静压预应力高强混凝土管桩设计中的问题分析

　　摘要：文章阐述了静压桩的适用性和局限性，如何合理的选用管桩的的桩径、桩型，确定合理的单桩竖向承载力、终压力、桩距等问题，对于保证管桩的工程质量，提高经济效益和社会效益有一定的促进作用。
关键词：静压管桩，单桩竖向承载力，终压力，桩距
管桩使用十多年得到越来越广泛应用，产生越来越大的经济效益和社会效益，它已成为我国建筑尤其是多、高层建筑桩基的首选桩型。其规格和适用性见表一。预应力高强混凝土管桩主要优点有：①单桩承载力高，可打入密实的砂层及强风化岩层，桩尖附近的强风化岩层或密实的砂层受到挤压，桩端承载力可比原状态提高80-100％，管桩极限承载力特征值要比同样直径的沉管灌注桩或钻孔灌注桩高。②)设计选用范围广，既适用于多层建筑，也适用于50层以下的高层建筑，而且在同一建筑物基础中，还可根据柱荷载的大小采用不同直径的管桩；③对持力层起伏变化大的地质条件适用性强，管桩桩节长短不一，搭配灵活，接长方便，在施工现场可随时根据地质条件的变化接桩或截桩。④单位承载力造价便宜。⑤运输吊装方便，接桩快捷。⑥施工速度快、工效高、工期短。⑦成桩质量较可靠，只要按施工要求，认真操作，成桩质量在多种桩基中是最可靠的，特别是静压桩，承载力的保证率更高。
表一预应力管桩规格及适用性（PTC、PC、PHC桩）

静压沉桩相对锤击沉桩独具有低噪音、无振动无空气污染等优点，因而被广泛采用在建筑工程中。笔者从设计人员角度结合相关规范及文献对静压预应力高强混凝土管桩设计中的主要问题进行论述。
1使用管桩的地质条件
管桩桩端适宜持力层为强风化岩层或者全风化岩、坚硬的黏土层或密实的砂土层。下列地质条件不宜采用或者慎用管桩：
1）桩端持力层以上孤石和障碍物较多且较难清除的地层不宜应用；
2）有坚硬夹层时宜慎用；
3）从松软突变到特别坚硬的地层不宜应用；
4）基岩面上没有合适持力层的岩溶地层；
5）桩端持力层为遇水易软化且埋藏较浅的风化岩；
6）地下水或地基对管桩的混凝土、钢筋及钢零部件有强腐蚀作用的岩土层。
2管桩规格的选择
2.1桩径的选择
当为多高层建筑时，桩径的选择可以参考表一。一般情况桩径的选择主要有以下几个原则：①一般按一柱两桩台以上布桩，只要管桩承载力利用充分，选用的桩径越大则越经济合理；②最大长细比不应超过100。如地质差，如流动性淤泥深厚则取60～80为宜；③规格不宜多，不宜超过二种。当有二种规格管桩的工程施工应注意施工顺序。一般应先施工大规格后施工小规格，先重锤后轻锤。
2.2桩型的选择
桩型主要反映管桩的纯弯抗弯能力和砼有效预压应力。同一规格的桩型有四种：A、AB、B、C,越向后抗弯承载能力越高，其对砼的有效预压应力也越大。桩型对抗拔承载力及抗弯曲能力影响较大，而对竖向承载力则影响很少。
桩型的选择有以下几点：①柱脚弯矩或水平力较大的结构如高层建筑、码头、挡土结构等应选抗弯能力大的AB或B、C型。②有上浮力的地下室或者地基土对管桩的混凝土、钢筋及钢零部件有腐蚀的环境下，宜选的AB或B、C型，同时根据相关规范采用相应的防腐措施。③长细比特别大、地质上软硬突变使施工容易造成纵向弯曲破坏的应选用AB或B、C型。④地层中有流动性大的深厚淤泥层，施工阶段易出现拉应力而造成桩裂或破坏者应选AB或B、C型，或采用AB型与A型组合式桩。把在施工时容易出现较大拉应力的桩节改为AB或B、C型，可以达到桩的成形及减少造价的良好效果。
3桩尖的选择
1）一般较好的地质——十字型、且宜用尖底十字型，既节约又适应稍有倾斜的持力层，应普遍使用。
2）一硬即硬、软硬突变地质或有硬夹层地质——锯齿十字型桩尖或H型钢桩尖。
3）石灰岩地质——H型钢或锯齿十字型。
4）穿越砂砾层地质——锥型或开口型桩尖。
5）球状风化花岗岩石、孤石多等地质——H型钢钢桩尖。
6）减少桩上浮——开口型桩尖。
4单桩竖向承载力
建筑桩基础技术规范JGJ94-2008第3.1.3条明确规定应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算。一般地，单桩竖向承载力应由桩身允许承载力和桩周桩端土提供的总摩阻力这两者之中较少者来控制决定的。DBJ/T15-22-2008规定：当管桩桩基设计等级为甲级且地质条件较复杂时，或当地使用管桩的历史较短、设计经验不足时，单桩竖向抗压承载力特征值应在设计阶段通过打静载试验确定。有条件的工地，打试验桩宜用高应变动测发配合测试。
为了对比单桩竖向承载力理论计算值和静载实验值的差异，以直径500mm的桩为例，列举了三个工程实例。其中PHC500-100A、PHC500-125A桩身极限值分别为4512KN、5280KN.工程一为杭州某小区，持力层为砂砾石层；工程二为大学城某大学实验楼，桩端持力层为强风化花岗岩；工程三为某大学教学楼，桩端持力层为粘性土2，并进入持力层8m。三个工程的土层资料及桩基资料分别见下表二～表四；表五为其桩型及静载试验结果汇总表。
表二杭州某小区土层资料(以2号孔为例)

表三大学城某大学实验楼土层资料(以46号孔为例)

表四某大学教学楼土层资料(以58号孔为例)

表五三个工程桩型及静载试验汇总表
由表二～表五可知：①该三个工程单桩竖向承载力静载试验值和理论计算值有较大的差距，砾砂石层和强风化花岗岩的持力层中前者比后者大50%以上，在粘性土层持力层中前者比后者大26.3%；②按照桩基规范5.2.1条和5.2.2条，如果采用理论计算值三个工程对应的特征值分别为1500KN、1500KN、1900KN，如果采用静载试验值的标准值对应的特征值分别为2250KN、2250KN、2400KN，显然采用静载试验值进行设计是比较经济合理的。
5终压标准与终压力
终压标准的确定应根据试沉桩情况,桩端持力层及沉桩压力等因素,并结合邻近工程沉桩经验,由勘察,设计,施工,监理等有关单位共同商定。一般桩端持力层为坚硬、硬塑的粘性土,或风化岩时,以终压力控制为主,桩端进入持力层深度控制为辅；桩端持力层为一般土层,或标准贯入度较小时,以桩长控制为主,终压力控制为辅。通常终压力达到设计要求后,必须持荷稳定,若不能稳定,必须再持荷,一直到持荷稳定为止。可采用两种持荷方式:①持荷5分钟;②二次持荷,每次2分钟,间隔5分钟,稳定标准为压力值不降低。
对于静压沉桩施工,终压力的确定是一个极其重要的问题。通常终压力取单桩竖向承载力特征值1.3～2.0倍,终压力还应不超过单桩竖向承载力极限值的0.95。当桩端持力层较坚硬时,终压力取大值；桩端持力层为粘性土、强风化岩等这样具有后期固结特性的土层时,终压力取小值。但在实际工程中往往会遇到桩长已经达到设计要求,而终压力却达不到设计要求,在这种情况下要根据桩端持力层情况做具体分析,一味加大桩长是不经济,也是不必要的。如果桩端持力层是中风化花岗岩或者卵石层,通常终压力比较容易达到设计要求；如果桩端持力层是残积粘土或者强风化花岗岩,那么终压力可以减小,送桩到设计标高后,停压2～3h后再复压。
6桩距的确定
静压预应力管桩设计桩距过小，会引起桩体的上浮吊脚，从而影响桩的竖向承载力。对于现场管桩不同程度的上浮现象，应进行复打处理。一般最小桩桩距为3.0d，独立承台内桩数超30根时桩距不宜小于4.0d，条形承台内超过两排或独立承台桩数超过9根的，摩擦桩宜为3.5d。
为保证工程质量，对高层建筑群桩基础的桩距，最小桩距宜在4d～4.5d，若布桩仍较密，则应采用大桩径的桩，提高单桩竖向承载力，以减少桩的数量，增大桩距，从而减少群桩的数量。另外，对于容易挤压上浮的土质如大部分为粘性土层桩距应加大；当用开口型桩尖时，桩距可减少。
7静压桩的局限性与缺点
静压预应力管桩也有其弱点和局限性:①要求边桩中心到原有建筑物的间距即边桩空位较大，一般要求4米以上，设计方案时，要考虑这个问题。②压桩力小于2400KN的静压桩机，穿越砂隔层的能力有限。③当地层中有较多的孤石、障碍物时，以及在溶洞、溶沟等发育的岩溶地区，静压管桩宜慎用。④静压管桩属于挤土桩，在数量多、布桩密的地区施工，也会产生由于土体挤压上涌而带来的某些公害。⑤静压法施工对场地的耐力要求较高，特别是大吨位压桩机，在新填土、淤泥地及积水浸泡过的场地施工会陷机，正是由于这个原因，目前我国陆上压桩机的最大压桩力只能做6000KN左右，此时的接地压强近140Mpa，因此必要时要对场地进行处理。⑥太大的压桩力(夹持力)易将桩身夹破夹碎。
结束语
单桩竖向承载力特征值应尽可能通过静载试验确定。作为设计人员，应结合工程地质和现场特点选择合理的桩径、桩型、桩尖及桩距，确定合理的单桩竖向承载力，选择恰当的桩长及终压力，施工质量控制应采取符合工程实际的措施,严格执行相关规范(规程)和标准,确保桩基础质量及周围环境的安全，以取得较好的经济效益和社会效益，促进静压预应力高强混凝土管桩技术应用水平的快速发展。
参考文献：
[1]建筑桩基技术规范JGJ94-2008
[2]建筑地基基础设计规范GB50007-2002
[3]浙江省建筑标准设计结构标准图集《先张法预应力混凝土管桩》2002浙G22。

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