预应力管桩基础设计应注意的问题

预应力管桩基础设计应注意的问题2007-06-30 07:57【提要】本文主要从岩土工程的观点来探讨预应力管桩的应用条件,提出管桩基础设计应注意的几个问题；①工程勘察问题；②单桩承载力问题；③收锤标准问题；④不宜应用管桩的工程地质条件问题。

经过十年来的推广应用，预应力混凝土管桩作为一种较新型的基桩已被广东土木界所接受。

广东现有管桩厂四五十家，年生产量四百万米左右，占全国的三分之二以上。

目前广东高层建筑桩基主要采用人工挖孔桩、冲钻孔灌注桩和预应力管桩。

在10-40层楼房的基础工程中，原来采用人工挖孔桩和冲钻孔灌注桩的，有不少已被预应力管桩所替代，这是因为预应力管桩具有工程造价较便宜、质量较可靠、长度易调整、施工速度快、监理方便、检测时间短、现场简洁等优点。

但是，若对管桩的应用条件认识不清，对使用方法掌握不当，也会发生工程质量问题。

下面就设计预应力管桩基础应注意的问题谈一些看法。

一、管桩的应用条件了解管桩的应用条件，对控制管桩基础的设计质量非常有益。

管桩的制作质量要求已有国家标准《先张法预应力混凝土管桩》（GB13476-92）。

管桩按混凝土强度等级分为：预应力混凝土管桩和预应力高强混凝土管桩。

前者代号为PC桩，其混凝土强度等级一般为 C60或C70；后者代号为PHC桩，混凝土强度等级为C80，一般要经过高压蒸养才能生产出来，从成型到使用权用的最短时间只需三四天。

管桩按抗裂变距和极限变距的大小又可分为：A型、AB型、B型，有效预压应力值约3.5～6.0Mpa的有效预压应力，打桩时桩身混凝土就可能不会出现横向裂缝，所以，对于一般的建筑工程，采用A类或AB类型桩就行。

目前，广东地区常用的管桩规格如表1。

常用管桩规格表:管桩的施工方法即沉桩方式有六七种之多。

广东前几年主要采用打入法，过去用过自由落锤，目前几乎都采用柴油锤。

柴油锤的极限贯入度厂家规定为20㎜/10击，过小的贯入度作业会损坏柴油锤，减少其使用寿命。

管桩用柴油锤施打，震动大，噪音大。

近年来，广东开发了一种静压沉桩工艺，即采用液压式静力压桩机将管桩压到设计持力层。

前几年在广东应用的静压桩机，最大压桩力只有1600kN～2400 kN，现在，静压桩机的最大压桩力增大到5000 kN，可以将φ500 和φ550的预应力管桩压下去，单桩承载力可达2000～2500 kN，适用于15～30层的高层建筑，特别适用于市区施工。

管桩桩尖形式主要有三种：十字型、圆锥型和开口型。

前两种属于封口型。

穿越砂层时，开口型和圆锥型比十字型好。

开口型桩尖一般用在入土深度为40m以上且桩径≥550㎜的管桩工程中，成桩后桩身下部约有1/3-1/2桩长的内腔被土体塞住，从土体闭塞效果来看，单桩承载力不会降低，但挤土作用可以减少。

封口桩尖成桩后，内腔可一目了然，对桩身质量及长度可用目测法检查，这是其他桩型所没有的。

十字型桩尖加工容易，价钱便宜，破岩能力强，故广东省约90%以上的管桩采用十字型桩尖。

桩尖规格不符合设计要求，也会造成工程质量事故。

管桩桩端持力层可选择为强风化岩层、坚硬的粘土层或密实的砂层，广东汕头、湛江及珠江三角洲某些地区，基岩埋藏太深，管桩桩尖一般座落在中密至密实的砂层上，桩长约30～40m，这是以桩侧摩阻力为主的端承摩擦桩。

广东其他许多地区基岩埋藏较浅，约10～30m，且基岩风化严重，强风化岩层厚达几米、十几米，这样的工程地质条件，最适合预应力管桩的应用。

预应力管桩一般可以打入强风化岩层1-3m，即可打入N=50～60的地层；管桩不可能打入中风化岩和微风化岩层。

这是一个基本概念，弄不清这个概念就无法正确应用预应力管桩。

预应力管桩的应用，同基他任何桩型一样都有基局限性。

有些工程地质条件就不宜用预应力管桩。

主要有下列四种：（1）孤石和障碍物多的地层不宜应用；（2）有坚硬夹层时不宜应用或慎用；（3）石灰岩地区不宜应用；（4）从松软突变到特别坚硬的地层不宜应用。

详见下节2.4条.二、管桩基础设计应注意的问题2.1工程勘察问题勘察是设计的前提。

错误的勘察必然会导致错误的设计。

目前工程勘察存在以下问题：①勘察是设计的前提。

错误的勘察点要适当加密。

就是一些小型工程，勘察点也不宜少于五个。

有些建设单位为省勘察费用而减少必要的勘察点，结果导致打桩施工时的更大浪费甚至失败。

②标贯试验次数少管桩工程要求地质勘察报告中多提供有用的N值，所谓有用的N值，主要是遇到砂夹层、下卧软弱层、残积层及强风化岩层时多做一些标贯试验，残积层最好每2m、强风化岩层最好每1m测一次N值，有利于配桩和打桩收锤。

有些勘察单位往往在持力层上面的软土层中做了许多标贯试验，而在硬夹层和强风化岩层中一个也不做，这样会给设计和施工带来许多困难，甚至会引起工程质量中故。

③勘察中的弄虚作假个别勘察单位作风不正。

有些孔根本没有钻探，凭空写出来。

有些土层随意升级，如将残积土定为强风化岩，将强风化岩定为中风化岩。

设计人员根据这些报告确定管桩的持力层，必然出差错。

④标贯值不准一个原因就是试验设备不标准，如锤不是63.5kg，落距不是76cm；另一原因就是触探杆长度校正系数取值问题，现行国家规范列出的触探杆长度最长21m，校正系数为0.7，而广东30～40的管桩是常见的,根据广东经验,30m时校正系数为0.61，39m为0.52,有些勘察单位将大于21m的触探杆长度校正系数为0.7m，这就会引起对持力层的误判。

三是当标贯深度达不到30cm时又如何表达N值，常用的换算方法不能反应实际情况。

⑤提供的岩土力学指标不符合实际目前有些勘察人员对建工方面的岩土标准不熟，对基础工程更是隔行隔山，加之现行规范对管桩基础没有专门的规定，给出的设计参数比实际偏小许多，不利于管桩的推广应用。

⑥标贯本身试验的缺陷目前我国的现场标贯试验几乎全是在水冲成孔中进行的，有的特种土层，遇水后立即软化，现场测得的贯入击数比实际偏低很多，根据这样的标贯击数来判断管桩的可打性，有时也会出差错。

2.2单桩承载力问题①管桩的竖向承载力按现行规范公式计算普遍偏低对于入土深度40m以上的超长管桩，采用现行规范提供的设计参数，是可以求得较高的承载力，但对于一些10～20的中短桩，尤其象广州开发区那样的地质，强风化岩层顶面埋深约20m，地面以下16-17m都是淤泥软土，只有下部2-3m才是硬塑土层，这种桩尖进入强风化岩层1-3m的管桩，按现行规范提供的设计参数计算，承载力远远偏小，有时计算值要比现在实际应用值小一半左右。

单桩承载力设计值定得很低，会造成很大浪费。

事实上，管桩有其独特之处，管桩穿越土层的能力比预预制方桩强得多，管桩桩尖进入风化岩层后，经过剧烈的挤压，桩尖附近的强风化岩层已不是原来的状态，岩体承载力几乎达到中风化岩体的原状水平，据对多知试压桩试验结果进行反算以及广州开发区建总对管桩应力实测数据表明，管桩桩尖进入强风化岩层后qp=5000～6000 kPa，qs=130～180kPa，而现行的规范没有列出强风化岩体的设计参数，一般的设计人员参照坚硬的土层，取qp=2500～3000 kPa，qs=40～50 kPa，这样的设计结果必然偏小。

1991年笔者在《预应力管桩的设计、施工和工程质量控制》一文中提出了一个估算桩尖进入强风化岩层的管桩单桩竖向承载力标准值的经验公式。

Rk=100NAp+UpΣqsiLi式中Rk——管桩竖向承载力标准值；N——桩端处强风化岩的标贯值；Ap——桩尖（封口）投影面积；Up——管桩桩身外周长；Li——各土层划分的各段桩长；qsi——桩周土的摩擦力标准值，按GBJ7-89规范附录十五所列数值的上限（高值）取用，强风化岩的qs值取150 kPa。

公式适用范围：a、管桩桩尖必须进入N≥50的强风化岩层，当N﹥60时，取N=60；b、当计算出来的Rk大于桩身额定承载力Rb时，取Rk为额定承载力Rb。

所谓桩身额定承载力就是桩身最大允许轴向承压力，目前我国管桩生产厂家流行的算式是套用日本和英国的公式，即Rb=1/4*（fce-σpc）·A式中Rb——管桩桩身额定承载力；fce——管桩桩身混凝土设计强度，如C80时，取fce=80 kPa；σpc——桩身有效预应力；A——桩身有效横截面积。

]②桩间距大小影响管桩的承载力规定桩的最小中心距是为了减少桩周应力重迭,也是为了减少打桩对邻桩的影响.<建筑桩基技术规范>(JGJ94-94)规定挤土预桩排数超过三排(含三排)且桩数超过9根(含9根)的摩擦型桩基，桩的最小中心距为3.0d。

目前，大面积的管桩群，在高层建筑的塔楼基础中被广泛应用，有的一个大承台含有管桩200余根。

如果此时桩间距仍为3.5甚至3.0，打桩引起的土体上涌现象很明显，有时甚至可以将施工场地地面抬高1米左右，这样不仅影响桩的承载力，还可以将薄弱的管桩接头拉脱。

因此高层建筑主楼的管桩基础，最小桩间距为4.0,有条件时采用4.5，这样挤土影响可大大减少，对保证管桩的设计承载力很有帮助。

当然，太大的桩间距又会增加桩承台的造价。

③对静载试桩荷载最大值的不同理解将会引起对管桩承载力的不同评价现行基础规范采用RK和R两种不同承载力表达方式，Rk是单桩的竖向承向承载力标准值，R是单桩竖向承载力设计值，对桩数为3根或3根以下的桩承台，取R=1.1 Rk，四根或四根以上的桩承台取R=1.2 Rk。

检验单桩竖向承载力时是用2 Rk还是用2R来进行静载荷试验？不少设计人员往往要求将二倍的单桩承载力设计值作为静载试验荷载值来评价桩的好坏。

这是一种误解。

按规范要求，应以2 Rk作为最大荷载值来检验桩的承载力，因为2 Rk等于单桩竖向极限承载力。

如果用2倍单桩承载力设计值，也即用2.4 Rk或2.2 Rk(大于极限承载力)为最大荷载来试压，对一些承载力富余量较多的管桩，是可以过关的；对一些承载力没什么富余的管桩，按2 Rk来试压，是可以合格的，按2.4 Rk来试压是不合格的，结论完全不一样。

2.3收锤标准问题收锤标准即停止施打的控制条件与管桩的承载力之间的关系相当密切，尤其是最后贯入度，常常被作为收锤时的重要条件，但将最后贯入度作为收锤标准的唯一指标的观点值得商榷，因为贯入度本身就是一个变化的不确定的量：①不同柴油锤贯入度就不同重锤与轻锤打同一根桩，贯入度要求不一样。

②不同桩长贯入度要求不同同一个锤打长桩和打短桩，贯入度要求不一样。

根据动量原理，冲击能相同，质量大（长桩）的位移小即贯入度小，反之贯入度大。

所以，承载力相同的管桩，短桩的贯入度要求可大一些，长桩的贯入度应该小一些。

③收锤时间不同贯入不一样在粘土层中打管桩，刚打好就立即测贯入度，贯入度可能比较大，由于粘土的重塑固结作用，过几小时或几天再测试，贯入度就小得多了，在一些风化残积土很厚的地区打桩，初时测出的贯入度比较大，只要停一二个小时再复打，贯入度就锐减，有的甚至变为零。