预应力管桩复合地基在水利工程中的应用

倪言波

预应力混凝土管桩具有单桩承载力高、桩身耐锤击性好、穿透力强、施工速度快、造价低等优点，广泛应用于工民建、铁路、桥梁、码头等工程中。由于预应力混凝土管桩水平承载力相对较低，目前主要应用于水平承载力要求较低的水利工程中，难以在具有较大水平力的水利工程地基处理中得到应用。

一、预应力管桩复合地基的提出

1.预应力管桩复合地基布置

预应力管桩复合地基由素混凝土垫层、水泥土褥垫层及预应力管桩组成。其中素混凝土垫层厚10cm，强度等级同建筑物底板强度等级；水泥土褥垫层厚度一般可取20～60cm，水泥掺入比8%～12%，具体厚度及水泥掺入比可根据工程实际情况确定；预应力管桩顶部不再嵌入底板，而是嵌入水泥土褥垫层10～30cm，且管内顶部1.5～1.8m范围配置受力钢筋及环筋，浇灌C25混凝土，增强管桩水平承载力和顶部抗弯性能，具体布置见图1。

2.预应力管桩复合地基设计

首先，初步拟定复合地基预应力管桩桩径、桩间距，根据拟定的桩径、桩间距计算管桩承载力特征值，计算公式如下：

图1 预应力管桩复合地基布置图

表1 底板以下土层平均厚度表（单位：m）

式中：

fspk——复合地基承载力特征值；

m——面积置换率；

Ra——桩承载力特征值，kN；

Ap——桩端截面积，m2；

Β——桩间土承载力折减系数；

fsk——天然地基承载力特征值，kPa。其次，根据计算的桩承载力特征值确定桩长，再调整预应力管桩桩径、桩间距，重复上述过程，得到多个成果进行比选，得到最佳的预应力管桩桩径、桩间距及桩长。桩长计算公式如下：

式中：Ra——桩承载力特征值；

μp——桩周长，m；

qsik——桩周第i层土侧阻力标准值；

qpk——桩端土层端阻力标准值；

α——桩端天然地基土承载力折减系数；

Ap——桩端截面积，m2；

Li——桩在第i层土的桩长；

K——安全系数。

再通过地基沉降计算复核所确定的预应力管桩桩径、桩间距及桩长是否满足地基沉降要求，计算公式如下：

式中：ψ——沉降计算经验系数；

ψE——桩基等效沉降系数；

zi——基础底面至第i层的距离；

p0——基础底面的附加压力，kPa；

Esi——各层土的压缩模量。

最后，根据建筑物各工况的水平合力及管桩布置情况计算单个预应力管桩水平力，根据单桩水平力，采用“m”法计算管桩的最大弯矩值，与预应力管桩抗弯强度比较。由于管桩顶部配置了受力钢筋和环筋，浇灌了C25混凝土，增强了管桩的水平承载力和抗弯性能，因此，计算的弯矩值小于管桩允许抗弯值即可，不需再考虑安全系数。

表2 桩基础设计参数表

二、工程实例

淮安市里运河防洪控制工程楚州控制工程采用闸站桥三结合方案：节制闸闸室为开敞式平底板结构，1孔，净宽30m，采用底轴驱动下翻闸门，底板顺水流方向长34m；泵站底板顺水流向总长34m，垂直水流向总长26m，对称布置于水闸两侧；交通桥布置在水闸和泵站上，桥面高程16.4m，宽34m。

站身持力层高程为0.10~1.00m，闸身持力层高程为－0.80~1.20m，位于第5层淤泥质粉质粘土或淤泥质粘土上，该层土固结快剪指标为Φ=13°，C＝9kPa，流塑状，低强度，压缩性高，工程性质差，地基允许承载力为70kPa，其下卧层为第6层粉质粘土、重粉质砂壤土，第7层为粉质粘土，低压缩性，为良好的下卧层。底板以下土层平均厚度见表1。

根据稳定计算成果，泵站、水闸平均地基反力大于持力层地基允许承载力，不满足地基强度要求，由于工期紧、施工场地受地形限制，拟采用预应力管桩复合地基处理。经计算比较，桩基础采用直径0.4mm，桩间距1.8m，桩长10m的预应力PHC管桩。水闸地基最大沉降量为5.20cm，泵站地基最大沉降量为7.22cm，满足三维有限元计算提出的地基沉降不大于8.0cm的要求。泵站、水闸最大单桩水平力分别为36.4kN、48kN，最大弯矩为 47.47kN·m、62.59kN·m，小于管桩的允许抗弯值。褥垫层厚度为20cm，水泥掺入比为10%，局部根据实际情况有所增加。预应力管桩设计参数见表2，预应力管桩半平面布置图见图2。

三、结论

预应力管桩复合地基通过在管桩顶部1.5~1.8m范围配置受力钢筋及环筋，浇灌C25混凝土，增强管桩的水平承载力和抗弯性能，设置褥垫层，桩头嵌入褥垫层10~30cm，分担作用在管桩上的水平力，较好地解决了管桩水平承载力较低的问题，使预应力管桩在水利工程中的应用成为可能，且预应力管桩复合地基在施工场地受限制、工期紧的水利工程中应用前景广阔■