谈预应力管桩设计的关键技术

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预应力混凝土管桩是体现了当代混凝土技术进步与混凝土制品高新技术水平的一种预制混凝土桩，与其他桩基础相比较，具有制作工艺简单、质量容易保证、植桩方便、耐打性能好、造价便宜、检测方便、施工速度快等优点。近２０多年来，预应力混凝土管桩在我国的生产与应用以惊人的速度迅猛发展，在南宁地区也应用得比较多，但是目前预应力混凝土管桩的研究明显落后于工程应用。南宁地区的工程地质有其特殊性，相应的预应力混凝土管桩在工程实践中必须有一些注意事项，不然就容易出现工程质量问题。本文是笔者负责的南宁地区的几个工程具体使用预应力混凝土管桩的关键技术的经验介绍。

１相思湖畔住宅小区预应力管桩基础

和思·相思湖畔住宅小区在南宁市西乡塘区相思湖北路，工程地质情况是场地覆盖层主要为第四系新近人工杂填土，第四系淤泥质粉质黏土，第四系更新统望高组冲积硬塑粉质黏土、可塑粉质黏土、软塑粉质黏土、圆砾、软塑粉质黏土、砾砂；下伏基岩为第三系（古近系）强风化泥岩、中风化泥岩组成。圆砾层是黄色，灰白色，密实，局部地段中密，饱和，成分主要为石英、砂岩、燧石等。低压缩性且厚度较大，层厚０．８０ｍ～２３．５０ｍ，是良好的静压桩桩端持力层，见图１。圆砾层的桩端阻力极限标准值为ｑｐk＝８０００ｋＰａ，粉质黏土的ｑｓｉk＝６０ｋＰａ，按照公式（５．３．３－１）［１］。计算出单桩竖向承载力特征值为７７０ｋＮ，远远小于南宁市的经验值。预应力混凝土管桩在施工过程中巨大的压桩力通过桩身作用于桩端土层，极大的改变了该处的力学性能，形成了一个压力球根。压力层层向下挤压，桩端土体反力随土颗粒密度、压缩模量、变形模量增大而增大，桩端以下土体及周围土体层层挤压密实并重新排列，形成一层超压密土层包围在桩端以下，大大的增加了桩端阻力，提高了单桩承载力，在桩身不被破坏的前提下，压桩力可以加得很大，从而得到的承载力也大［２］，甚至可以按照桩身强度控制设计，比如湖北省地方标准ＤＢ４２／４８９—２００８预应力混凝土管桩基础技术规程的７．４．３条“当桩端持力层为中密及中密以上砂类土、碎石土、硬塑和坚硬的老黏性土、风化岩，且持力层以下的土层承载力不低于持力层承载力时，宜以桩身强度控制设计，可采用压桩力或贯入度控制桩长。对以桩身强度控制设计的短桩，桩距宜适当加大。”这个设计理念可以取得显著的经济效益。本工程采用ＰＨＣ－４００－ＡＢ－９５预应力混凝土管桩，桩身混凝土强度等级为Ｃ８０，单桩竖向承载力特征值设计取值为１２００ｋＮ，比规范理论计算值高５６％。现在流行的旋挖桩因其机械扭矩大、速度快、钻透深度可进入硬岩而大受青睐。但是其缺点也是很明显，在其钻孔取土的过程就是桩周及桩底土体应力释放的过程，在巨大的钻头旋挖取土过程中甚至增加了桩端持力层的裂隙。这一施工工序降低了桩与土体的摩擦力与端承力，造成了桩承载力低、沉降量大。笔者负责的望州岭的某住宅小区使用的就是旋挖桩，后来静载检测都不合格，沉降大。旋挖桩的单桩竖向承载力一般高达５０００ｋＮ～１００００ｋＮ，不能像预应力混凝土管桩那样通过低成本的复压来提高单桩竖向承载力。本工程的电梯底坑处的预应力混凝土管桩的桩长仅５ｍ，易受周围桩施工的影响，后来静载检测不合格，通过简单的复压就可以了。静压预应力混凝土管桩的静压力一般取单桩竖向承载力的２倍～３倍，几乎就是“所见即所得”了，大大便利了单桩竖向承载力的判断。当然静压桩的单桩极限承载力与施工的终压力不能完全等同起来，有时候可以等同，大部分情况不能等同，因为两者是两个不同性质的力，但是又有一定的联系，广东对这两者的关系的研究花了较大的力气，得出了两者之间关系的经验公式如下列入了广东省标准ＤＢＪ／Ｔ１５－９４—２０１３静压预制混凝土桩基础技术规程中：而其他类型的桩都没有预应力混凝土管桩这种特点。中华人民共和国行业标准ＪＧＪ９４—２００８建筑桩基技术规范的５．３．１条规定“设计采用的单桩竖向极限承载力标准值应符合下列规定：１）设计等级为甲级的建筑桩基础，应通过单桩静载试验确定；２）设计等级为乙级的建筑桩基础，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合应通过单桩静载试验确定；其余均应通过单桩静载试验确定。”即桩基在未大面积施工前应该先进行单桩静载试验。而南宁地区的工程一般设计周期短，往往是设计工程师根据地勘报告使用公式估算单桩竖向极限承载力，然后在桩基施工完后再进行单桩静载试验进行验证复核。这样就有比较大的风险，像开盲盒一样，可能不满足设计要求的单桩竖向极限承载力，而预应力混凝土管桩就没有这个缺点，在施工第一根管桩时就基本知道该场地的单桩竖向承载力。

２荣和伍壹华府项目预应力管桩基础

南宁市荣和江城房地产开发有限公司在南宁市江南区规划路五富街和宣德路西北侧的荣和伍壹华府项目的基础采用静压管桩（型号：ＰＨＣ－ＡＢ５００（１２５），桩身混凝土强度等级为Ｃ８０，单桩竖向承载力特征值为１８００ｋＮ。桩端持力层为圆砾，局部为强风化泥岩，见图２，图３。南宁的泥岩是“岩不岩、土不土、似岩非岩、似土非土”的介于岩石和土之间的过渡类型，归属于软质岩石类［３］，是典型的胀缩性岩土，含有大量的亲水矿物，如蒙脱石、伊利石、绿泥石以及高岭石，具有显著的吸水膨胀软化、崩解性能。桩端持力层为强风化泥岩时就必须特别注意。常规工程措施有桩孔内灌Ｃ２５混凝土２ｍ高，阻止水由管桩空腔下渗。但是地下水还是有其他途径渗入到强风化泥岩中，即：１）压桩时沿桩身四周渗入；２）岩层起伏，坡面附近的卵石层的水直接渗入桩端持力层；３）部分管桩桩芯中的水有可能沿管桩内壁与封底混凝土的裂隙渗入桩端持力层［４］。采用混凝土填芯法不能完全解决水对管桩持力层软化的影响。可以引孔加大桩长增加桩侧阻力来弥补桩端土软化承载力下降的缺陷，或者单桩承载力的取值预留一定的富余度，复压（打）也是一种有效的应对方法。其实不管是预应力混凝土管桩还是常规的钻孔桩，甚至是勘察时的钻孔，都要注意孔底有水时软化桩端持力层的问题。

３南宁市测绘地理空间大数据中心及北斗卫星公共

服务平台项目预应力管桩基础

南宁市测绘地理空间大数据中心及北斗卫星公共服务平台项目位于南宁市五象新区金良路南侧、庆显岭路北侧，地层情况见图４。勘察报告推荐“考虑适用性、工期结合经济性，建议优先考虑采用静压预制桩，以②含砾粉质黏土层作为桩端持力层，其有效桩长应根据拟建筑物上部实际荷载进行验算且不少于６．０ｍ，并进入持力层一定深度；其次为采用旋挖钻孔灌注桩，以②含砾粉质黏土、③泥质粉砂岩或④砾岩作桩端持力层，桩端全断面进入持力层不小于１倍～３倍桩径，建议桩径０．８ｍ～１．５０ｍ。”施工图设计选用了静压管桩（型号：ＰＨＣ－ＡＢ５００（１２５）－Ｌ（Ｌ为桩长，桩长不小于２５ｍ），桩身混凝土强度等级为Ｃ８０，单桩竖向承载力特征值为１７００ｋＮ，要求桩端全截面进入②粉质黏土层不小于２０ｍ。后来具体施工时因为场地表层为素填土、杂填土，回填时间约为２ａ～３ａ，回填时未经专门性碾压，密实度差，评价其均匀性差。重达４５０ｔ的静压桩机无法施工，改为只有几十吨的锤击桩机施工。该工地位于郊区，无环境噪声问题。在预应力技术，高强度等级混凝土引入管桩之前，预制桩在吊装运输过程中因为偶尔产生的拉应力极易产生混凝土裂缝。吊装时的拉应力约２．１ＭＰａ，Ｃ４０的ｆｔk＝２．３９ＭＰａ，很接近混凝土的轴心抗拉强度。常用的预应力混凝土管桩ＰＨＣ－ＡＢ５００（１２５）的混凝土有效预压应力是６．１８ＭＰａ，远远大于吊装运输过程中产生的拉应力。管桩在生产过程施加预应力，是牺牲了６．１８ＭＰａ的抗压能力，但是Ｃ８０混凝土的轴心抗压强度标准值ｆck＝５０．２ＭＰａ，仅仅损失了１２．３％。预应力技术是先进技术，与混凝土结合后充分发挥了混凝土的抗压强度等级高的优点，弥补了抗拉强度等级低的缺点。锤击管桩在施工时在桩顶受到冲击压力，压应力波经桩底反射会形成拉力波从而产生拉应力。该拉应力高达５．０ＭＰａ～５．５ＭＰａ［５－６］。所以在锤击施工时应该选用混凝土有效预压应力比较大的型号管桩。

４南宁岩溶地区使用预应力管桩的技术注意点

在南宁的五象新区、武鸣区、吴圩机场一带均有岩溶分布。根据２００９年１１月６日南宁市建设委员会的文件《关于加强预应力混凝土管桩质量管理的通知》（南建管［２００９］４０号）的规定，建设场地地下有岩溶地区的禁止采用预应力混凝土管桩。中南地区工程建设标准设计图集２０ＺＧ２０７预应力高强混凝土管桩中“当桩基础持力层为硬质岩时慎用，为石灰岩时禁用。”但是在工程实践中，具体问题具体分析，不能一棍子打死，广东广西岩溶地区已经有不少使用预应力混凝土管桩的工程实例。一般情况下岩溶地区采用冲孔灌注桩，但冲孔灌注桩施工中遇到的问题不少，掉锤，卡锤。未知的溶洞深度，有的灌几百包水泥都没成功，还有数目众多的超前钻要求。后来出现了大扭矩的旋挖桩机可以入岩，但是施工速度慢、费用高。如采用静压沉桩，桩尖是慢慢接触岩面的，如果岩面较平坦，静压管桩基本不会破损，但石灰岩岩面大多都是起伏不平，如果仍然采用常规的静压方法，压桩的破损率就会达到４０％。若采用一些特殊技术和措施，静压桩在石灰岩地区就能获得成功，即从设计理念上讲，要采用“小桩多桩”的理念［７］，即单桩的承载力设计值不能太高，一个承台内布置多桩群桩，这样即使有一两根有问题，也不至于影响整个承台的受力和稳定。另外，桩尖也很有讲究，不要采用常用的平底十字型桩尖，应采用Ｈ型或井字型带有多齿的钢桩尖，增加抓岩能力，减少桩尖遇斜岩时偏斜，这样容易立住脚跟不打滑。压桩时，只要体会到桩尖接触到岩面后就立即停止施压，“零距离接触”。当桩施压好时，可立即在管桩内腔底灌１．５ｍ～２．０ｍ高的加微膨胀剂的Ｃ３０细石混凝土封底，目的是当桩尖在压桩至岩面有损坏时，保证桩身（桩端）能有足够的强度，并按偏心１／４d的偏压构件验算桩端强度，保证桩基安全。

５结语

通过以上几个南宁地区预应力管桩基础工程实例，介绍了预应力管桩单桩承载力的取值，泥岩遇水软化问题，锤击桩的拉应力问题，岩溶地区使用管桩等关键技术经验，供同行借鉴与参考。

参考文献：

［１］中国建筑工业出版社．建筑桩基技术规范：ＪＧＪ９４—２００８［Ｓ］．中国建筑工业出版社，２００８：３０－３０．

［２］张明义．静力压入桩的研究与应用［Ｍ］．北京：中国建材工业出版社，２００４：１７．

［３］卢玉南．广西新近系和古近系泥岩工程地质特征［Ｊ］．广西城镇建设，２０１４（１１）：１３９－１４３．

［４］徐至钧，李智宇，张亦农．预应力混凝土管桩设计施工及应用实例［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００９：１５７．

［５］刘华明，史晓辉．预应力管桩在湿陷性黄土场地应用实例［Ｊ］．山西建筑，２０２１，４７（７）：９１－９３．

［６］方兆麟．预应力混凝土桩打桩拉应力试验研究［Ｊ］．水运工程，１９７９（８）：１－６．

［７］广东省土木建筑学会．静压预制混凝土桩基础技术规程：ＤＢＪ／Ｔ１５－９４—２０１３［Ｓ］．北京：中国城市出版社，２０１３：８８．

作者：冯江泉 施礼德 张海义 单位：南宁市建筑规划设计集团有限公司