预应力高强混凝土静压管桩在建筑工程中应用分析*

罗森林 陈先军 魏世辉

(1阜阳市建筑工程施工图审查有限责任公司；2阜阳职业技术学院建筑工程系安徽阜阳 236000)

预应力高强混凝土管桩(以下简称“PHC桩”)是在工厂流水作业预制而成的一种薄壁空心的桩体，在我国各类工业与民用建筑工程中得到了广泛地应用。相对于传统打桩施工工艺，静压法施工产生的噪声、振动较小[1-2]，比较适合在城市已建成区域的工程建设。目前对静压PHC桩在实际工程的应用已有很多研究成果，主要有预应力静压管桩在工程中的应用[3]，预应力管桩建筑桩基技术在建筑中的应用[4]，预应力管桩设计若干问题探讨等[5]。阜阳市是皖北平原的代表性城市，文章结合皖北平原的工程地质特点，分析了静压PHC桩的适用范围和在建筑工程应用中几个热点问题。

1 PHC桩在建筑工程中适用范围的分析

PHC桩目前大多采用静压施工，由于施工进度较快、效率高、扰民少、污染少，在各类土木工程中应用广泛。一般可以应用于桩侧以填土、软土和粘性土为主的土层，比如在安徽北部、河南南部的平原地区建筑工程应用较常见，是主流的桩型。如果遇到中间有较厚的砂层、粉砂夹层、硬粘土层或是密实砂层，可能难以贯入，此时可以通过分析勘察报告中钻孔的土层标贯值N和土层厚度情况，当N大于28以上就可以考虑引孔施工，孔径可取管桩外径的0.65～0.75倍，以减少可能出现的施工断桩现象。如果是桩端持力层的标高起伏变化较大的工程，则不应使用PHC桩。

2 PHC桩在建筑工程应用中的几个热点问题分析

(1)能否通过增加桩长的方式提高摩擦型PHC桩的单桩承载力特征值Ra的问题。根据桩基规范的计算公式单桩竖向承载力极限值Quk= 桩极限侧阻力Qsk+桩极限端阻力Qpk，设计人员往往通过增加桩长的方式来提高Ra。早期的桩基研究假定Qpk、Qsk同步发挥，但是近年来的研究表明并非如此。根据同济大学高大钊的研究[1]，随着桩的长径比l/d增大，Qpk对Quk的贡献变小；当l/d达100时，桩极限端阻力Qpk的发挥接近0，这也纠正了以往“桩越长，承载力越高”的片面认识。因此可以推断：平原地区的PHC管桩(通常15～40m之间)， 桩极限端阻力Qpk的贡献会很小，主要是桩极限侧阻力Qsk发挥作用，属于典型的摩擦型桩。除非是为了减小沉降而将桩支承在深部坚硬土层上，其他时候依靠增大桩长的办法来提高单桩承载力特征值是不合理的，会造成浪费。

(2)PHC桩如何用于建筑工程抗拔桩的问题。PHC桩由于存在接桩焊接接头处质量不易控制、侧壁提供的抗拔侧阻力不高等问题，应优先用于抗压桩而慎用于抗拔桩。为解决这个难题，可以使用桩侧纵横向带肋的异形PHC桩[6](见图1、图2)，其研究成果已经获得2020年华夏建设科学技术奖一等奖。与同桩径、桩长的普通PHC桩相比，异形PHC桩的抗拔承载力提高30～66%；同时螺锁式连接取消了桩端板，可节约95%端板钢材，近4年来已经在乌镇互联网国际会展中心、长丰县和宿州市光伏发电项目等国内多项工程中应用，成效显著。

图1 异形PHC桩实物图

图2 螺锁式连接接头

(3)关于桩基检测试桩的问题。单桩静载荷试验目前仍是确定单桩承载力特征值Ra的重要手段之一，可靠性较好，优于高应变检测等其他估算方法。理论上应该先进行场地试桩。

根据试桩结果调整勘察报告中参数估计的Ra值。但民用住宅类工程工期紧张，往往是施工完毕后再直接检测Ra值是否满足设计要求，一旦发现检测的数据低于设计值，就只有设法采取补桩措施。勘察单位为了避免出现这样情况，往往在勘察报告中提出比较保守的桩基参数指标，同时检测单位在试验加载时一般只加载到单桩承载力特征值的2倍即停止加载，这样造成桩基工程设计安全度过大而存在浪费。新加坡规定，一般场前试桩至少加载至单桩承载力特征值的3倍[2]。对此，一方面建设单位应先进行试桩后，再进行工程桩的全面施工；另一方面检测单位在做试验桩加载时，应根据实际工程情况适当提高最大加载量。

3安徽某工程PHC桩和异形PHC桩抗拔试验对比分析

某高层住宅小区工程位于安徽北部平原地区，抗浮设计水位取室外地坪下1m，纯地下室部分采用管桩作为抗拔桩。试桩时建设单位选用了纵横向带肋的异形PHC桩(简称：S1- S4)4组和普通PHC桩(简称：D1)1组进行对比分析，设计桩长23m，外径500mm，桩身混凝土等级是C80，设计要求单桩抗拔承载力不小于690KN。试验过程按照行业标准《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)中的慢速维持荷载法的有关规定进行，其竖向抗拔荷载-位移曲线见图3，抗拔静载荷试验结果见表1。

图3 异形PHC桩竖向抗拔荷载-位移曲线

由图 3、表1可知，5组试桩的荷载-位移曲线均呈缓变型，各级荷载下的上拔位移量变化均匀；当上拔荷载在580KN以下时，荷载-位移曲线均近似呈直线。异形PHC桩的的最大上拔荷载明显大于普通PHC桩，当其纵横向的肋、节数增加时，竖向抗拔极限承载力也得以提高。说明异形PHC桩由于桩侧凸凹的特殊构造，使得受力性状发生变化(见图4)，大大提高桩侧阻力，该例中编号S4的异形PHC桩抗拔极限承载力相对于普通PHC桩提高达43.1%。

图4 普通管桩与异型桩承载机理对比

表1 抗拔静载荷试验结果

4某高层建筑采用PHC桩的应用分析

4.1工程概况

阜阳市某高层住宅楼桩基工程采用PHC桩，建筑高度99.2m，层数34层，选用PHC-500(125)AB型桩，混凝土等级是C80，桩长33m(3节桩)，采用静力压桩施工方式，灌芯混凝土长度取为2m。桩基设计参数见表2。

表2 桩基设计参数表(单位：KPa)

4.2 PHC桩基设计

比较当PHC桩端位于第7层、第8层和第9层时三个方案的情况：方案一：桩端在第7层土，单桩承载力特征值Ra=2100 KN，桩长33米，共需要布桩97根；方案二：桩端在第8层土， Ra=2450 KN，桩长37米，共需要布桩88根；方案三：桩端在第9层土， Ra=2900 KN，桩长41m，共需要布桩82根。以上三个方案的PHC桩基均可以满足承载能力和沉降验算的要求，从经济性和适用性考虑，宜选用桩长较短的方案，一方面是前面所述的超长桩在摩擦型桩基里面，桩端阻力发挥很小，很不经济；另一方面考虑PHC桩接头宜少，总桩长宜控制3节桩以内，因此选用方案一。该工程PHC桩施工前在代表部位试桩3根，并适当提高了最大加载量至2.48倍单桩承载力特征值Ra。施工时终压控制条件：原则上采用桩长和终压力进行双控，根据勘察报告的参数得出Ra取值为2100KN，终压力拟取值为5200KN(取2.48倍Ra)。试桩结果表明：3个试桩点的s-lgt曲线，接近水平直线，各级荷载对应的斜率很小；Q-S曲线上，桩顶总沉降量为23.78mm，曲线未出现陡降段。根据试桩结果，取Ra=2500KN，同时优化了原设计方案，总桩数从97根减少到88根。

4.3桩基检测结果分析

随机抽检3根基桩(30#、59#、94#)进行单桩竖向抗压静载荷试验，3根基桩加载的最大荷载是5200KN，单桩承载力特征值2500KN，桩顶最大沉降量分别是11.78mm、11.91mm，10.57mm。其中30#的单桩竖向抗压静载荷试验Q-S曲线见图6，曲线未出现陡降段；s-lgt曲线见图5，各级荷载对应的斜率很小。表明承载能力的富裕度还较大。同时该工程还对全部88根工程桩进行了低应变检测，经分析均为Ⅰ类桩，基桩桩身的混凝土波速在4000～4348m/s之间，平均值4164m/s，桩身完整性符合设计和规范要求。

图5 30#桩的S-lgt曲线

图6 30#桩的Q-S曲线

5结论

文章从 PHC桩在建筑工程中适用范围、增加桩长的方法对提高摩擦型PHC桩的单桩承载力特征值不合理、异形PHC桩可以应用于建筑工程抗拔桩、桩基检测试桩的建议等几个方面来分析探讨PHC桩基应用情况，并分析阜阳市某高层住宅楼桩基工程设计的实例，为类似工程提供了经验参考的依据。综上，笔者认为：①摩擦型PHC桩不宜用单纯增加桩长来提高单桩承载力特征值Ra，除非是为了减小沉降而将桩支承在深部坚硬土层上；②纵横向带肋的异形PHC桩能够大幅度提高抗拔承载力，并在多项工程中成功应用；③在做试验桩加载时，应根据实际工程情况适当提高最大加载量，以便得到合理的Ra值。