水泥土复合管桩抗拔设计的探讨

甘文爽 谢雷雷 朱 勇 朱 旭 倪伟明 俞伟刚 郇 盼 唐恒森

（1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.荣盛新材料（舟山）有限公司，浙江舟山 316032；3.浙江石油化工有限公司，浙江舟山 316021；4.北京荣创岩土工程股份有限公司，北京 100085）

0 引言

装配式建筑物因其可实现产业化、标准化[1]，可充分发挥节能环保、降低环境污染、缩减建设工期、提高建设质量等优势，国内外均在大力发展装配式设计和施工技术[2]。水泥土复合管桩融合了高压旋喷桩、深层搅拌桩、管桩等技术优势，具有大直径、长桩、高承载力、性价比高、施工效率高等特点[3]。水泥土复合管桩与灌注桩、管桩、水泥土桩等技术相比，可大量节省钢材、砂石等原材料[4]，施工现场无泥浆排放污染、噪音污染与挤土效应，是一种典型的“绿色装配式建筑基础”，符合国家“四节一环保”政策，应用前景广阔[5]。结合试验案例对水泥土复合管桩抗拔承载性能进行研究，完善和发展承载理论，为其进一步推广使用提供可靠依据。

1 水泥土复合管桩的基本原理

水泥土复合管桩是由高压旋喷、高喷搅拌、潜孔冲击高压旋喷注浆以及长螺旋中心压灌水泥土浆体等工法形成的水泥土桩在初凝前，同心植入管桩，水泥土桩固化后与管桩组合形成的一种桩型[6]。对于水泥土复合管桩桩顶承受的抗拔荷载而言，首先通过管桩和水泥土界面传递至水泥土桩；然后再通过水泥土桩和土界面传递至桩侧土[7]。与荷载传递路径相对应的是管桩、水泥土桩及桩侧土，其材料结构刚度按梯度逐渐降低，作为管桩与桩侧土之间的水泥土过渡层有效地传递剪应力和摩擦力[8]。该桩型能够充分利用管桩中预应力钢筋的抗拉强度和预制混凝土的抗裂缝性能，并且水泥土桩对管桩起到保护层作用，改善了管桩的工作环境，提高了管桩的耐久性[9]。同时，合理选择水泥土复合管桩的直径，可增大其桩侧摩阻力，进而提高单桩的抗拔承载力[2]。为了确保水泥土与管桩之间的握裹（粘结）力，水泥土桩直径与管桩直径之差不应小于300 mm。为有效传递剪应力，水泥土强度不应小于4.0 MPa[10]。水泥土复合管桩的实体照片见图1。

图1 水泥土复合管桩实体照片

2 单桩抗拔承载力特征值计算

在工程设计中，抗拔桩一般用于抗浮及高耸建（构）筑物桩基础的抗拔设计。因荷载作用的工况不同，桩的受力性质也就有所不同，单桩有时受拔有时受压。所以，对此类桩不仅要计算抗拔，还应计算竖向抗压承载力特征值。本文仅讨论单桩的抗拔承载力，对竖向抗压承载力不作赘述。此类桩基础设计时，应根据岩土工程勘察报告提供的地基土参数及不同的桩基类型，采用相应的规范和计算公式，初步计算单桩的抗拔承载力并提出静载荷试桩方案和要求。然后根据抗拔静载荷试桩结果，验证抗拔桩基础设计计算结果。

2.1 单桩竖向抗拔承载力特征值计算

根据《水泥土复合管桩基础技术规程》（JGJ/T 330-2014），初步设计时水泥土复合管桩单桩竖向抗拔极限承载力标准值分两种工况，可按下式计算，并取其中的较小值[10]：

单桩或群桩呈非整体破坏时

群桩整体破坏时

λ1、λ2-管桩抗拔系数、水泥土复合管桩抗拔系数，可按《水泥土复合管桩基础技术规程》表4.3.6取值；

qsk-管桩-水泥土界面极限侧阻力标准值，kPa；

l-管桩长度，m；

U-水泥土复合管桩周长，m；

qsik-第i层土的极限侧阻力标准值，kPa，无当地经验时，可取现行行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ 94）规定的泥浆护壁钻孔桩极限侧阻力标准值的1.5～1.6 倍；

Ul-群桩外周边长度，m；

n-桩基中的桩数。

对于水泥土复合管桩的自重可以忽略不计，作为安全储备使用。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），钻孔灌注桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值可按下列公式计算[11]：

式中：Tuk-基桩抗拔极限承载力标准值；

qsik-桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值，可按本规范表5.3.5-1 取值;

λi-抗拔系数，可按表5.4.6-2 取值。

li-桩身长度；

Nk-按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；

Tuk-群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，可按本规范第5.4.6 条确定；

Gp-基桩自重，地下水位以下取浮重度，对于扩底桩应按本规范表5.4.6-1 确定桩、土柱体周长，计算桩、土自重。

2.2 单桩抗拔裂缝宽度计算

抗拔工程桩应根据设计使用年限和环境类别进行耐久性设计。其中，受拉桩身的裂缝宽度控制是关键指标，设计时应根据环境类别和裂缝控制等级验算桩身最大裂缝宽度的限值，且应符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中第3.4.5 条的规定。管桩裂缝控制等级取一级，按受拉荷载标准组合计算时，受拉边缘混凝土不应产生拉应力，桩身不出现裂缝。钻孔灌注桩中的配筋为普通钢筋，裂缝控制等级为三级，根据桩身所处的环境类别，确定桩身最大裂缝宽度的限值。按受拉荷载标准组合的最大裂缝宽度按下式计算[12]：

综上所述，在抗拔桩设计时，单桩抗拔承载力特征值和桩身的裂缝宽度均需计算。当采用管桩时，根据选定管桩的型号，其桩身的抗裂拉力对应一个确定值，按荷载标准组合计算的抗裂拉力小于等于该确定值时，则不需验算裂缝宽度也能满足设计要求。当采用钻孔灌注桩时，除计算单桩竖向抗拔承载力特征值外，尚须计算配筋和裂缝宽度。一般情况下，抗拔桩的含筋量较高，采用混凝土的强度等级应不小于C30。

3 试桩方案

北京某地下工程抗浮桩，场地的工程地质参数见表1。勘察场地深度范围内实测到三层地下水分别为：层间水、潜水-承压水及承压水。勘察期间实测地下水埋深为14.80～16.80 m，相应标高22.71～23.91 m。本工程±0.000 相当于绝对标高为40.60 m，抗浮设防水位标高为35.80 m。

表1 工程地质参数

3.1 抗拔桩设计条件

该项目由主场馆和周边纯地下室组成，主场馆拟设地下3 层地下室，基础埋深约14.5 m；场馆周边纯地下室部分拟设地下3 层，基础埋深约19.0 m；部分区域基础埋深约24.42 m。根据建筑物和抗浮设防水位标高，计算不同区域单位面积的浮力大小，布设抗浮桩。设计拟初步采用正方形布桩，其间距约为3.0 m×3.0 m，然后进行现场试桩，根据单桩竖向静力抗拔载荷试验测得抗拔承载力特征值确定桩型。

3.2 抗拔桩的设计参数

根据上述抗拔桩的布设和设计条件及《水泥土复合管桩基础技术规程》（JGJ/T 330-2014）中的前述公式、初步设计水泥土复合管桩的直径、管桩型号、有效桩长及抗拔承载力特征值等，水泥土复合管桩抗拔设计方案参数见表2；同理，在设计桩顶标高和抗拔承载力特征值相同的条件下，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中的前述公式。初步设计抗拔钻孔灌注桩的桩径、有效长度及其配筋，钻孔灌注桩抗拔设计方案参数见表3。

表2 水泥土复合管桩抗拔设计方案参数

表3 钻孔灌注桩抗拔设计方案参数

3.3 抗拔水泥土复合管桩的顶部连接方式

根据建华集团现行《先张法预应力混凝土抗拔管桩》（Q/321183 JH002-2019）企业技术标准，拟采用机械连接，在管桩端板内设置带母螺丝的张拉机械套筒，其套筒长100 mm，带螺纹锚固段长度L2=50 mm 或60 mm，见图2 及表4。开挖基坑后清理管桩顶部，选取带螺丝的HRB400 钢筋与管桩顶部的预埋套筒（带母螺丝）机械连接，接头等级采用Ⅰ级（100%接头），且钢筋长度应满足锚固长度的要求，具体工程实例见图1。

表4 张拉机械套筒参数表 mm

图2 张拉机械套筒构造图

本次抗拔静载荷试验试桩所用管桩型号分为PHC 400 C 95 和PHC 500 B 100，其中预应力钢筋分别为13φ10.7 和11φ12.6，桩顶设置的连接锚固钢筋HRB400 且带螺丝，对应的直径分别为20 mm 和22 mm。

3.4 水泥土复合管桩的施工

本工程施工采用长螺旋中心压灌水泥土浆体形成的水泥土桩在初凝前，同心植入管桩。施工过程中，采用垂直度传感器实时监测长螺旋钻杆的垂直度，以便保证水泥土桩的垂直度。当长螺旋钻至设计标高后，通过长螺旋中心管向孔底压灌由水泥砂土、固化剂及添加剂组成的复合浆液，泵送压力应不小于2.0 MPa，边压灌边提钻至设计标高，提钻后移走长螺旋钻机。然后采用吊车将设置了定位装置的管桩，以自由沉入方式植入未初凝的复合浆液体中，采用静力将管桩压至设计标高，同时采用水准仪测量严格控制桩顶标高。既确保管桩同心植入又使复合浆液包裹着管桩固化，将刚柔两种材料紧密组合。施工过程中取钻孔中不同深度的复合浆液，制作标准试块，在同条件养护至要求不同龄期，检测无侧限抗压强度。14 d同条件养护条件下测得水泥土试块强度：第一组，平均值5.5 MPa，最小值4.7 MPa；第二组，平均值4.9 MPa，最小值4.3 MPa。强度均满足设计要求[13]。试桩开挖后现场照片如图3 所示。

图3 水泥土复合管桩现场照片

4 单桩竖向抗拔静载荷试验

4.1 水泥土复合管桩竖向抗拔静载荷试验

根据试桩设计方案，水泥土复合管桩抗拔静载荷试验分两组，每组3 根，共6 根，各组试桩桩型见表5。第一组试桩编号为FH1-1#、2#、3#；第二组试桩编号为FH2-4#、5#、6#。两组水泥土复合管桩上拔静载荷试验的U-Y0曲线见图4。根据现行《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）第5.4.4 条及上拔荷载-竖向位移曲线等综合确定[14-15]：第一组3 根水泥土复合管桩的单桩竖向抗拔极限承载力均为1400 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为700 kN；第二组3 根水泥土复合管桩的单桩竖向抗拔极限承载力均为1600 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为800 kN。

表5 抗拔桩参数及抗拔静载荷试验结果

图4 水泥土复合管桩上拔荷载-竖向位移（U-Y0）曲线图

4.2 钻孔灌注桩竖向抗拔静载荷试验

根据试桩设计方案，钻孔灌注桩抗拔静载荷试验分两组共5 根，第一组3 根，第二组2 根，各组试桩桩型见表5。第一组试桩编号为GZ1-1#、2#、3#；第二组试桩编号为GZ2-4#、5#。两组钻孔灌注桩抗拔静载荷试验的U-Y0曲线见图5。根据现行《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）第5.4.4 条及上拔荷载-竖向位移曲线等综合确定[14-15]：第一组3 根钻孔灌注桩的单桩竖向抗拔极限承载力均为1400 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为700 kN；第二组2 根钻孔灌注桩的单桩竖向抗拔极限承载力均为1600 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为800 kN。

图5 钻孔灌注桩上拔荷载-竖向位移（U-Y0）曲线图

5 水泥土复合管桩与钻孔灌注桩对比分析

水泥土复合管桩与钻孔灌注桩在相同上拔荷载标准组合作用下，桩身轴心受拉时裂缝控制等级和裂缝宽度显著不同。预应力管桩控制等级为一级，不出现裂缝。钻孔灌注桩裂缝控制等级为三级，且根据环境类别其裂缝宽度不应大于0.20 mm。本次单桩抗拔静载荷试验是按上拔荷载标准组合计算的抗裂拉力为700 kN 和800 kN 条件下，根据现行规范设计水泥土复合管桩和钻孔灌注桩的试桩参数以及现场抗拔桩静载荷试验结果见表5。

根据抗拔桩静载荷试验结果，当单桩竖向抗拔承载力特征值为700 kN 时，水泥土复合管桩FH1-1#、2#、3#的竖向位移平均值为1.34 mm；钻孔灌注桩GZ1-1#、2#、3#的竖向位移平均值为5.15 mm。钻孔灌注桩的竖向位移是水泥土复合管桩3.8 倍。当单桩竖向抗拔承载力特征值为800 kN 时，水泥土复合管桩FH2-4#、5#、6#的竖向位移平均值为2.58 mm；钻孔灌注桩GZ2-4#、5#的竖向位移平均值为8.47 mm。钻孔灌注桩的竖向位移是水泥土复合管桩3.3 倍。由此可见，单桩竖向抗拔试验表明，钻孔灌注桩的竖向位移是水泥土复合管桩竖向位移的3.0 倍多，且计算裂缝宽度值也较大。因此，水泥土复合管桩的耐久性优于钻孔灌注桩。

根据水泥土复合管桩和钻孔灌注桩抗拔设计参数和实测静载荷试桩结果，在单桩抗拔承载力相同、裂缝宽度满足工程设计要求的条件下，二者的工程量存在明显差异。将水泥土复合管桩和钻孔灌注桩的钢材、混凝土和水泥用量以及工程综合造价进行分析与对比。水泥土复合管桩FH1 相对应钻孔灌注桩GZ1；水泥土复合管桩FH2 相对应钻孔灌注桩GZ2。钢材、混凝土和水泥用量以及综合造价对比见表6。

表6 钢材、混凝土和水泥用量以及综合造价对比

由表6 中两组桩型对比可知，在抗拔力特征值相同的条件下，灌注桩的钢材用量均是复合桩钢材用量的3.4 倍；钻孔灌注桩混凝土用量是水泥土复合管桩用量的4.3 倍。水泥土复合桩中增加的水泥用量为2.19 t、2.58 t，并且能就地取材，采用水泥浆液在孔内搅拌形成水泥土桩，亦可采用水泥与砂土配制成水泥砂土浆液，然后通过长螺旋中心压灌形成水泥土桩替代混凝土，增大水泥土复合桩的侧阻力，也提高了该桩型的抗拔承载力。在同等承载力条件下，水泥土复合管桩较钻孔灌注桩方案单桩造价节省约20%，有效地降低了工程造价，也能相对地缩短工期。

6 结论

（1）水泥土复合管桩是采用不同工法形成的水泥土桩在初凝前，同心植入管桩，水泥土桩固化后与管桩组合形成的一种桩型，是一种新的施工技术。水泥土复合管桩更适合于抗拔桩，充分利用管桩中预应力钢筋的受拉性能。管桩的裂缝控制等级为一级，不产生裂缝，同时，外侧握裹着厚度不小于150 mm、强度不应小于4 MPa 的水泥土能有效的保护管桩，增加管桩的耐久性。

（2）根据现场单桩竖向抗拔静载荷试验成果可知，试桩方案中水泥土复合管桩的抗拔设计参数是可靠的、合理的，验证了水泥土复合管桩作为抗拔桩能够满足工程设计要求。

（3）在相同上拔荷载标准组合作用下，水泥土复合管桩与普通的钻孔灌注桩相比降低工程造价至少20%。关键是能节约大量的钢材，水泥土复合管桩钢材的用量仅是钻孔灌注桩钢材用量的30%左右。

（4）在抗拔桩设计中，抗拔桩所受的上拔荷载属可变荷载。例如，本工程的抗浮桩设计，因地下水位是变化的，水泥土复合管桩所受的浮力大小也是变化的。因此，今后应对水泥土复合管桩在可变荷载作用下的稳定性需进一步研究。特别是对抗拔桩静载荷试验时，应采用多循环加、卸载方法测定上拔荷载与竖向位移的曲线图，判断水泥土复合管桩的受力性状和质量的稳定可靠性。