预应力管桩在不同土层中的应用分析

陈越华 福建省环境保护设计院有限公司工程师

20 世纪80 年代末，预应力混凝土管桩（以下简称“管桩”）在我国建筑工程开始应用，发展至今，设计及施工都积累了较多经验。相较其他桩型，PHC管桩即预应力高强度混凝土管桩具有桩承载力高、施工速度快、环境污染小、成本控制合理、长度易于调整、质量相对可靠、方便监测、单桩价格便宜、使用范围广以及节约时间等优点[1]。

正因为有如上优点，管桩在建筑工程中得到广泛应用，设计及施工越发成熟。但是设计单位在基础选型及设计时，仍然会因为经验不足或者惯性思维而导致将关键性参数设置错误，造成安全隐患。本文将列举3 个工程案例，每个工程初终稿基础设计均为管桩，逐一对其土层进行探讨并进行经验总结，希望引起更多专业人员关注，为类似项目管桩基础设计提供帮助。

1 管桩单桩承载力计算

管桩单桩竖向极限承载力计算参照的主要规范、规程及图集有《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）、《 先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》（DBJ13-86—2007）、《先张法预应力高强混凝土管桩》（闽2012-G-124）以及《预应力混凝土管桩》（10G409），其计算主要过程如下。

《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）第5.3.5 条中，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，对应的计算公式为：

式中，Quk为单桩竖向极限承载力标准值，Qsk和Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值，u、l、Ap分别为桩身周长、桩周第i层土的厚度以及桩端面积，qsik和qpk为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值。

式（1）可求得Quk，即土层能提供的单桩竖向极限承载力标准值，将Quk除以2 即为单桩竖向承载力特征值Ra。

《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）及《预应力混凝土管桩》（10G409）规定桩身轴心受压承载力应符合：

《预应力混凝土管桩》（10G409）中可以按表查询不同直径及壁厚管桩对应的桩身轴心受压承载力设计值，根据工程地质构造条件，将管桩桩身竖向承载力设计值RP除以1.35 作为单桩竖向承载力特征值Ra。

经过上述两个步骤确定单桩承载力特征值Ra，取小值后作为单桩承载力特征值进行结构设计。相关研究表明，管桩可以应用在软土层、砂土层、粘土层以及风化岩基层等地质条件环境下[2]。福建地区由于基岩埋藏较浅，上覆软土提供的桩侧负摩阻力有限，若按现行规范公式计算，则Ra较低，尤其对于一些中短桩，承载力过于偏小。若按此设计，则将造成极大浪费，也不合理。事实上，当桩端进入风化岩层后，桩尖附近的强风化岩层岩体承载力得到提高。经过静载试验验证，当锤击施工选用合适的锤重及落距等控制参数，并以“贯入度及桩长双控，以贯入度控制为主，桩长为铺，最后控制贯入度，最后3 阵，每阵10 击，贯入度为每10 击20 ～30 mm”作为收锤标准时，单桩承载力能达到桩身承载力。

管桩设计时，单桩承载力的取桩身承载力并留有一定余量的情况较为多见。因此，要给一些结构设计人员造成一种“管桩设计，单桩承载力即取桩身承载力，桩基施工时均以贯入度来控制收锤标准”的惯性思维，即“锤击锤至下不去”，这种惯性的思维将给基础设计带来安全隐患。

2 管桩施工质量控制措施

2.1 桩尖配备

预应力管桩图集中，桩尖有十字型、开口型以及圆锥型3 种，其中以十字型桩尖最为常见。桩身需要穿越砂层时，开口型和圆锥型桩尖效果比十字型好。在工程实践中，通过合理选用筒式柴油打桩锤，采用锥型钢桩尖、预钻孔沉桩，可以穿透较厚的中密的砂层和圆砾层，能满足φ600 mm 管桩桩端持力层为强风化岩层的条件[3]。而开口型桩尖成桩后桩体空腔内部有1/3～1/2长度被土体填充，从土体闭塞效果来看，对单桩承载力没有影响，但是可以减少挤土作用的影响。封口型桩尖成桩后，可利用桩身内腔检验桩身质量及长度。特别是当持力层遇水会软化，施打后持力层可能进水时，桩尖型号的选择就更为重要。

2.2 收锤标准确定

收锤标准主要指标是最后贯入度、最后1 m 锤击数以及桩尖进入持力层深度等。工程地质条件、单桩承载力特征值、柴油锤的锤重等因素都直接影响收锤标准。此外，工程条件跟桩种类不同，主要指标也不尽相同。作为摩擦桩，原则上收锤标准是以设计桩端标高和桩长作为主要控制指标，而端承桩则是以最后的贯入度作为主要控制指标。

通过试桩取得的贯入度、施工记录、地勘报告以及参考相关技术规范等控制施工质量的依据，通过试打桩确定收锤标准将直接影响管桩施工质量[4]。

2.3 合理安排基坑开挖顺序

在土方开挖时，若管桩两侧存在土体高差或施工设备在管桩一侧进行作业，都将对土体产生一定的水平力，会造成管桩倾斜或断桩，其主要原因主要包括以下两点。一是土方开挖时管桩两侧土体出现高差滑坡，二是挖掘机和装载车辆等直接作用于淤泥层中，淤泥层在垂直方向受力后会沿水平方向挤出，出现滑移或坍塌[5]。由于管桩抵抗水平力能力相对较差，管桩施工完毕后，在其上或周围开挖基坑或基槽时，应事先制定合理的施工方案，合理安排基坑开挖顺序，保证边坡土体稳定性的同时，保证管桩不至于承受过大的土体压力。

3 工程实例

3.1 福清元洪国际食品展示交易中心二期

根据地质勘察报告(见图1），该工程土层分布是典型的由软及硬缓慢过渡，自上而下土层分别为杂填土（约6 m）、残积砂质粘性土（约4 m）、全风化花岗岩（约3 m）、砂土状强风化花岗岩（约22 m）、碎块状强风化花岗岩（约8 m）、中风化（未揭穿）。

图1 福清元洪国际食品展示交易中心二期地质剖面

基础设计的概况为单柱最大荷载约10 000 kN，管桩型号PHC-AB500（125），桩端持力层为碎块状强风化花岗岩，采用十字型桩尖，沉桩时以贯入度及桩长双控，以贯入度控制为主，桩长为辅，单桩承载力特征值Ra=2 500 kN（桩身竖向承载力设计值3 701 kN）。

3.2 福州连江某项目

该项目单柱最大荷载约6 000 kN，根据该项目的地质勘察报告剖面图（见图2），中风化凝灰熔岩上存在砂土状强风化凝灰熔岩，但该土层较薄，上覆存在中砂层且淤泥软土较厚。理论上管桩方案依然可行，出于经济性及工期考虑，设计参数与福清元洪国际食品展示交易中心二期完全一致，桩端持力层选择砂土状强风化凝灰熔岩。

图2 福州连江某项目地质剖面

施工单位在试打桩过程中，频繁出现断桩现象，给施工带来了极大困难。勘察、设计、施工单位共同商讨并结合《福建省建筑结构设计若干规定》中的规定，在桩端持力层为强风化岩，且桩端持力层以上土层均为淤泥质土层、淤泥层等软弱土层时，不应使用预应力混凝土管桩，认为断桩主要是由于砂土状强风化持力层较薄，锤击桩施工，管桩易穿透，而管桩无法进入中风化凝灰熔岩层，加之其上覆土层中砂层厚度有限，提供给管桩的抱覆作用更有限而造成。于是，笔者当时所在设计单位将管桩设计方案更改为灌注桩设计方案，以中风化凝灰熔岩作为桩端持力层重新进行基础设计。

3.3 温州苍南某项目

据地质勘察报告，该工程地质分布极为均匀，自上而下土层分别为粘土（约2 m）、淤泥（约9.6 m）、淤泥质粘土（约8.1 m）、卵石（揭示厚度约5 m，未揭穿）。

该项目基础设计的单柱最大荷载约为2 000 kN，管桩型号PHC-AB500（100），桩端持力层为卵石，设计要求采用十字型桩尖，沉桩时以贯入度及桩长双控，以贯入度控制为主，桩长为辅，单桩承载力特征值Ra=1 350 kN（桩身竖向承载力设计值3 158 kN）。

根据经验，这样的地层情况非常适合采用预应力混凝土管桩基础。但施工单位在试打桩过程中，经常出现桩端穿透卵石层而无法收锤的情况，结构设计人员无法判断桩端持力层的情况，从而给结构带来了安全隐患。在勘察、设计、施工单位共同商讨后，将沉桩收锤标准修改为以贯入度及桩长双控，以桩长控制为主，贯入度为辅，进入卵石深度不小于1 m 且不大于2 m，降低单桩承载力进行基础设计。经复核后，整个基础设计增加少量桩数，可以大幅减少总桩长，节省造价，同时做到设计有所依据。

4 管桩设计注意点

通过以上3 个实际工程项目，结构设计人员进行预应力混凝土管桩基础设计时，需要注意以下几点。首先，勘察是设计的前提。对于外地项目，在工程地质不熟悉的情况下应该与勘察单位充分沟通，了解当地的设计常规做法，切忌惯性思维，否则容易留下安全隐患。其次，填土中若存在孤石，应摸清孤石埋深，浅层孤石可以考虑钻机引孔、预钻孔等措施辅助沉桩，并充分论证管桩可行性，而不是直接给予否定，增加基础造价。最后，预应力混凝土管桩锤击施工时，若从松软土层突变到特别坚硬的地层则应谨慎使用，由于中间缺少一层“缓冲层”，打桩破损率极高，必要时可进行试沉桩。当发现管桩确不适合时，应立即更换基础设计方案。

5 结语

预应力高强混凝土管桩的工艺技术发展至今已经非常成熟。设计时应充分理解地层，结合当地基础设计经验，研究探讨管桩成桩可行性，必要时在基础选型前进行试打桩，以确定合理的终沉桩标准。工程实践中，尽管再成熟的工艺技术，设计时都应具体问题具体分析，切不可经验主义。