预应力混凝土管桩基础设计

浅谈预应力混凝土管桩基础设计

摘要：本文从预应力混凝土管桩单桩竖向承载力的计算、桩型及桩径的合理选取、桩基础设计的优化布局、桩基施工质量常见问题等方面浅谈一下对预应力砼管桩基础的设计体会。

关键词：桩基竖向承载力特征值优化设计施工常见问题

引言：

先张法预应力砼管桩(简称管桩)因具有制作工艺简单，质量容易保证，植桩方便，耐打性好，造价便宜，检测方便，施工工期短，桩基抗震性好等优点，在桩基工程中应用越来越多。在沿海地区尤其普遍，高层建筑、多层建筑基础大多采用管桩。我们知道，一个工程中基础部分占整个建筑物投资的比例是比较大的，这就要求我们设计人员要熟练掌握桩基础的设计方法，选择经济合理的设计方案，并能处理工程施工中的若干问题，这是一个职业结构设计师应具备的专业能力。笔者就以下几方面，浅谈管桩基础设计的方法及其施工中常出现问题的原因分析。

一、单桩竖向承载力特征值ra的确定。

什么是管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力特征值？首先要明白特征值是正常使用状态的极限值，设计值是承载力材料最终破坏的极限值，桩基设计时应该用特征值来布桩，相应取用的承台底面荷载效应组合应该是标准组合，以便建筑在正常使用中，桩顶变形不超过比例界限。基础设计必须有甲方提供的地质勘查报告文件。有了所需岩土的物理力学参数及其原位测试参数，先按《建筑桩基

技术规范》（jgj 94-2008）第5.3.8条计算管桩的单桩竖向极限承载力标准值quk，有下面三个公式：

quk= qsk+qpk=u∑qsikli+qpk（aj+λpap1）（5.3.8-1）

当hb/d<5时，λp=0.16hb/d (5.3.8-2)

当hb/d≥5时，λp =0.8(5.3.8-3)

可以看出λp桩端土塞效应系数的大小直接影响着quk的大小，所以要根据承台底荷载的情况合理的选择桩端进入持力层的深度。如果是带桩尖的闭口桩，λp桩端土塞效应系数取1。再根据《建筑桩基技术规范》（jgj 94-2008）第5.2.2条，单桩竖向承载力特征值按公式ra= quk /2计算即可。有的工程不需要再换算由5.3.8条公式直接算出单桩竖向承载力特征值。由以上方法算出的单桩竖向承载力特征值是理论值。并不一定是桩基础设计最终采用的单桩竖向承载力特征值。还需要验算桩身的强度设计值rp，其值根据桩基规范中公式5.8.2-1和公式5.8.2-2算得。桩身极限受压承载力设计值由ru=2rp/1.35算得。比较计算得出的ru和管桩图集中的桩身极限受压承载力设计值大小，如果计算得出的ru大，那么ra 取值应为rp/1.35，这个值应该小于上面记算得出的单桩竖向承载力特征值。如果计算得出的ru小，那么ra以原计算值为准。另外一点，桩基规范规定对于桩侧土不排水抗剪强度小于10kpa且长径比大于50的桩，需考虑桩身压屈验算。所以在计算桩身正截面受压承载力时需乘以稳定系数ψ，此系数很可能小于1，具体大小根据相关公式确定，这里不再阐述。所以在计算时应注意不能忽略。

采用单桩静载荷实验的方法来确定单桩承载力特征值，是迄今为止最可靠的方法。单桩承载力大小应由试桩来确定，除了地基基础为丙级的建筑外，均应通过单桩静载荷实验的方法来确定单桩承载力特征值的大小。单桩静载荷试验，应按《建筑地基基础设计规范》（gb50007-2002）附录q进行。且同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1%，且不应小于3根，当桩总数在50根以内时，不得少于2根。

二、桩基础设计的方法

1. 选择合理的桩型。这是个很重要的环节，合理的桩型选择将产生巨大的经济效益。首先，要了解各种桩型的特点，拿常用的钻孔灌注桩和管桩比较如下：

管桩的优点：造价低，因为其是批量生产的，且是空心桩，配筋率低；施工速度快，工期短，经济效益明显；相同条件下，管桩的承载力高于灌注桩，这点从地质勘察报告书中看的很清楚；管桩是在工厂制作的成品，质量有保证，这方面杜绝了现场偷工减料的弊端；场地干净，不需要排浆处理。管桩的缺点：管桩是挤土桩或半挤土桩，挤土效应会扰动周围土体结构，造成周围房屋、市政设施受损，还会引起桩位偏差，所以管桩不宜在城市建筑群密集地区使用；管桩难穿透硬的夹层，往往是桩长短，持力层不理想，导致大沉降，且不经济；抗拔能力管桩差，管桩只是桩头做桩帽的短筋锚入承台，而灌注桩直接是桩身钢筋锚入承台，且管桩是多节的，所以在一些体积相对较大，高度相对较高，但质量相对较轻的建筑

物设计中不宜考虑，比如在一些体育场馆中的设计就不宜设计，在一些高层超高层的设计中也不宜考虑管桩。熟悉各种桩型的特点，选择最适宜的桩型，不仅保证了工程的质量，而且经济效益明显。

2. 桩长、桩径选取

桩径与桩长的设计即基桩的外部尺寸的设计，它应综合考虑荷载的大小、土层性质及桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比、以及施工设备与技术条件等因素优选确定，力求做到既满足使用要求又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。管桩一般为摩擦型桩，对于摩擦桩，有时桩底持力层可能有多种选择，此时确定桩长与桩数两者相互牵连，遇此情况，可通过试算比较，选用较合理的桩长。摩擦桩的桩长不应拟定太短，一般不宜小于4m。因为桩长过短则达不到设置桩基把荷载传递到深层或减小基础下沉量的目的，且必然增加桩数很多、扩大了承台尺寸。也影响施工的进度。此外，为保证发挥摩擦桩桩底土层支承力，桩底端部应插入桩底持力层一定深度(插入深度与持力层土质、厚度及桩径等因素有关)一般不宜小于lm。根据计算出的单桩竖向承载力特征值，先估算承台下桩数，其数量是否合适，尚待验算各桩的受力状况后验证确定，桩数的确定理应还须考虑满足桩基础水平承载力要求的问题。一般情况下，桩基水平承载力是由基桩的材料强度所控制，可由基桩的结构强度设计(如钢筋混凝土桩的配筋设计与截面强度验算)来满足。此外，桩数的确定与承台尺寸、桩长和桩的间距的确定相关连，确定时应综合考虑。

3. 基桩的布置

基桩的布置是桩基概念设计的主要内涵，是合理设计、优化设计的主要环节。

1）基桩中心的最小中心距。根据《建筑桩基技术规范》（jgj 94-2008）第3.3.3条规定的基桩最小中心距，并结合承台的构造要求布置桩，使得承台面积最小

2）考虑力系的最优平衡状态。桩群承载力合力点宜与竖向永久荷载合力作用点重合，以减少荷载偏心的负面效应。当桩基受水平力时，应使基桩受水平力和力矩较大方向有较大的抗弯截面模量，以增强桩基的水平承载力，减少桩基的倾斜变形。

3）桩箱、桩筏基础的布桩原则。为改善承台的受力状态，特别是降低承台的整体弯矩、冲切力和剪切力，宜将桩布置于墙下和梁下，并适当弱化外围。

4）桩端持力层选择和进入持力层的深度要求。桩端持力层是影响基桩承载力的关键性因素，不仅制约桩端阻力而且影响侧阻力的发挥，因此选择较硬土层为桩端持力层较为重要；其次，应确保桩端进入持力层的深度，有效发挥其承载力。进入持力层的深度除考虑承载性状外尚应同成桩工艺可行性相结合。

三、预应力管桩施工中产生问题原因分析

1. 单桩承载力不满足设计要求

1)预制桩施工挤土效应造成桩体上浮。预应力混凝土管桩虽为中空，在沉桩过程中桩端处部分土体能够进入到管桩内部，实测资