预应力混凝土静压管桩极限承载力研究

董 博 赵俭斌

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

建筑基础按埋深位置深浅分为深基础和浅基础两种形式，桩基础便是深基础的一种。土体中各个土层性质并不相同，当表层土力学性质较差、较软弱时，桩基础通过自身性能将建筑物的荷载迅速传递到压缩性能小且比较坚硬的深处土层或岩层。如今，桩基础多采用预应力混凝土管桩[1]。

预应力混凝土管桩是在施工前按施工要求在工厂制作完成，然后运输至施工现场进行施工[2]。预应力管桩生产主要采取离心成型和先张法两种工艺手段，管桩成型后进行蒸压养护工作，形成预应力管桩成品。这种管桩通常会利用静力压桩机采取静压法使其沉入地下，作为建筑物的深基础。这种方法是通过管桩自重以及配重形成反力，将管桩一点点压入土中，这即是沉桩工艺。静压法施工现场整洁规范、施工效率较高，并且预应力管桩的单桩承载力及强度等多项力学指标都优于一般管桩。因此，预应力混凝土管桩和静压法配合使用的施工方法，在建筑基础施工中备受青睐。本文从预应力混凝土管桩承载力的研究历程出发，总结分析国内外对静压单桩极限承载力计算的经验公式，为预应力混凝土静压管桩的应用提供参考。

1 预应力静压管桩的优势和不足

任何形式的基础在面对不同的工程情况下都会具有明显的优势和劣势，预应力混凝土管桩也不例外[3]。

1.1 预应力静压管桩的优势

（1）静压桩的单桩承载力高。承载力高主要有管桩材料和沉桩方式两方面的原因。从选材来讲，预应力管桩通常会选择强度等级超过C80的高强度混凝土制作而成；从沉桩方式来说，在沉桩的过程中，各层土体及桩底土的密实度不断增加，提高了桩周摩擦力及桩底承载力，从而提高静压桩的承载力。所以静压桩具有单桩承载力高的优势。

（2）桩型种类多样，可以适应不同的施工环境和施工要求。预应力静压管桩更多用于多层或者高层建筑，根据上部传递载荷而采用不同的桩基，提升承载能力，使得基础安全稳固。目前，我国预应力管桩工厂大多可以制造直径在300～600mm，桩长在5～50m，承载力在600～7000kN之间的管桩。预应力管桩的桩径和桩长可以根据工程需要个性化订制。在施工起吊时，只需用吊钩拉住桩体两头就可以进行操作，简化操作流程，使其不受外因影响，施工过程中，只需根据实际工程需要将多段桩进行自由搭配与组合，与一般桩大多受到相关机器与地质条件的约束形成鲜明对比。

1.2 预应力静压管桩的不足

（1）在静压管桩施工时会产生挤土效应，由于桩体下沉过程中会扰动桩身周围的土体结构，导致土层的应力状态受到改变而产生一系列不良影响。

（2）桩基和基坑施工结束后，要将额外的桩头截取掉，这会形成一定程度的损失。开挖深度的不正确以及桩体不直立，容易发生破损现象，可能会使桩体报废，这不仅会影响工期，还会增加施工成本。

（3）预应力混凝土管桩的应用也有很多限制条件，例如在石灰岩地区中以岩溶层为持力层时，或是在土层软硬分布间断且有突然变化等情况时都不建议使用。

2 预应力混凝土管桩承载力的研究现状

2.1 国外对预应力混凝土管桩承载力研究现状

预应力混凝土管桩源自日本，在20世纪50年代其产量已经到达5万t，到1972年管桩的年产量已经到达了700万t。而美国和荷兰在预应力混凝土管桩的应用和发展上相较其它国家处于领先地位。目前，各个国家对于预应力管桩的重点研究方向依然是面向单桩竖向极限承载力的算法，并产生了一大批优秀实用的理论成就。

如日本对单桩极限承载力的计算公式如下：

式中：R——单桩桩身额定承载力；

fc——桩身有效截面面积；

δpc——桩身有效预压应力；

A——管桩桩身混凝土极限抗压强度。

在对单桩竖向极限承载力的计算研究上，各个国家的思路方向各有不同，各种方法交相辉映共同推进管桩的发展应用。在20世纪30年代，欧洲发明了静力触探技术，该技术在国际建筑领域上大放异彩，并且在几十年的发展中各方面都逐渐趋于完善。在以静力触探法为基础的情况下，多个国家总结得出符合自己国家实际情况的经验公式。

（1）使用双桥探头的单桩极限承载力经验公式

希腊、英国采用：

荷兰采用：

印度采用：

前苏联采用：

（2）使用单桥探头的单桩极限承载力经验公式

法国采用：

式中：P

a——单桩极限承载力计算值；

qc——双桥探头锥头阻力；

As——侧壁面积；

A——锥头阻力；

Rh——端头阻力；

fh——侧壁摩阻力；

α1——桩端承载力修正系数；

qca——单桥探头锥头阻力；

U——桩周长度；

βs——桩端承载力修正系数；

qcs——单桥探头侧壁阻力；

Ls——桩身长度。

2.2 国内对预应力混凝土管桩承载力的研究

我国桩基础的应用和发展历史同样源远流长，甚至在早期是处于领先地位的。在我国浙江河姆渡遗址的考古过程中发现，我国祖先们早在7000多年前就开始尝试使用木桩搭建房屋，这也是现在桩基础的雏形。在近代，中国台湾省最早进行预应力混凝土管桩的研究和使用，如今已有60多年的使用历史，为大陆的预应力混凝土管桩使用提供了大量经验。可在当时预应力管桩并未引起广泛关注，只是在一些特别的地质条件下的工程或者有特殊的设计意图的项目上得以小试身手，此类管桩是在20世纪80年代才得到推广和应用。而在近些年来，预应力管桩的发展和应用更是如日中天，如火如荼。

我国在1992年首次制定了《先张法预应力混凝土管桩》（GB 13476-92）。2年后就又制定了《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94），以下是近些年国家标准、地方标准、以及专家学者给出的极限承载力的简单介绍：

《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）给出了单桩极限承载力经验公式[4]：

式中：Rk——单桩竖向极限承载力；

up——桩身周长；

qp——桩端土的承载力标准值；

qsi——桩周土的摩擦力；

Ap——桩身的横截面面积；

li——按土层划分的各段桩长。

广东省地方标准《预应力混凝土管桩基础技术规程》（DBJ/T15-22-98），给出了适合广东地区的单桩极限承载力计算的公式，其公式为[5]：

式中：R——单桩竖向极限承载力；

Quk——单桩竖向极限承载力标准值；

rsp——桩侧阻力与桩端阻力抗力分项系数。

1997年，王离[6]提出，当预应力管桩桩尖进入强风化岩层时，单桩的竖向极限承载力经验公式，具体表述为∶

式中：N——桩端处强风化岩石的标贯值；

Ap——桩尖投影面积；

u——桩身周长；

li——按土层划分的各段桩长；

q——桩周摩擦力标准值。

1999年，宋建军[7]将大量静载实验数据进行整理，得出了单桩极限承载力公式：

式中：N——桩端处风化残积土的标准贯入值；

Ap——桩的横截面积；

u——桩身周长；

L——桩进入风化残积土持力层的桩长；

qsi——风化残积土桩周摩擦力标准值。

2000年，朱宏波[8]通过管桩在不同的桩长、桩径、以及桩型下，压桩力终压值和极限承载力之间的关系，得出相应经验公式：

式中：Pend——压桩的终压力；

η——不同桩型修正系数；

β——不同持力土层修正系数。

施峰[9]在2004年将单桩极限承载力的静载试验结果与标准的计算公式进行了严格对照，并且对试验结果系统地进行了研究和整合。因为标准的计算公式的应用范围还是趋向于保守，这使得实际的计算结果相对于规范计算结果大许多。

在2008年，邵铭东[10]在分析预应力管桩的整体土塞效应时，也说明了此管桩对于单桩极限承载力会产生的影响，以及管桩挤土效应在单桩极限承载力和侧阻力方面的干涉会产生哪些结果。

目前，随着中国的高速铁路、水路、高层地标性建筑以及重大市政工程的发展，一些具有战略意义的建筑工程对地基的承载力提出了更高的要求，对建筑基础的性能要求越来越高，因此，更加需要性能好、利用率高的预应力管桩。根据数据统计结果显示，我国目前的管桩生产工厂大多数在沿海地区，总体上已经超过220家。

3 结束语

目前来看，我国的预应力混凝土管桩具有规范的国家和地方标准，施工技术娴熟，科研成果优异。但还有很多问题需要引起重视。

（1）通过试验得到的实际数据和根据《建筑桩基技术规范》得出的结果有所差异，使得地方标准不可在其他地区随意应用，因此，这就需要精细化和准确化的单桩极限承载力公式。

（2）预应力混凝土桩是一种开口桩，因其外形特点可能会在施工作业期间产生土塞效应和挤土效应，所以要加强承载力影响及对两种效应的作用机理进行进一步研究。

（3）对于预应力管桩的理论研究和技术方面的检测还有待完善。迄今为止，对于低应变的检测没有进展，依然在进行桩身是否完整的检测，对于桩身的质量检测缺少实用有依据的评价和分析。