超高强混凝土管桩（UHC）基础设计探讨

王琪

（厦门大学建筑设计研究院有限公司，福建厦门 361100）

1 引言

预应力高强混凝土管桩（PHC）经过二十多年的发展，以其造价低廉，生产工艺简单、成熟，施工便捷，质量控制可靠等优点，得到了业主认可和市场的广泛应用。但是随着建筑市场的发展，传统的预应力高强混凝土管桩已经难以满足要求，进而出现了一些新的标准以满足高承载能力预制桩型的需求。接下来就对超高强混凝土管桩（UHC）基础设计进行介绍。

2 工程概况

某地产项目位于厦门翔安，地下两层通场地满布，地上若干栋34 层纯住宅高层建筑，控制高度100 m 以内，总建筑面积约17 万m2。当地抗震设防烈度7 度0.15g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组属第三组，场地特征周期0.45 s。当地基本风压0.8 MPa，基本雪压为0。各塔楼结构采用剪力墙结构，剪力墙抗震等级二级，纯地下室采用框架结构，框架抗震等级三级。

3 地质条件与结构布置

根据地勘报告，场地属于丘陵缓坡地段，地面起伏不是很大，典型孔位的土层自上而下大致描述见表1。

表1 场地土层分布情况表

塔楼结构布置简图如图1 所示。

图1 塔楼竖向构件布置图

4 桩型选择及单桩承载力计算

4.1 桩基选型

按照上部结构试算的柱墙底轴力，以及地勘报告反映的地质条件，塔楼显然不具备浅基础条件，地勘报告建议采用桩基础。对比分析预制桩和灌注桩，包括常见的预应力管桩PHC、预制方桩、冲钻孔桩、旋挖桩等桩型，综合考虑成本造价控制等因素，排除了造价较高、施工周期较长的灌注桩，同时地勘报告显示场地内未见孤石等影响预制桩沉桩的不利因素，初步考虑预应力管桩PHC，然而经过初步试算，采用预应力管桩PHC500(125)型桩时，单桩竖向承载力特征值最高也就2 200 kN，大约需要布置230 多根桩，不仅剪力墙下独立承台难以满足布桩要求，即使采用整体桩筏基础布桩时，筏板也要扩出塔楼范围较大尺寸，造成成本增加较大，超出了开发商的成本控制指标，开发商难以接受，基础设计难以进行下去。后经采用超高强混凝土预应力管桩C105 型UHC500(125)试算，桩筏尺寸基本控制在塔楼范围，桩数也较PHC 桩减少了50%以上，成本测算很好地满足了开发商的指标要求。

4.2 UHC桩基单桩承载力计算

按照T13/FJECSA 003—2019 《预制桩工程技术规程》第4.2.8 条，桩基竖向承载力特征值按式（1）估算[1，2]：

式中，Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；qpk、qsik为桩端极限端阻力标准值、桩侧极限阻力标准值，kPa；Ap为桩底端横截面面积，m2；up为桩身周边长度，m；li为第i 层岩土的厚度，m。

对于C105 型UHC500(125)桩：

由T13/FJECSA 003—2019《预制桩工程技术规程》附录F查得该桩型桩身轴心受压强度设计值（未考虑压屈影响）R=6 818 kN。

显然桩基承载能力起控制作用，因此，设计实际采用单桩承载力特征值Ra=3 250 kN。并按此用YJK 结构软件进行布桩计算，得到的布桩总数约130 根，平均反力2 490 kN，最大反力3 416 kN，桩基布置图及桩反力计算简图见图2 和图3。

图2 塔楼桩基布置图

图3 桩竖向承载力验算结果（单位：kN）

4.3 单桩竖向承载力静载试验

大规模施工前，进行了静载试验，结果良好，单桩竖向承载力极限值达到7 100 kN。具体分级加载情况见表2 和表3。荷载-位移（Q-s）曲线如图4 所示，对数（s-lgt）曲线如图5所示。

图4 Q- s 曲线

图5 对数曲线

表2 静载试验结果汇总表

表3 试桩桩位地质情况

4.4 UHC桩型与PHC桩型桩身基本参数对比分析

查阅T13/FJECSA003—2019《预制桩工程技术规程》附录F 中C105 型UHC500(125)桩，对比10G409 图集《预应力混凝土管桩》中C80 型PHC500（125）桩的基本参数指标如表4所示。

对比表4 数据，可以发现：

表4 UHC桩型与PHC桩型桩身基本参数对比

1）C105 型UHC500（125）桩桩身轴心受压承载力设计值（未考虑压屈影响）6818kN，而PHC 桩桩身轴心受压承载力设计值（未考虑压屈影响） 为3 701 kN， 承载力提高了6818/3701=1.84 倍，桩身强度提高了84%，抗压承载能力提高非常显著。

2）两种桩型桩身受弯承载力设计值基本一样，没有提高。但其按标准组合计算的抗裂弯矩明显有所提高，按4 组数据比 值 分 别 为 ：137/123=1.11；158/144=1.1；185/170=1.09；208/193=1.08，显然UHC 桩标准组合计算的抗裂弯矩值比PHC 桩标准组合计算的抗裂弯矩值提高了8%~11%，抗裂弯矩略有提高，效果不大。

3） 两种桩型桩身受剪承载力设计值4 组数据比值分别为：274/243=1.13；307/273=1.125；345/308=1.12；373/333=1.12，因此，UHC 桩桩身受剪承载力设计值比PHC 桩桩身受剪承载力设计值提高了11%~13%左右，有所提高但效果并不明显。

4）桩身主筋数量与直径完全相同，其实桩身制作配筋完全没变，提高的主要是混凝土本身的强度等级。

5）桩身混凝土有效预压应力4 组数据比值分别为：4.56/4.53=1；6.22/6.18=1；8.32/8.24=1；10.05/9.93=1，显然混凝土有效预压应力基本没有变化。

5 总结思考

总结本次基础设计，有如下几点体会：

1）综合考虑两种桩型施工设备和工艺相同，施工简洁方便的特点，可以扬长避短的组合使用，UHC 桩显著提高了桩身受压承载能力，可以布置在竖向荷载较大的塔楼下桩筏基础，而裙房或纯地下室部分柱底轴力较小，主要以抗浮为主，可仍然采用PHC 桩基础。

2）无地下室的高层建筑或柱轴力较大多层建筑，柱底弯矩和剪力分别需要桩身抗弯、抗剪来参与平衡，这种情况采用UHC 桩时应特别注意验算桩身抗弯强度以及桩身抗剪强度能否满足要求。

3）支护结构或淤泥层较厚或存在可液化砂层的地质条件下，主要以水平受力为主，UHC 桩身抗弯抗剪强度一般很难满足，应慎重采用。

4）与PHC 桩相比，UHC 桩强度更高更脆，压桩力更大，场地内有孤石的情况下，沉桩过程更易出现断桩、裂桩等情况，影响桩身正常工作，因此，这类场地下使用时，应采用机械装置引孔穿过孤石区，以保证桩身完整性。

5）UHC 桩目前还没有标准图可以直接套用，相应的细部节点做法一般均参照PHC 桩图集使用，经复核验算，国标10G409 图集中桩顶与承台连接大样做法仍可满足UHC 桩使用，其接头混凝土桩身承载力以及局压均满足要求，可以放心套用。

6）UHC 桩防腐抗裂要求与PHC 桩无异，不再赘述。