硬黏土地区绿色混凝土管桩关键技术与应用

郭杨 ， 乐腾胜

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥230032；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230032）

1 前言

绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，最大限度的实现人与自然和谐共生的建筑。桩基础作为建筑物结构的重要组成部分，其绿色设计与施工势在必行。

随着我国城市化建设快速发展，硬黏土地区桩基础应用领域不断扩大，桩基承载力越来越高，传统的灌注桩基础造价高、施工周期长、施工易造成环境污染，不符合绿色桩基的发展要求。预应力混凝土管桩具有工厂化生产、机械化施工、承载力高、造价低、工期短、施工环保等优势，符合绿色桩基的发展方向。但在硬黏土地区的应用管桩仍存在以下两个突出问题：一方面，管桩施工过程中挤土效应显著，容易出现桩身上浮、接头松脱、沉桩深度达不到设计要求、竖向承载力和水平承载力不足等问题；另一方面，现有管桩质量检测技术存在局限，不能准确查明管桩的施工质量[1]。

针对上述问题，笔者所在课题组历时10余年通过模型实验、现场试验、数值模拟等研究方法，在预应力混凝土管桩的设计、施工和桩身质量检测验收等方面开展深入研究，取得了关键性的技术研究成果，实现了硬黏土地区绿色预应力混凝土管桩的推广应用。

2 设计技术

硬黏土分布广泛，除沿江沿海和山地丘陵外，我国大部分城市都建于硬黏土地区。硬黏土具有显著的剪胀性、低压缩性和高强度等特性。较软土地区而言，硬黏土地区推广使用预应力混凝土管桩，综合性价比更高。

2.1 竖向极限承载力计算

通过对近3000组试桩静载试验结果进行统计分析，并经工程实践验证，提出硬黏土地区预应力混凝土管桩的竖向极限承载力公式（1）[2]。

式中：ξsi为管桩第i层土（岩）的侧摩阻力增强系数；ξp为管桩第i层土（岩）的端阻力增强系数。在大量工程案例验证的基础上，给出了硬黏土地区管桩侧摩阻力修正系数和端阻力增强系数，其中ξsi在1.00～1.20 之间，ξp在 1.00～1.50 之间。

2.2 压桩力与极限承载力的关系

通过对硬黏土地区预应力混凝土管桩工程大量实测数据统计回归分析，得到硬黏土地区压桩力与极限承载力的区域性经验公式（2）[3]。

式中：β为不同持力土层修正系数，一般对于15～22m之间的中长桩取1.4～1.7，对于6～15m之间的短桩取 1.7～2.1。

3 施工技术

3.1 管桩挤土效应的理论研究

采用圆孔扩张理论模拟预应力混凝土管桩的施工过程，把土体的几何形状、约束、荷载都看成是对称于管桩的中轴线，假定按平面轴对称问题考虑[4]，土体计算单元如图1所示。

推导出半径r处的径向应力：

图1 土单元计算模型

推导出弹性区半径r处的位移表达式：

老黏土地区管桩沉桩时桩周土的塑性位移计算结果表明：老黏土地区管桩压入土体影响范围为管桩外径的4～7倍，挤土效应显著，沉桩时土体的变形会引起相邻管桩的倾斜、上浮和桩身损坏。

3.2 消除管桩挤土效应的技术措施

为减少打桩引起的挤土效应影响，课题组提出了十项技术措施[5]，如表1。建议管桩施工时采用下列一种或者多种技术措施，以减少硬黏土地区的挤土效应。

消除挤土效应技术措施一览表 表1

4 质量检测技术

4.1 管桩桩身混凝土强度检测

目前预应力混凝土管桩桩身混凝土检测一般采用钻芯法检测，主要依据是《钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》（GB/T 19496-2004）[6]标准。但该方法存在众多局限性，如芯样一般沿管桩径向钻取，与管桩实际受力方向不符；试验结果存在一定误差，评定方法容易引起争议；检测周期较长[7]。

随着我国压力试验设备能力的提升，课题组提出了桩身混凝土全截面抗压强度试验方法，在预应力混凝土管桩上直接截取全截面管桩环形试件，截取试件时应避开管桩螺旋筋加密区。试件的高径比应为1.0～2.0，试件高度的尺寸偏差不宜大于5%。试验前，应对试件的垂直度和平整度进行测量，并符合：试件端面的平整度在100mm长度内，不超过0.1mm以及试件端面与与轴线的垂直度不超过2°这两点要求。

抗压试验在压力试验机上进行，预应力混凝土管桩全截面试件的抗压强度应按下列公式（5）计算。

式中：fcu——试件抗压强度值（MPa），精确至0.1MPa；

P——试件抗压试验测得的破坏荷载（N）；

A——预应力混凝土管桩桩身横截面计算面积，预应力钢棒应按模量等效换算为混凝土面积（mm2）；

ξ——试件抗压强度换算系数，当试件高径比为1.0时，宜取1.0。

预应力混凝土管桩桩身全截面抗压强度试验图如图2所示，全截面抗压强度结果更加接近于试验混凝土立方体试块抗压强度试验结果。当对钻芯法的检测结果评价有争议时，可采用管桩全截面抗压试验进行评价。该方法已被写入国家行业标准《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJ/T 406-2017）[8]。

图2 桩身全截面抗压强度试验图

4.2 管桩桩身完整性检测技术

现行国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）[9]利用反射波法反算缺陷位置时，计算示意图如图3，计算采用公式（6）。

式中：x为桩身缺陷至传感器安装点的距离；Δtx为速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差；ΔT为速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差；L为桩长。

图3 现行规范管桩缺陷反演分析示意图

式（6）是建立在一维理论基础上的，没有考虑三维效应的影响。由图4可以明显地看出应力波在管桩中传播存在三维效应，课题组考虑三维效应，对计算公式（6）进行三维修正，得出了管桩缺陷位置反演的计算公式（7），根据横波从桩顶敲击点传播到接收点所用时间近似等于 td，得出公式（8）[10]。

图4 管桩浅部深度环向线的三维波场图

通过对管桩缺陷位置的三维反演研究，不难得出：到在桩顶时域曲线上，测点处速度波第一峰的对应时间比激振点处有一定滞后，考虑到管桩的三维效应的修正方法，可使反演误差大大减小，尤其是浅部缺陷，试验桩的反演结果与实际值接近，能更好地指导实际工程应用[11]。

4.3 管桩承载力检测方法

目前最常用的管桩承载力检测方法为静载试验，包括单桩竖向抗压（拔）静载试验和单桩水平静载试验。当在桩身埋设有应变测量传感器时，也可以测量相应荷载作用下的桩身应力，并由此计算桩身弯矩。静载试验是目前公认的检测基桩承载力最直观、最可靠的试验方法。

除了静载试验外，高应变也是判别单桩竖向抗压承载力是否满足要求的一种评价方法。高应变法检测成本低（相对静载而言），抽样数量比静载多，可用于预制桩的打桩监控和部分工程的承载力验收检测。因高应变检测结果与静载试验的结果存在较大差别，国内某些省（市）已严格限制该方法的使用范围[12]。

4.4 预应力管桩新技术

针对预应力混凝土管桩水平和抗拔承载力不足的技术问题，课题组发明了一种玻璃纤维筋与钢筋混合配筋的预制管桩新技术和抱箍式连接抗拔管桩。

4.4.1 玻璃纤维筋与钢筋混合配筋的预制管桩

玻璃纤维筋与钢筋混合配筋的预制管桩（简称PRC-G桩）新技术如图5和图6。即在预应力混凝土管桩中加入一定数量的GFRP筋，通过有效发挥GFRP筋抗拉性能，显著提高预应力混凝土管桩的抗弯承载力[13]。PRC-G桩抗弯性能试验表明：玻璃纤维筋的配置显著提高了预应力混凝土管桩的抗弯性能；与同型号PHC管桩相比，PRC-G桩的开裂荷载提高了112%，极限荷载提高了150%[14]。

图5 PRC-G桩

图6 PRC-G桩圆截面布筋示意图

图7 抱箍式连接抗拔管桩接头

4.4.2 抱箍式连接抗拔管桩接头

管桩接头的抱箍式连接如图7，抱箍式连接抗拔管桩接头主要由特制端板和抱箍式连接件组成，抗拔管桩端板比常规管桩端板强度更高，且端板外周设置有与U形抱箍卡配套的卡口，端板外周设置配套的螺栓孔；抱箍式连接头抗拉试验表明：抱箍式连接接头抗拉强度比焊接连接头抗拉强度提高100%以上[15]。

5 标准制订情况

预制混凝土桩行业的标准制订也取得了新进展，以国家标准《先张法预应力混凝土管桩》（GB 13476-2009）和国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》（10G 409）为基础，相继编制了国家行业标准《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJ/T 406-2017）、《预应力混凝土异型预制桩技术规程》（JGJ/T 405-2017）、《静压桩施工技术规程》（JGJ/T 394-2017）等。

2006年以来，安徽省先后制定了《先张法预应力混凝土抗拔管桩（抱箍式连接）》（DBJT11-166）、《机械连接预应力混凝土竹节桩》（DBJT11-179）、《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》（DB34 5005-2014）、《预应力混凝土竹节桩基础技术规程》（DB34/T 5014-2015）、《先张法预应力混凝土空心方桩基础技术规程》（DB34/T 5015-2015）、《玻璃纤维增强复合材料筋地下工程应用技术规程》（DB34/T 5065-2016），内容涵盖了安徽地区地基勘察、管桩制作、规格和质量要求、管桩基础设计、管桩基础施工、管桩基础的检验与验收等内容，加入了众多安徽老黏土地区特有的关键技术指标，为管桩在我省推广应用提供了科学的技术保障。

6 经济社会效益

预应力混凝土管桩关键技术研究成果已在我省1500多个重点建设项目中得到推广应用，典型工程如芜湖长江二桥、济祁高速、合肥绕城高速及合肥融科城等，总用桩量约8000多万m，研究成果有效解决了预应力混凝土管桩在设计、施工及验收检测中遇到的技术难题。

在同等承载条件下，硬黏土地区预应力混凝土管桩与常规混凝土灌注桩相比，节约基础工程造价30%以上，缩短工期40%以上，且施工环保无污染，符合绿色施工要求和建筑工业化发展方向。

7 应用展望

预应力混凝土管桩在我国推广应用已近30年，据不完全统计，2016年全国管桩销售量约为5亿m。随着新材料、新工艺和新桩型的进一步研发，预应力混凝土管桩必将得到更为广泛的应用。

①新材料方面。采用蒸养生产的管桩，应用磨细矿物掺合料后，其配制的混凝土性能和技术效果优于自然养护下的混凝土性能。采用免压蒸生产的管桩，应用纳米微珠超细粉，能使混凝土更加密实，强度更高，同时其抗渗性、抗蚀性能也得到极大的改善。

②新工艺方面。为了配合机械化、自动化生产线的需要，已研发出了泵送喂料设备、自动吊具、自动清模机、自动喷涂脱模剂等设备，并正在逐步完善。这些设备的应用，减轻了操作工人的劳动强度、减少了用工数量、改善了安全生产环境、提高了工效。

③新桩型方面。未来，预应力混凝土管桩新桩型的研发包括大直径钢绞线预应力混凝土管桩、预应力高强混凝土耐腐蚀管桩、免蒸压预应力高强混凝土管桩、H型钢混凝土桩、异型桩、玻璃纤维复合材料筋与钢筋混合配筋的预应力混凝土管桩等内容。