谈预应力混凝土管桩处理地基

叶学民 蔡同俊

1 概述

预应力混凝土管桩是采用先张预应力，掺加高效减水剂，高速离心蒸汽养护工艺的空心圆筒细长的预制桩，将建筑物的荷载传给地基土的具有一定抗弯、抗压性能的受力杆件(如图1所示)。

预应力混凝土管桩具有单桩承载力高，设计选用范围广，施工速度快，工效高，工期短，桩体耐打，检验方便，地区适应性强，成桩质量可靠等优点。近十多年来，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。

2 预应力混凝土管桩的分类和施工

管桩按桩身混凝土强度等级分为预应力高强混凝土管桩(代号PHC桩)、预应力混凝土管桩(代号PC桩)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC桩)三种类型。其中PHC桩、PC桩按桩身混凝土有效预应力值或其抗弯性能大小由低到高依次分为A型、AB型、B型和C型四种。PC桩混凝土强度等级不应低于C60，PHC桩混凝土强度等级不应低于C80。PTC桩是PC管桩的一种，只是技术指标低一点，但在新的建筑10G409预应力混凝土管桩图集中已无该型号内容。

管桩一般采用专业厂家生产，技术要求应满足国标。管桩按外径分为300 mm～1 200 mm等规格，管壁厚60 mm～130 mm，视管径、设计承载力大小而不同。管桩节长一般不超过12 m，常用节长8 m～12 m。

管桩沉桩机械分锤击机械和静压机械两种。施工时应根据设计文件、工程勘察报告、施工场地周边环境等选择合适的沉桩机械。施工时先在工地上沉入第一节桩，再驳接第二节桩沉下去，然后驳接第三节桩，直至达到设计标高为止。锤击法沉桩机械通常采用柴油锤、液压锤，不宜采用自由落锤打桩机;静压法沉桩宜采用液压式机械，按施工方法分为顶压式和抱压式两种。工程中尽量减少接桩，接桩宜在桩尖穿过硬土层后进行，应避免桩尖接近硬持力层或桩尖处于硬持力层中接桩。上、下节桩拼接成整桩时，宜采用端板焊接连接或机械快速接头连接，接头连接强度应不小于管桩桩身强度。

3 预应力混凝土管桩的应用领域

预应力混凝土管桩可穿越各类软土、填土、一般粘性土、粉土、松散及稍密的砂性土，进入厚层老粘性土、碎石土、中密及中密以上砂类土、强风化岩以及中风化极软岩一定深度，当需穿过上述硬土层或进入硬土层较深时，应通过试验确定其适用性。当场地存在深厚淤泥、淤泥质土，且基础埋深较大时，应经过技术经济比较，确定预应力混凝土管桩基础的适用性。

预应力混凝土管桩不适用于含孤石和障碍物较多且不易清除的土层，也不适用于桩端以上存在难以穿透的坚硬土层的场地。不应将石灰岩、微风化岩及中风化硬质岩石作为桩端持力层，当硬质岩残积土及强风化层很薄且其上为松软土层时，也不宜采用预应力混凝土桩。当坚硬持力层上为深厚淤泥及淤泥质土时，管桩的长径比不宜大于60。

4 预应力混凝土管桩设计方法

1)单桩竖向承载力特征值计算。

单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定:

其中，Ra为按场地土计算的单桩竖向承载力特征值;Quk为单桩竖向极限承载力标准值;K为安全系数，取值为2。

当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算:

其中，qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;qpk为极限端阻力标准值;Ap为桩底端横截面面积(桩尖水平投影面积);u为桩身外周边长度;li为桩穿越第i层土的厚度。

2)预应力管桩复合地基承载力特征值:

其中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa;m为面积置换率;Ra为单桩竖向承载力特征值，kN;Ap为桩的截面积，m2;β为桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值;fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

5 预应力混凝土管桩应用实例

5.1 沪宁高速公路改扩建工程

沪宁高速公路改扩建工程中，在软土层埋深较大的路段以及该路段的桥头、通道部位采用了预应力混凝土管桩进行加固。管桩设计中，一般路段以预应力混凝土薄壁管桩(PTC)为主，混凝土强度等级采用C60，直径400 mm，壁厚70 mm;对于地层中存在双层软土且中部夹有硬土层(粘性土或砂层)的路段，采用PHC型高强预应力混凝土管桩，混凝土强度等级C80，直径400 mm，壁厚80 mm。预应力管桩桩位在平面呈正方形布置，桩中心间距2.5 m～3.0 m，管桩入土端部视需要决定是否采用桩靴。

根据沪宁高速公路起点试验路段研究表明，路基填土高大于4 m时，管桩中心间距采用2.5 m，路基填土高度不大于4 m时，管桩中心采用3.0 m。

当管桩打入地层后，在桩头增设桩帽，桩帽钢筋与伸入到薄壁管桩内的钢筋相连接，桩帽相当于一个小承台，对上部路堤起到承托的作用，管桩的设计间距L≤4 m时，采取140 cm×140 cm×30 cm的桩帽;L＞4 m时，桩帽尺寸为120 cm×120 cm×30 cm。当桩帽混凝土的强度达到设计强度后，再在其上铺设碎石垫层+土工格栅。桩帽施工完成后，摊铺40 cm碎石垫层，垫层内铺设两层钢塑土工格栅，格栅的铺设位置分别距碎石垫层顶10 cm及30 cm。

5.2 郑州至洛阳高速公路改扩建工程

郑洛高速改扩建工程中，管桩主要应用于路基填土较高路段和软弱土地基路段。采用直径40 cm、壁厚8 cm的预应力PC型管桩，桩间距在2.3 m～3.0 m左右，按正方形布置。管桩顶部设120 cm×120 cm×30 cm的钢筋混凝土桩帽，桩帽顶部设置30 cm厚碎石垫层，垫层中部设置单层钢塑格栅，从而增大桩体与垫层的接触面积，达到均匀桩顶应力、有效减小桩顶刺入量的作用。在单侧加宽填土较高路段(H＞6 m)，为了减小荷载对老路的附加应力，在边坡上也打设PC型管桩，横向间距3 m，纵向间距2.7 m。

5.3 郑州至漯河段高速公路改扩建工程

郑漯高速改扩建工程中主要对沿线桥头路堤、涵洞通道基底以及高填路段地基，采用PTC型预应力管桩进行处理。预应力管桩均按平行四边形布设，桩径为0.4 m，桩距为2.4 m，桩长为6 m～14 m，待桩帽施工完毕后，其上加铺一层双向钢塑土工格栅，后铺设30 cm的碎石垫层。

6 结语

近十多年来，预应力混凝土管桩已在我国的建筑工程中得到了广泛应用，也在多条高速公路和铁路工程中得到了大量应用。经过施工总结，采用预应力管桩施工具有施工工艺可靠、施工质量容易控制、施工便捷快速、综合经济指标合理等优点，它必将在高速公路的高填路段和特殊地基处理工程中被广泛应用。

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