江,等.泥质粉砂岩预应力管桩高应变动力测试试验研究[J].广东土木与建筑,2018, 25(11):38-41.
[3]赵永强,王之宇,张磊,等.深厚淤泥地层中预应力管桩偏斜机制分析及预防处理技术.建筑工程[J].西北民族大学学报:自然科学版,2021(01):43-49.