预应力混凝土管桩在筒仓基础工程中的应用

刘泽坤

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

钢筋混凝土筒仓是用来贮存粮食、饲料等粒状、粉状物料的构筑物，目前广泛地应用于粮食仓储、加工行业，因其高度大、荷载重的特点，基础型式一般采用桩基础；预应力混凝土管桩作为桩基础的一种重要类型，因其产品质量好、单位造价低、抗震性能好、施工快捷方便、适应范围广等诸多优点在筒仓基础工程中得到了广泛的应用，在各种桩基础型式中己占主导地位。本研究结合相关国家规范、行业标准及工程实际资料，总结预应力混凝土管桩在筒仓基础工程应用中的注意事项，并对筒仓基础工程中如何安全适用、经济合理地应用预应力混凝土管桩提出建议。

1 管桩基础的设计

1.1 管桩适用范围

管桩的桩径一般在300～700 mm，属于小直径桩型，一般桩端阻力较小，使用时基本按摩擦型桩基考虑，上部荷载主要由桩侧阻力来承受；管桩的桩侧阻力主要来源于管桩与桩侧土层之间由于挤密效应而产生的摩檫力，如果桩侧土层主要为淤泥、淤泥质土等软土时，管桩与桩侧土层之间挤密效应不明显，摩檫力很小，不建议采用。

管桩的桩长一般在7～15 m，桩基持力层较深桩长不足时，需要进行接桩处理；管桩接桩接头一般采用端板焊接连接，现场施工时质量难以把控，此部位为管桩的薄弱环节，承受水平力和拉力时效果不佳，所以相对于其它桩型，管桩在作为抗剪桩和抗拔桩使用时应谨慎对待。

1.2 筒仓管桩单桩承载力特征值的确定

根据筒仓规范规定，筒仓的地基基础设计等级为乙级，筒仓的单桩承载力特征值应通过单桩静载试验确定。试桩数量建议按单个筒仓考虑，每单个筒仓不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根，当预估桩数少于50根时，不应少于2根。试桩时应加载至破坏，最后根据试桩检测结果确定筒仓管桩单桩承载力特征值[1]。

1.3 筒仓管桩基础布置

根据桩基规范规定，基桩的最小中心距在饱和黏性土层中应大于4.5 d(d是桩基直径)，在非饱和土、饱和非黏性土层中应大于4.0 d[1]；一般筒仓荷载比较大，仓下桩数比较多，排列也比较密集，建议有条件时可适当加大桩基间距，更有利于单桩承载力的发挥。

根据筒仓基础形式，筒仓桩基布置一般选用环状布置，从中心向外圈数量逐步递增；同时，为满足地基基础抗倾覆要求，应保证筒仓最外圈桩基中心线超过筒仓仓壁外边一定距离，典型筒仓桩基布置方案详见图1。

1.4 变刚度调平设计在筒仓基础工程中的应用

筒仓上部荷载分布一般内大外小，在上部荷载作用下基础的沉降一般中间大、周边小。如果按照在筒仓下方均匀布设长度、直径相同桩基的设计方式，桩基刚度均匀，但是桩基顶部反力分布呈马鞍形，内侧桩基的反力较大，边缘桩基的反力较小，桩基受力和沉降存在着分布不均匀的现象。

为减少筒仓基础的差异沉降，调整筒仓基础的内力分布，可采用变刚度调平的设计思想进行桩基设计，按照内强外弱的原则布置桩基：筒仓核心区的桩基间距减小或者筒仓核心区的桩基长度加大，以增加核心区桩基的刚度，减少筒仓核心区与周边的差异沉降，使筒仓基础受力更均匀。

2 施工

2.1 锤击法

锤击法是管桩沉桩常用的一种方法，优点是打桩机重量轻，对场地的地基承载力要求不高，打桩机通过性能相对较好，特别适合软土地区的桩基施工；另外，由于沉桩采用的是冲击荷载，管桩能够穿透较厚的砂层或砾石层，对入土深度要求高的工程更适用；其主要设备有桩架、桩锤、动力设备等，桩锤的选择是其重点，桩锤选用见表1。

表1 桩锤选用表[1]

锤击沉桩除与锤击能量有关外，还受桩身结构强度、桩群密集程度、打桩顺序等多种因素制约，尤以桩端持力层土的工程性质影响最大，桩端土层越硬，桩尖压应力越大，桩端土层越软，桩身拉应力越大，故选择桩锤时必须掌握准确、可靠的地质资料。

锤击法沉桩控制有两个原则：其一是桩端必须达到设计标高，进入桩端持力层一定深度，其二是通过贯入度控制持力层的强度应达到设计要求；实际工程中桩端为坚硬土层时，例如硬塑黏性土、碎石土、中密以上砂土、风化岩层等，可以贯入度控制为主，标高为辅；桩端为软土层时，可以标高控制为主，贯入度供参考[3]。

2.2 静压法

静压法是利用静力压桩机在静压作用下的沉桩方法，压桩时利用静压机的自重，通过液压装置将桩压入土中；优点是噪声小、无振动、无污染、施工速度快，可以连续施工缩短建设工期；另外，由于送桩器与工程桩桩头接触面吻合度高，送桩器在送桩过程中不会晃动和跳动[4]，送桩深度大，基槽开挖后桩基截桩量少。

静压桩的终压条件应根据管桩类型及施工现场工程地质条件等因素综合确定；对于端承型桩基，在桩端进入持力层后，应以终压力控制，对于摩擦型桩基，应以桩长控制为主，终压力控制为辅；终压力应大于单桩极限承载力标准值，稳定压桩时间应控制在5～10 s，复压次数应根据桩长控制在2～5次。

2.3 压桩顺序

筒仓由于上部荷载较大，大部分桩基础均为满堂布桩，桩间距较密，所以施工时不宜采用由四周向中心的压桩顺序，因为这样会限制桩侧土向外的侧向变形，容易造成大面积桩侧土体隆起，加大施工断桩的可能性[5]；建议采用由中心向外、对称逐圈完成的压桩顺序，这样施工时是由中心向四周均匀地挤土,桩侧土压力逐步减少,能够有效地控制先沉桩的涌起量。

3 工程桩验收检测

管桩全部施工完毕后应进行工程桩的验收检测，验收检测主要包括承载力检测、桩身质量检测、斜桩倾斜度检测、桩位偏差检测4项。承载力检测是采用静载试验的方法检验工程桩单桩竖向抗压承载力，检测数量为每个筒仓总桩数的1%且不少于3根；桩身质量检测常采用低应变法，抽检数量每个筒仓不应少于总桩数的20%，且不应少于 10 根；筒仓管桩倾斜度和桩位偏差检测应在开挖基坑后进行，倾斜度检测数量不应小于总桩数的5%，偏差不应大于倾斜角正切值的15%，桩位偏差应全部检测，并应符合表2要求[1]。

表2 桩位偏差表

4 检测不合格桩基的处理措施

(1)当低应变检测中发现Ⅱ、Ⅲ类桩时，应采取以下处理措施：

①当桩身缺陷部位在浅部时，应根据场地工程地质条件进行开挖检查处理，截除缺陷部位以上的桩身，再次进行低应变及桩身倾斜度检测，如果检测结果满足规范要求，对截桩后桩基进行接桩处理；接桩处理时，应将桩基外包混凝土延伸至接桩断面处以下至少一倍桩身直径且不应少于0.5 m，混凝土强度等级不应低于C30且应满足桩基承载力要求，外包混凝土的外径应大于桩身直径加300 mm，箍筋可采用φ8@100 mm，纵向钢筋配筋率不宜小于0.6%；另外，应在管桩内孔采用强度等级不低于C30 的混凝土进行灌芯处理，灌芯长度自接桩断面处算起不应小于1.2 m[2]。

②其他情况的Ⅱ、Ⅲ类不合格桩，应在管桩内孔采用强度等级不低于C30的补偿收缩混凝土进行灌芯处理；当桩基为封闭式桩尖时，灌芯长度应为桩基全长，当桩基为开口式桩尖时，灌芯长度可为桩顶至缺陷部位断面处以下2 m[2]。

③以桩身强度控制或受力较大的Ⅲ类不合格桩经处理后应重新进行单桩承载力检测，检测数量不应少于2根[2]。

(2)当检测发现倾斜度偏差不合格的管桩时，应对全部管桩进行倾斜度检测，并应对倾斜度大于1%的管桩进行低应变检测；倾斜率大于3%的管桩应作为废桩处理，重新补桩；倾斜率在1%～2%及2%～3%的管桩应分别进行各自不少于2根的单桩静载荷试验，将由试验得出的单桩承载力乘以折减系数，作为该批次管桩的使用依据；另外，如发现桩身有质量缺陷，还应在管桩内孔采用强度等级不低于C30的补偿收缩混凝土进行灌芯处理，当桩基为封闭式桩尖时，灌芯长度应为桩基全长，当桩基为开口式桩尖时，灌芯长度可为桩顶至缺陷部位断面处以下2 m[2]。

(3)当检测发现桩位偏差超限的管桩时，应根据桩基实际位置重新核算该基础下每根工程桩的承载力，如承载力不满足规范要求，应作补桩处理；另外，如果桩基偏位向内，导致偏位桩与周围桩基桩间距小于规范限值，应根据桩基影响范围(以最小桩间距为直径的圆)重叠面积的比值确定该范围内桩基承载力的折减系数，对该范围内的桩基承载力进行折减，重新核算承载力。

5 结论

从设计、施工和检测等方面分析了预应力管桩在筒仓基础工程应用中的注意事项，得出以下几点：

(1)筒仓地基基础设计等级为乙级，单桩承载力特征值应通过试桩确定。

(2)筒仓桩基布置宜选用环状布置，从中心向外圈递增。

(3)筒仓基础采用变刚度调平的设计思想进行桩基设计，按照内强外弱的原则布置桩基，可减少筒仓核心区与周边的差异沉降，使筒仓基础受力更均匀。

(4)管桩的施工应根据场地工程地质条件选择合适的施工方法并注意施工机械的选型。

(5)应重视桩基的检测，并根据检测结果对不合格桩基进行有效处理。