回填土地基PHC管桩方案设计变更案例分析

蔡 雷 周喜武 胡继成 吴培强 曹善宇

一、前言

在水利工程中，建筑物经常布置在回填土上，回填土地基因其沉降变形较大、承载力不高，布置在回填土地基上的建筑物通常需要进行地基处理。PHC 管桩因其施工便捷、施工周期短而广泛应用于回填土地基处理中。在工程初步设计阶段，通常采用规范推荐的经验公式计算桩基承载力；在工程施工阶段，通过现场静载荷试验对桩基承载力进行验证，保证桩基的实际承载能力能够满足设计要求。

在采用规范经验公式计算桩基承载力时，桩周土体的极限侧阻力参数和极限端阻力参数的取值准确与否直接影响桩基承载力计算的准确性，并最终影响桩基设计方案。由于桩侧和桩端极限阻力参数取值各地差异较大，规范建议其取值应由当地静载荷试验结果统计分析得出。对于回填土地基，桩侧和桩端极限阻力参数的取值可参照的工程实例较少，较难准确取值。若桩侧和桩端阻力参数取值偏小，则设计桩长将偏大，工程试桩结果承载力可满足要求，但安全储备过大，造成浪费；反之，若桩侧和桩端阻力参数取值偏大，则设计桩长将偏小，工程试桩结果承载力不满足要求，需重新调整桩基设计方案后再进行试桩，不仅增加了试桩数量和费用，而且影响施工工期。本文通过分析不均匀回填土地基上PHC 管桩方案设计变更实例，给出了回填土地基PHC 管桩桩周土体极限侧阻力参数和极限端阻力参数的取值建议，可供同类工程设计参考。

二、地基处理方案

该工程变电所房屋布置于部分原状土、部分回填土地基上，房屋采用框架结构，共3 层，建筑面积1510m2，建筑高度17.2m。变电所房屋底板底高程27.5m（废黄河高程基准，下同），现状地面高程19.5～28.0m，高差较大，低洼部分采用粘土回填加高。房屋地基土层分布情况详见图1，各土层物理力学参数详见表1。

表1 变电所地基土层物理力学参数表

图1 变电所地基土层分布及试验桩布置图

为满足地基承载力要求，变电所房屋地基采用先张法预应力管桩（PHC）进行处理，具体方案为采用多桩承台布置，桩基承台上布置框架柱，承台间设置连梁。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），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，可按下式估算：

式中：qsik—桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值；

qpk—极限端阻力标准值；

li—桩周第i 层土的厚度；

Ap—桩端面积；

u—桩身周长。

根据地基土层分布及上部结构布置情况，采用上述公式进行计算分析，初步确定PHC 管桩桩径0.5m，设计桩长16.0m，桩端进入第（4-1）粉质粘土层。考虑本工程桩身有效长度部分位于回填土层中，土体固结可能使桩侧产生负摩阻力，按规范估算，单桩竖向承载力特征值为600kN，单桩负摩阻力标准值为100kN，试验单桩竖向极限承载力标准值为1300kN。

三、桩基竖向静载荷试验

（一）试验要点

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），单桩竖向静载荷试验的加载方式，应按慢速维持荷载法。加载可采用锚桩或堆载法进行。开始试验的时间：预制桩在砂土中入土7 天后；粘性土不得少于15 天；对于饱和软粘土不得少于25 天。灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。加载分级不应小于8 级，每级加载量宜为预估极限荷载的1/8～1/10。

单桩竖向极限承载力应按下列方法确定：当荷载～沉降（Q～S）曲线陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值；Q～S 曲线呈缓变型时，取桩顶总沉降量S=40mm 所对应的荷载值；对于细长桩（L/D ＞80）和超长桩（L/D ＞100），一般可取S=80～100mm 对应的荷载值；对于大直径钻孔灌注桩，取S=0.03～0.06D（大直径取低值，小直径取高值）所对应的荷载为极限承载力。

（二）试验结果分析

变电所房屋地基部分为原状土、部分为回填土，地基土层分布变化较大。原地基处理方案PHC 管桩设计桩长16m、桩径0.5m。工程现场共选取了3 根16m 长的试验桩进行单桩竖向静载荷试验。试验桩及地基土层的分布如图1所示，其中1#桩均位于原状土中，2#桩约4.0m 长桩身位于回填土层中，3#桩约7.0m 长桩身位于回填土层中。因3#桩在未到达设计极限承载力时桩周土体发生破坏，所以现场又采用长度为18m 的桩（4#桩）补充进行了静载荷试验，试验结果单桩极限承载力满足设计要求。

根据现场静载荷试验所得到的数据，经校核、汇总后绘制荷载～沉降（Q～S）曲线如图2所示，单桩竖向静载荷试验成果表如表2所示。从图2可知，1#、2#和4#试桩的Q～S 曲线基本呈缓变型，未出现明显的陡降段，且在荷载加至最大值时，其最终沉降介于10.09～14.55mm 之间，说明最大加载值未达到单桩极限承载力，根据上述单桩极限承载力的确定方法，可得出以上3 根试桩的极限承载力均为1300kN。3#试桩的Q～S 曲线出现了明显的陡降段，取相应于陡降段起点的荷载值1170kN 为3#试桩的极限承载力。

图2 1#～4#试验桩荷载～沉降（Q～S）曲线图

表2 1#～4#试验桩竖向静载荷试验成果表

由表2分析本工程4 根试桩的静载荷试验结果可知，因桩身穿过的回填土层厚度不同，试验所得到的极限承载力也不同。对于长度为16m 的试桩，1#、2#桩的极限承载力为1300kN，满足设计要求；3#试桩因上半段桩身（约7.0m）位于新填土层中，其极限承载力为1170kN，低于设计极限承载力。补充进行的4#试桩长度为18m，极限承载力为1300kN，满足设计要求。且4#试桩累计沉降量仅为10.09mm，比1#、2#试桩少4.4mm。说明桩长增加2m、桩身进入（4-1）粉质粘土层长度增加2m 后，承载力的提高是较明显的。从表1可知，（4-1）土层为粉质粘土，液性指数0.44、标贯数15，说明对于液性指数较小、标贯数较大的粘性土，按规范公式估算桩基极限承载力时，桩侧及桩端极限摩阻力参数可取较大值。3#试桩桩身上半段（约7m）位于新填土中，试验得到的极限承载力较1#、2#低，说明对于新填土层，桩侧极限摩阻力参数取值宜适当减小。

四、地基处理设计变更分析

本工程变电所房屋地基土层一部分为原状土、一部分为回填土，原桩基础设计方案中，PHC 管桩桩长均为16m。根据现场单桩竖向静载荷试验结果，对管桩设计桩长进行了调整，即原状土层中及回填土厚度小于4.0m 的土层中，管桩设计桩长为16.0m；回填土厚度超过4.0m 的土层中，管桩设计桩长取为18.0m。经静载荷试验复核，调整后的地基处理方案满足设计要求。且工程建成投运后，根据运行管理观测资料，房屋地基的不均匀沉降很小，进一步验证了调整后地基处理方案的合理性。

因此，对于布置于部分原状土、部分回填土地基上的建筑物，当采用管桩进行地基处理时，设计时应充分考虑新填土对桩基承载力的不利影响，极限侧阻力参数取值宜适当减小。以免对桩基承载力估算过高、设计桩长估计不足，导致工程现场重新试桩并调整桩基设计方案。这样不但会增加试桩数量和费用，而且会造成施工工期的后延。另外，从地基基础的整体性、均匀性角度考虑，为减小上部结构的不均匀沉降，将回填土部分的桩长适当增加也是合理的。

五、结语

（1）对于回填土中的PHC 管桩，在采用规范经验公式计算其极限承载力时，应充分考虑回填土对桩基承载力的不利影响，极限侧阻力参数宜取值适当减小。

（2）对于液性指数较小、标贯数较大的粘性土，桩侧及桩端极限摩阻力参数可取较大值。反之，则宜取较小值。

（3）对于部分为原状土、部分为回填土的地基，当采用桩基进行处理时，应考虑回填土对桩基承载力的不利影响，将位于回填土层中的桩长适当增加，即回填土中桩的长度应略大于原状土中桩的长度。这样布置不仅从承载力计算的角度是合理的，而且可以使整个建筑物基础具有良好的整体性和均匀性，减少建筑物的不均匀沉降■