閱讀 6951 次 預應力高強混凝土管樁應用分析

 

 

冀新黨  郭林林   駱長安    劉東順  王向軍

（中聯西北工程設計研究院 710082 西安）

    隨著城市建設的快速發展，預應力高強混凝土管樁（以下簡稱管樁）在西安地區已開始大量應用，尤其是西安市北郊、南郊部分區域的高層建筑中應用廣泛。這些地區的地層具有砂層厚度大，埋深較淺，土層濕陷性較輕等特點，適合預應力高強混凝土管樁的使用。現結合筆者本人的設計工程實例，談一談設計中的一些體會，供同行參考。

 

    1、工程概況

    擬建項目位于西安市北郊鳳城四路附近，地上32層，地下1層，剪力墻結構。

 

    2、工程地質情況

    場地地形基本平坦，地面標高介于383.36~386.22m之間。地貌單元屬渭河一級階地。擬建場地內各層飽和砂類土均為非液化土層。場地自上而下埋藏地層如下：

 

    （1） ①雜填土/素填土：黃褐色，土質不均，結構松散，以粘性土為主, 厚度0～2.40m；

    （2）②黃土狀土:黃褐色，土質欠均勻，可塑，高壓縮性，具輕微～中等濕陷性及自重濕陷性, 厚度1.6～4.50m m；。

    （3）③黃土狀土:黃褐色，土質欠均勻，可塑，中壓縮性，厚度4.3～5.0m。

    （4）④粉質黏土：褐黃色～淺灰褐色。土質均勻，可塑，中壓縮性，厚度4.1～5.7m。

    （5）④－1中粗砂：褐黃色～黃褐色，級配差，中密～密實，濕～飽和,厚度0～2.8m。

    （6）⑤中粗砂：褐黃色～黃褐色，級配差，密實，飽和,厚度10～14m。

    （7）⑥粉質粘土：灰黃～淺灰褐色。土質均勻，可塑，中壓縮性，厚度1～5.5m。

    （8）⑥－1中粗砂：灰黃～淺灰褐色，級配差，密實，飽和，厚度0～2.4m。

    （9） ⑦中粗砂：灰黃～淺灰褐色，級配差，密實，飽和,厚度10.3～13.2m。

    （10）⑧粉質粘土：淺灰褐色～灰色。土質均勻，可塑，中壓縮性， 厚度0.5～2.0m。

    （11）⑨中粗砂：灰黃～淺灰褐色，級配差，密實，飽和, 厚度9.2～11.1m。

    （12）⑩粉質粘土：灰黃～淺灰色。土質均勻，硬塑，中壓縮性，厚度2.2～3.8m。

    （13）11中粗砂：灰黃～淺灰褐色，級配差，密實，飽和, 厚度19m以上，未鉆透。

 

    本場地⑤中粗砂層厚度10～14m，埋深在自然地坪下17米左右，適合做管樁持力層。基礎埋深為6.5m，管樁樁長約為11m左右，比較經濟，故本工程優先采用了管樁方案。由于建筑上部荷載較大（32層），確定采用Φ500PHC管樁，型號為PHC-AB500(125)型，設計要求樁端進入持力層1.5d(樁外徑), 正方形滿堂布樁（樁距4d）。根據整體計算結果，單樁豎向承載力特征值不小于2400KN，即單樁豎向極限承載力標準值不小于4800KN。

 

    3.1、單樁豎向極限承載力的確定單樁豎向極限承載力通常采用兩種方法：

    1、按樁基規范JGJ94-2008公式（5.3.5）進行估算單樁豎向極限承載力，可按規范或巖土勘察報告提供的預制樁樁基參數，按樁基規范JGJ94-2008公式（5.3.5）進行估算，并結合當地經驗進行確定。

 

    2、現場進行等條件試樁，根據試樁結果最終確定。

    以上兩種方法的取值，均不得大于樁身豎向抗壓極限承載力標準值。樁身豎向抗壓極限承載力標準值的取值有兩種方法：

    A、可由產品生產廠家提供;

    B、由下述公式進行計算：

         Ru=2.0*[0.85fc*Apo/1.35]  

         式中  Ru-----樁身豎向抗壓極限承載力標準值；

                 0.85---管樁成樁工藝系數，即樁身混凝土強度強度折減系數；

                 fc---混凝土軸心抗壓強度設計值；

                 Apo---樁身截面凈面積

 

    根據本工程巖土勘察報告，按方法1，計算得到單樁豎向極限承載力標準值為3300KN，遠遠小于管樁（PHC-AB500(125)型）樁身豎向極限承載力標準值5400KN，樁身承載力得不到充分的發揮。為此決定在場地范圍內進行3組試樁（試樁P-S曲線略。）試樁結論：單樁豎向極限承載力標準值為5000KN。

 

    綜合考慮試樁施工工藝的影響、群樁效應及管樁產品自身性能，實際設計中單樁豎向極限承載力標準值按4800KN取用。由于管樁的試樁間歇期普遍較短，約為14d左右，且試樁往往不壓至破壞，因此管樁的實際單樁豎向極限承載力標準值比試樁結果均有一定的儲備。因此，設計按4800KN取用，是安全可靠的。

 

    經樁基竣工檢測結果表明，單樁豎向極限承載力標準值已滿足4800KN的設計要求。

 

    目前該工程主體封頂已逾期半年，經沉降觀測，沉降速率滿足規范要求，累計總沉降量為14mm，均遠遠小于規范要求。

 

    3.2、對兩種方法誤差產生原因的分析試樁結果（方法2）相比樁基規范公式（方法1）估算值提高50％，相對正常情況（一般提高20%），明顯偏大。分析本工程具體情況后，主要原因如下：

    1）、規范提供的預制樁樁基參數偏低現行樁基規范的巖土參數為全國通用的較低標準取值。本工程砂土層標貫擊數平均值為60，密實，實際端阻、摩阻值均遠遠大于地勘報告提供的端阻、摩阻值。

    2）、開口管樁未考慮管樁內壁的側摩阻力綜合分析后的結論為：初步設計階段或施工圖開始階段按樁基規范公式計算單樁承載力時，按地區經驗系數進行適當提高是安全的，根據筆者本人的項目情況，西安地區管樁的提高系數可取1.10~1.25之間為宜。特殊情況下通過試樁可取更大的提高系數，但應視是否為群樁來綜合確定。當有群樁效應或濕陷性土層時，應謹慎對待試樁結果，設計時應降低使用。

 

    4、預應力管樁施工中的問題

    4.1、沉樁方法的選擇

    管樁的沉樁方法，國內比較常見的有：錘擊沉樁、靜力壓樁、振動沉樁、預鉆孔沉樁等，施工時應根據現場的土質與地層情況、沉樁能量要求、周圍環境情況、噪聲控制要求、打樁設備進出條件等，來選擇合適的沉樁施工方法。

    目前在西安地區主要有錘擊沉樁、靜力沉樁及預鉆孔沉樁三種方法。

    本工程原設計沉樁方案為700T壓樁機靜壓沉樁法，但由于場地局部存在④－1中粗砂夾層，厚度約為0.5～1.8m,經螺旋鉆預引孔后，部分樁靜壓時仍然沉樁困難。后來沉樁方案改用錘擊法。

 

    4.2、沉樁終止條件

    管樁施工中，管樁沉樁終止條件的確定非常關鍵，直接關系到樁承載力的大小根據相關資料3，錘擊法管樁終止錘擊的控制原則如下：①樁端位于堅硬、硬塑的黏土、中密以上的粉土、砂土、碎石類土、風化巖時，以貫入度控制為主，樁長為輔；②樁端位于一般土層時，以控制樁長為主，貫入度為輔；③貫入度已達到而樁端標高未達到時，應繼續錘擊3陣，且每陣貫入度均符合要求為準。無可靠經驗時貫入度應通過試驗確定。

 

    一般情況下，管樁貫入度可為：小于10m的短樁，取2.0～3.0cm/陣；大于10m的長樁，可適當放寬。具體可根據樁設計承載力、樁錘大小及落距、持力層等因素，并通過試驗確定。貫入度小于2.0cm/陣時對樁及柴油錘的傷害較大，建議不要采用。

 

    同時，尚應控制總錘擊數及最后1m的沉樁錘擊數。廣東省標準《預應力混凝土管樁基礎技術規程》（DBJ/T15-22-98）及國標《03SG409》均規定：PHC管樁總錘擊數不宜超過2500，最后1m沉樁錘擊數不宜超過300。

 

    當采用靜壓法沉樁時，以終壓力和樁端標高為控制條件。短樁以終壓力為主，長樁以樁端標高為主。短樁終壓力作為主控條件時，一般終壓力宜大于設計要求的單樁承載力極限標準值，即應進行超壓，超壓系數為1.0~1.25；相反，長樁終壓力一般小于設計要求的單樁承載力極限標準值，約為設計樁承載力極限的0.8~1.0倍。

 

    根據試樁結果，本工程錘擊法終止條件確定為最后貫入度為2.0cm/陣。結合地勘報告，參照樁入土深度，確定已進入持力層內約1d。但未能滿足樁端進入⑤層中粗砂1.5d(樁外徑)的設計要求。分析表明，由于該砂層標貫擊數為40～100擊，平均60擊，砂層非常密實，結合施工現場打樁貫入度控制情況，進入1.5d是非常困難的。經分析研究確定，將貫入度作為沉樁終止的主要條件，進入砂層深度作為輔助條件。

 

    4.3、樁尖設置問題

    根據圖集要求，預制管樁宜設置鋼樁尖。樁尖的作用主要有兩個：1，提高穿越土層的能力，為進入持力層提供保證，保護樁體不受破壞；2，設置樁尖，封閉樁端開口，使樁端承載力能得以保證。

 

    由于本工程地基無不良土層；實際施工中開口樁尖由于樁端的土塞效應，樁承載力未受影響。故本工程管樁未設置鋼樁尖。

 

    由于預應力管樁抗側承載力較小，在水平荷載作用下具有脆性破壞的特點，故在高設防烈度地區（8度及以上），國標圖集建議慎重選用。這也在一定程度上限制了預應力高強混凝土管樁在西安地區的使用。

 

    為滿足工程的實際需要，陜西省建委于2009年6月組織相關單位編制了《預應力混凝土管樁》（陜標送審稿）。該標準圖集在國標03SG409的基礎上，對管樁的設計與生產作了如下修改：

 

    1.增加了設防烈度8度地區PHC管樁（AB型）的水平抗震承載力指標，供設計時校核選用；

    2.對樁身混凝土原材料的要求，控制更嚴，如水泥標號要求采用42.5級以上。

    3.管樁樁身單樁豎向承載力極限值計算時，調整了管樁的工作條件系數（國標為0.70, 陜標為0.85），充分發揮了管樁的實際承載能力。

    4.取消了PHC管樁的部分規格，如Φ500壁厚100樁型；Φ600壁厚110樁型等；

    5.取消了預應力混凝土薄壁管樁（PTC）的有關內容

    6.簡化了沉樁施工的有關內容。

 

    為此，建議在管樁設計時，可按照《預應力混凝土管樁》（陜標送審稿）對樁身水平抗震承載力指標校核后選用。當底部剪力系數小于8%時，根據估算，《預應力混凝土管樁》（國標03SG409）中所有PHC樁均能滿足承載力要求，可進行選用。當有兩層及兩層以上地下室，且回填土對側壁的約束條件可靠時，管樁設計時可不考慮水平地震力。

 

    通過對工程實例的分析，并借鑒類似工程經驗，在預應力高強混凝土管樁設計與應用中得出以下體會，歸納以下幾點：

    1.采用預制管樁方案應分析研究場地土層情況的適宜性。

    管樁適用于有堅硬黏土層、中密以上砂層或強風化巖層作持力層的地層。但在石灰巖地層、有多層堅硬夾層、砂夾層厚度較大、較多孤石和障礙物的地層以及淤泥土或雜填土層較厚的地層不宜采用。有濕陷性的土層建議慎重采用。

 

    2.管樁單樁豎向極限承載力，可采用樁基規范公式加以提高預先估算，并結合試樁結果確定；甲類樁基或無經驗時必須進行試樁確定。群樁或有濕陷性土層的情況下，建議謹慎對待試樁結果，降低采用。

 

    3.管樁沉樁終止條件，是管樁設計和施工成敗的關鍵。主要取決于貫入度（或終壓力）和樁長兩個指標。實際施工中，應分清主控指標。

 

    4.8度及以上地區經過抗側力核算并采取措施后，采用預制管樁方案是可靠的。

 

 

    1.《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）。

    2.《預應力混凝土管樁基礎技術規程》（DBJ/T15-22-98）。

    3.《預應力混凝土管樁設計施工及應用實例》（許至均 李智宇 張亦農著）。

    4.《預應力混凝土管樁》（國標03SG409）。

    5.《預應力混凝土管樁》（2009年6月陜標送審稿）。

作者簡介：

    冀新黨，男，漢族，生于1970年，1992年畢業于西北工業大學，現為中聯西北工程設計研究院建筑一院副總工程師，國家一級注冊結構師。