PHC管桩在湿陷性黄土地区的应用

梁争胜

（西安润基投资控股有限公司，西安 710068）

0 引言

高强度预应力混凝土管桩（PHC）因其具有单桩承载力高，抗弯、抗裂及耐冲击性能好，穿透力强，施工快捷、方便，质量稳定可靠等优点，被广泛应用于高层建筑及水利水电工程基础。

1 工程概况

本工程位于西安市长安区航天大道与雁塔南路十字东北角，地势呈东南低、西北高，地面最大高差9.80 m。场地地下水稳定水位深度为33.2～53.1 m。本场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷性土层29.5 m。湿陷性黄土的最大分布深度31.8 m，湿陷等级为II（中等）级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g，设计地震分组属第一组。建筑场地类别属II类。

拟建建筑物为25层剪力墙结构，先采用挤密土桩进行地基处理，消除全部黄土的湿陷性；然后采用钻孔灌注桩或管桩。采用墙下布桩，桩为摩擦桩。

本工程采用2种地基处理方案进行设计：

1）方案1。选用高强预应力混凝土管桩（PHC），桩型为PHC-AB500（125）-27a，考虑负摩阻力影响单桩有效竖向极限承载力应达到5200 kN，桩数97根。试桩建议采用锤击法沉桩工艺，按不小于50号筒式柴油锤，以控制桩长为主，控制贯入度为辅。如采用静压法沉桩工艺，也应以控制桩长为主，控制终止压力为辅，终止压力不小于5000 kN。接桩采用焊接，桩头锚入承台内50，在桩头内插入6Ф18(II级),长3.5 m，其中2.5 m锚入桩内并浇C30混凝土封堵。

2）方案2。采用灌注桩，桩长28 m，桩数96根。

2 场地工程地质状况

根据钻探鉴别，场区地层地基土主要特征描述见表1。

3 施工情况

根据勘察报告、施工场地周边环境可选择合适的沉桩机械，其施工机械分锤击机械和静压机械。

1）本工程地处郊外，施工机械采用ZYZ-660型全液压静压桩机和HB-62型筒式柴油锤（考虑到遵循重锤低击的原则）。为避免由于古土壤结核层的存在，沉桩难以达到设计长度。先采用压桩机送入第一节桩，焊接后再采用柴油锤锤击沉入第二节桩，沉桩长度以达到设计桩长为止。沉桩结果显示，桩头破碎和桩身破坏的桩数较多。

表1 场地地层分布及特性表

2）桩头、桩身破坏原因分析。①内因：桩身混凝土浇筑质量、钢筋型号、混凝土等级等是否满足承载力要求。②外因：a.施工中出现斜桩现象或桩端不平整而导致桩端应力集中，致使桩帽滑落或桩头爆裂。b.施工过程中施工人员擅自移动机架，对桩位、桩身垂直度进行校正，导致桩身断裂。c.沉桩中断时间过长。设备出现故障或其他特殊原因，沉桩过程突然中断。中断延续时间越长，沉桩时阻力就越大，致使桩无法沉到设计深度。d.接桩时，桩尖停留在硬土层内，若时间拖长，很可能不能继续沉桩。

经过对本工程实际施工过程综合分析，破坏原因主要归结为外因中c项与d项，后来两节桩全部采用柴油锤锤击沉桩，间歇时间短，废桩较少。

3）施工过程中对沉管终止条件的控制：一般来说，纯摩擦桩宜以设计桩长为控制条件；长度大于21 m的端承摩擦桩，宜以设计桩长控制为主，终压力值为辅。本工程桩为纯摩擦桩，以控制桩长为主，控制贯入度为辅。正常贯入度均为4 ～8 cm/10击，与《预应力混凝土管桩》图集03SG409中2 ～5 cm/10击有差异。对贯入度的差异可从工程地质状况（桩端为黄土，无坚硬的持力层岩体等）加以解释。

4 素土桩、管桩的试桩

4.1 桩间土湿陷性消除情况

素土夯扩桩有效桩长9.9 m，间距1 m，排距870 mm，成孔直径400 mm，夯扩后桩径500 mm，布桩形式为等边三角形，桩端持力层为④黄土。根据6个探井中所取原状土样的土工试验结果：夯扩桩处理深度范围内桩间土的湿陷系数为0.001 ～0.008，均小于0.015，表明湿陷性已全部消除。

4.2 单桩竖向抗压静载试验

本工程全部采用工程桩进行静荷载试验，在综合考虑了管桩平面分布、动测结果、施工状况等因素后，选取了3根工程桩进行试桩。3根工程桩的静载均是加荷至5200 kN，最大加载值对应的桩顶沉降量为17 mm左右，卸载回弹量8.6 mm左右。

3根试桩桩载试验的Q-S、S-lg t曲线见图1、图2。据图1、图2的曲线形态及变化趋势可以看出：1）在试验压力为5200 kN，其Q-S曲线呈缓弧形。2）S-lg t曲线在试验压力3120 kN前基本呈平行等间距分布，在3120 kN后曲线间距明显增大，各级荷载下沉降稳定较快。

图1 三根试桩曲线图

图2 三根试桩曲线图

综上，此管桩竖向抗压极限承载力标准值5200 kN，满足设计要求。

3）低应变动力检测结果。

3根试桩桩身波速范围为：4120 ～4240 m/s，平均波速4170 m/s，桩底反射明显，桩身结构完整，均为I类桩。

5 工程桩的检测

1）高应变动力检测结果：高应变检测仪器采用中国科学院武汉岩土工程力学研究所生产的FDP204PDA全封闭一体化动测仪,重锤采用6 t重锤锤击桩顶，使桩在强大冲击能量下瞬间产生“贯入度”，造成桩侧土摩阻力和桩间端阻力得到发挥，通过安装在桩上端距桩顶不小于2倍桩径处的加速度计和应变式力传感器及数据采集系统记录到桩顶的速度曲线和力曲线。采用PSP-WAP实测曲线拟合法进行分析计算单桩竖向极限承载力估算值。5根桩竖向极限承载力检测结果分别为：5400 kN，5420 kN，5330 kN，5330 kN，5350 kN。单桩极限承载力平均值为5366 kN，极差90 kN，小于平均值的30%，满足达到5200 kN的设计要求。

2）工程桩低应变动力检测结果：本工程选取26根管桩（约占总桩数的26%）采用应力波反射法进行低应变检测。通过对桩身的完整性（桩身断裂、桩身各节的连接情况）及桩体混凝土的质量（混凝土的胶结情况）的评价来判别桩基质量。检测结果显示，实测反射波波形规则，波列清晰，未见明显的桩身反射波异常，且均可观测到桩底反射波信号，表明这26根管桩桩身完整性及连接良好，未出现明显的桩身质量问题，均评为一类桩即良好桩。

6 桩型的经济比较

根据2个方案的地基处理设计，进行经济比较见表2。

从表2可以看出，每根管桩相对于灌注桩节约34%的费用，其经济性可观。

表2 管桩与灌注桩两方案对比表

7 结语

通过该工程的设计实践，从技术合理性、可行性和经济性等方面考虑，自重湿陷性黄土地区采用PHC管桩是可行的。同时，管桩在施工、设计过程中应注意以下问题：

1）施工工艺应根据勘察报告、施工场地周边环境等条件进行合理选择；同时要注意在施工过程中桩对较厚的坚硬土层难以穿越及桩未能达到设计标高等问题的处理。

2）加强施工过程控制，建议在湿陷性黄土地区管桩施工时加桩尖，以克服地基预处理。

3）在管桩施打过程中，最后贯入度的取值和压桩荷载、落距、桩长、桩的直径及地质构造等条件、桩端进入持力层的厚度、桩的承载力等因素有关，对此还须在实践中加以摸索。

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

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