预应力混凝土管桩在砂性土层中的应用分析

刘洋

摘要： 本文结合砂性土岩土条件，提出了预应力管桩适用的单桩承载力计算方法，根据施工实践，对植桩过程、缺陷可能性、方案优化对比进行了介绍和分析，与同行共同探讨。

关键词： 预应力混凝土管桩 砂性土 单桩竖向承载力 植桩

在我国，预应力混凝土管桩首先应用于铁路系统，八十年代初期，上海、广东等地开始推广应用，进入九十年代江苏、浙江也广为应用。南通地区浅土层普遍存在理想的植桩持力层（砂性土层），由于受到挤土效应、机械设备、施工能力、材料来源等因素限制，推广使用较晚，从单桩承载力价格比、工期，质量等几个方面综合考虑，它具有独特的优势，然而，预应力混凝土管桩（静压法植桩为主）在砂性土地层中的使用仍是个比较复杂的技术，应对桩基方案优化对比，合理选用机械、精心组织施工。

一、 预应力混凝土管桩的单桩竖向承载力估算及分析

1、 单桩竖向承载力估算

单桥探头静力触探法是主要根据同济大学在上海和南通本地大量试验中总结出来的，比较适合南通地区地质情况（砂性土为主）。近几年大量的工程试验证明，使用单桥静力触探资料估算单桩承载力是行之有效的方法，其计算精度完全可以满足工程设计的要求。

上式中相关参数及修正系数的取值十分关键，JGJ94——2008规范5.3.3已作详细说明，其中 取值对于粉土及砂性土、适用于折线○D即为0.02 ，实际应用中，地表以下6m范围内的粉土为主的土层中，我们一般统一按15 kpa，，而对于6m以下 值达到7.0 以上的砂性土， 值可按100kpa考虑。

2、 几种管桩的竖向承载力分析

1） 闭口管桩

闭口管桩的承载力变形机理与混凝土预制桩是相同的。管桩光滑的表面性质与混凝土预制桩粗糙的表面虽有所不同，但大量试验结果表明，两者的极限侧阻力是可视为相等，因为一般砂性土层中侧阻剪切破坏面是发生于靠近桩表面的土体中，而不是发生于桩土界面。因此，闭口管桩承载力的计算可以采用与混凝土预制桩相同的模式和承载力系数。

2） 敞口管桩的端阻力

敞口管桩的承载力机理比闭口管桩复杂。这是由于沉桩过程，桩端土的一部分进入管内形成“土塞”。土塞的沉桩过程受到管内壁摩阻力作用而产生一定压缩。土塞的高度及闭塞效果随土性、管径、壁厚、桩入土深度及进入持力层的深度等诸多因素而变化。而桩端土的闭塞程度又直接影响桩的承载力性状，称此为“土塞效应”。管内土芯侧阻力的发挥，性状不同于管外侧阻力。后者随桩顶受荷沉降自上而下逐步发挥，后者则只有当荷载传递到桩端并产生桩端沉降才开始由上而下逐渐发挥。土塞的模量越低，土塞的高度越大，全部充分发挥土塞侧阻力所需的沉降越大。敞口管桩端阻力的破坏以下列两种形式之一出现：

① 土塞沿管内向上挤出，或由于土塞的压缩量大且高度大，虽未全长向上挤出，但桩端土已大量拥入。

② 桩端地基土如同闭口桩一样破坏。

对于第一种情况，桩端土处于未完全闭塞状态，其闭塞程度主要随桩进入持力层的深度增大而增大，随管桩内径增大而降低。对于第二种情况，桩端土处于完全闭塞状态，其端阻力发挥值与闭口桩相同。

南通亿达基础工程公司曾进行了闭口、敞口管桩的比较试验，某工程用 400mm混凝土管桩，内径为 270mm，进入持力层中密粉砂土深度3～4米，其相对深度大于10m，结果敞口桩和闭口桩承载力完全相同。根据现有资料分析，建议敞口桩进入持力层相对深度在3～5米之间，土塞效应系数取0.5～0.8；大于5时取0.8～1.0，管桩内径较小时取较大值，而管径内径较大时取较小值。

3） 敞口管桩侧阻力

敞口管桩沉桩过程中一部分土进入管内形成土塞，一部分被挤向四周，因此其挤土效应不同于闭口桩。桩侧阻力的性状受挤土效应影响，也受到桩端闭塞情况的影响。试验表明，桩的上部影响较大，中部影响次之，下部影响较小，而且还与桩的长度，尤其是土塞的长度，开口大小，闭塞状况有密切的关系。建议侧阻力降低系数为0.9～1.0.另外由于部分土进入管内侧减小了挤密系数。软土中敞口管桩上部侧阻力值明显小于方桩。而在砂性土地基并不十分明显，原因在于形成的土塞比较短，进入持力层深度较大，土塞的闭塞效应比较好。

3、 桩基设计

预应力混凝土管桩采用先张法预应力离心工艺（雷蒙特法），经高速离心而成，蒸汽养护，工厂化生产，产品性能可靠，稳定性好，参照相关图集制作。其桩位布置同预制混凝土桩和钢管桩，详见JGJ94-2008规范，本文不作介绍。

二、 植桩过程及缺陷可能性分析

1、 植桩过程

混凝土预应力管桩植桩目前主要有静压法和锤击法，综合各方面因素，目前本地区施工中一般以静压法为主。

砂性土层中，植桩最为关键的是机械施工能力和压桩力控制。由于砂性土地层中挤密效应的影响，施工中应做到：

① 无论是敞口桩还是闭口桩，和预制方桩一样，遵循由中间向四周、先内后外、先大后小，先长后短等原则施工。

② 桩较短，进入持力层深度不大时，宜用闭口桩；而桩较长时进入持力层深度较大、直径较大的管桩为减少挤土作用，宜采用敞口管桩。

③ 选用合适的施工机械，大吨位的压桩机施工规格较小的管桩，会造成桩身损伤和机械人员事故，砂性土中压桩力一般为1.2 ，穿过薄层密实砂土层时，应增大压桩力。

④ 植桩过程中，依据场地详细勘察报告，根据地层变化，及时调整桩长和施工参数，遇异常情况应及时与勘察及设计人员联系。

⑤ 保持机械水平以保证桩的垂直度、用水准仪控制好每根桩的桩顶标高。

2、 缺陷可能性分析

① 勘察资料不准或布点密度不够引起的缺陷应在设计准备阶段做好前期工作。

② 桩身垂直度和桩顶标高应由施工按规范要求严格控制，减少缺陷发生的系统性因素。

③ 近幾年南通地区已发生多次，由操作不当形成的缺陷，主要为复压过程中的机械移动和工地周边重型机械的搬运，复压过程中桩基在已成桩的地基上搬运，重型机械本身巨大的压力使桩上部承受土体的垂直和侧向压力而使桩上部折裂或折断，尤其是桩上部位于软弱土层或暗河，明河回填区，这种情况更多见，而施工过程中的班组轮换，更易出现桩被挤压断裂的情况（小直径桩较多出现），当管桩出现偏移设计位置，一般应做小应变判定桩身质量，分析是属于桩身偏位、桩身倾斜还是由于桩上部断裂所致。

三、 尚待研究的几个问题

近几年来，随着管桩在大中型工程中的推广使用，它的优势逐渐被人们所认识，随着工程实践的不断深入，我们应该收集数据、总结经验，为今后的设计和生产提供指导和服务。

① 收集分散在各单位的试桩资料，作出地区砂性土层中试桩图谱，数据量达到要求后，可画出实测、计算频数分布图，进一步完善和准确计算数据中各项参数的取值。建立更准确的地区侧壁摩阻力取值经验公式，提供理论计算值得准确性，指导桩基勘察、设计。

② 对植桩以后的桩间土可进行静探原位测试，对比植桩前资料，研究砂性土层中挤土效应和土性变化情况，尤其是多桩承台，应充分研究土层中变化规律，指导桩基设计和施工。

③ 结合土层情况，研究压桩机和单桩承载力的准确对应关系，结合以上结论，逐步做到相同地质条件的二类建筑可以不作静载荷试验，一级建筑可以少做静载荷试验，以节省大量人力物力。

参考文献

1、《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008，中华人民共和国行业标准。

2、《南通市土木建筑学会》交流资料