管桩优缺点

第36卷增刊2岩土力学Vol.36Supp.22015年8月RockandSoilMechanicsAug.2015收稿日期：2015-05-17第一作者简介：高文生，男，1967年生，研究员，所长，主要从事桩基础工程、地下工程等方面的研究工作。E-mail:[e-mail]：10.16285/j.rsm.2015.S2.086关于预应力混凝土管桩工程应用中的几点认识高文生，刘金砺，赵晓光，邱明兵（中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京100013）摘要：当前我国预应力混凝土管桩的工程应用发展迅速、量大面广，有关管桩的承载特性、设计、施工、检测等工作应引起重视。总结分析了当前预应力混凝土管桩的发展历史、应用现状及其工程应用中常遇到的问题，结合相关国家规范、行业标准及工程实测资料，针对预应力混凝土管桩的适用条件、承载性状、施工质量控制等问题进行深入对比分析。通过具体工程实例，总结了预应力混凝土管桩工程应用中的注意事项，给出了减少管桩工程质量事故的预防措施，并对工程中如何安全适用、经济合理地应用预应力混凝土管桩提出建议。关键词：预应力混凝土管桩；承载性状；工程应用中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1000－7598(2015)增2－0610－07SomeunderstandingofprestressedconcretepipepileinengineeringapplicationGAOWen-sheng,LIUJin-li,ZHAOXiao-guang,QIUMing-bing（InstituteofFoundationEngineering,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China）Abstract:TheengineeringapplicationofprestressedconcretepipepileshasdevelopedrapidlyinChinaatpresent,andtheproductshaveenormousquantityandwideapplications.Theirbearingproperties,design,constructionandtestingshouldbetakenattentionseriously.Thispapersummarizesandanalyzesthedevelopmentalhistoryofprestressedconcretepipepiles,thecurrentsituationofpipepileapplicationandsomeproblemswhichweoftenencountersinengineeringapplicationofprestressedconcretepipepile.Combinedwithnationalcodes,industrialstandards,andthemeasureddatainengineeringtestofprestressedconcretepipepile,thispapercomparativelyanalyzestheconditionsfortheapplicationofprestressedconcretepipepile,thebearingpropertiesonpipepilesshaft,andtheconstructionqualitymanagementofprestressedconcretepipepileindepth.Throughtheanalysisofseveralengineeringexample,thispapersummarizessomeimplementationnotes.intheengineeringapplicationofprestressedconcretepipepile.Thispapergivessomepreventionmeasuresofreducingthequalityaccidenceintheprestressedconcretepipepileengineering,andmakessomerecommendationsontheapplicationofsecurity,economyandrationalityinprestressedconcretepipepile.Keywords:prestressedconcretepipepile;bearingproperties;engineeringapplication1引言1894年，Hennenbigue发明了预制混凝土桩。1967－1970年，日本开发了预应力高强混凝土离心管桩（简称PHC管桩）。1944年，我国开始生产离心钢筋混凝土管桩（RC桩）。20世纪60年代，铁道部丰台桥梁厂研制开发了预应力钢筋混凝土管桩（PC桩）[1]。1987年，原交通部三航局混凝土制品厂全套引进了日本生产预应力高强管桩（PHC桩）的设备[1]。近十年来，我国的预应力混凝土管桩的生产应用快速发展，2010年全国管桩的年生产量已超过3亿米。中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土桩分会的统计报告显示：“十一五”期间，管桩企业数量由300家增加到了500多家，发展地域也由17个省市自治区增加到了25个（不包括港澳台），大部分集中在江苏、浙江、广东、上海等地[2]。目前，我国管桩规格系列已较为合理，形成了PHC桩和PC桩按外径分为300、400、500、600、800、1000、1200mm各7个规格；预应力混凝土薄壁管桩（PTC）分为300、350、400、450、500、550、600mm共7个规格。预制混凝土桩行业的标准化工作覆盖面不断加增刊2高文生等：关于预应力混凝土管桩工程应用中的几点认识611大。以国标《先张法预应力混凝土管桩》（GB13476－2009）[3]和《预应力混凝土管桩》国家建筑标准设计图集（10G409）[4]为主线，标准化工作不断延伸与拓展。据不完全统计，我国现有各类预应力混凝土管桩相关标准规范约30部。2预应力混凝土管桩特性2.1优点（1）单位承载力造价低。由于其空心、持力层浅和直径小等因素，一般情况下单位承载力造价比灌注桩便宜。（2）成桩质量可控性强。管桩作为预制桩是工厂化生产，桩身质量可控性强。（3）设计选用范围广。由于管桩外径规格多，既可用于地基处理、工业厂房，也可用于多、高层建筑。（4）运输、吊装及沉桩方便，施工速度快。尤其是PHC桩，从生产到使用的最短时间只需3～4d。（5）质量检测方便。尤其是采用闭口桩尖，桩长和桩身质量可用肉眼等直接手段进行监测。2.2缺点和局限性（1）预应力管桩属于挤土桩，沉桩时桩周土体被压密或挤开，使土体产生水平移动或竖直隆起，可能造成邻近已压入的桩产生上浮、桩位偏移和桩身翘曲折断或影响相邻建筑物、管线和道路等等。（2）不宜穿透较厚坚硬土层，受限于某些地质条件下。（3）桩身截面面积小，抗弯抗剪能力相对较弱。（4）受吊装、运输和沉桩机械等条件限制，单节预制桩长度不大，长桩需接桩，接头常形成桩身的薄弱环节，甚至制约其承载性能。3预应力混凝土管桩承载性状3.1桩身抗压承载力预应力混凝土管桩大多用作抗压桩。进行抗压桩基础设计时，对于桩身承载力的验算，不同规范略有差别，主要区别在于桩身混凝土残留的预压应力及沉桩工艺等因素导致桩身承载力不同程度的折减。（1）国家标准图集《预应力混凝土管桩》（10G409）[4]桩身承载力按下式确定：ccRfA≤（1）式中：R为轴压力设计值；A为管桩截面面积；cf为混凝土抗压强度设计值；c为考虑成桩工艺影响及混凝土残留预压应力影响而取的综合折减系数，c=0.7。（2）《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）[5]规定混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩的成桩工艺系数c=0.85。（3）考虑压屈影响的桩身承载力桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层基桩，应考虑压曲影响，桩身承载力应由下式确定：ccRfA≤（2）式中：为受压稳定系数。3.2抗拔承载力验算预应力混凝土管桩作为抗拔桩，有逐渐增长的趋势。作为抗拔桩使用的管桩，在有效预压应力范围内桩身不会出现裂缝，对预应力钢筋保护较好，能较好地发挥桩身强度，具有施工效率高和造价低等优点。但影响预应力混凝土管桩抗拔承载力的因素较多，设计时应认真验算。（1）抗拔承载力的计算内容预应力混凝土管桩作为抗拔桩时的承载力计算内容包括：桩侧土抗拔阻力、桩身抗拔承载力、钢棒（预应力钢筋）墩头抗拉强度验算、焊接接头连接接头验算、桩顶与承台连接设计验算以及桩身混凝土抗裂验算和裂缝控制计算。（2）预应力混凝土管桩作为抗拔桩应用的注意事项①抗拔桩桩身结构强度主要由有效预压应力控制，宜采用有效预压应力较大的AB型、B型或C型桩，不宜选用薄壁管桩。②接头焊缝强度验算满足抗拔承载力要求时，需严格控制焊缝质量，避免出现未焊透坡口根部而导致的工程事故，且需注意焊缝的防锈处理及冷却时间。③应注意验算管桩端板与桩身预应力筋的连接处的抗拉强度，需要时可增加端板厚度，以满足端板孔口抗剪强度。④可采用端板焊钢筋、填芯混凝土中钢筋作为锚固钢筋锚入桩承台的构造形式，并通过计算确定填芯高度及填芯钢筋笼配筋。⑤估算桩侧土层提供的极限抗拔阻力时，应注意抗压时的折减系数。3.3抗剪与抗弯性能在吊车、风荷载、竖向偏心荷载、基坑开挖、周边堆载和地震作用下，管桩均会受到不同程度的水平作用，管桩实际工况为压、弯、剪的复合受力612岩土力学2015年构件，管桩的抗剪、抗弯验算某些工况下变得至关重要。3.3.1与灌注桩抗弯承载力的比较根据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）[6]附录第E.0.4条，圆形截面正截面受压承载力宜符合下列规定：1ctyssin21()2NfAfA≤（3）3t1cysssinsin2sin3rMfAfAr≤（4）式中：N、M分别为轴向力设计值、弯矩设计值；yf为钢筋抗拉强度设计值；A为圆形截面面积；sA为全部纵向普通钢筋的截面面积；r为圆形截面的半径；sr为纵向普通钢筋重心所在圆周的半径；0e为轴向压力对截面重心的偏心距；ae为附加偏心距；为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2的比值；t为纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值。某钢筋混凝土灌注桩直径为600mm，混凝土强度等级C40，桩顶3m范围箍筋为HRB335，10mm@100mm，纵筋采用HRB400，818mm，沿圆周均匀布置，纵筋保护层为50mm。对于受弯构件，N=0，由式（1）解得0.233，由式（2）求得M≤172kN·m。由国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》（10G409）[4]可知，直径为600mm的PHC桩，根据壁厚与配筋不同，桩身受弯承载力设计值为206～482kN·m，均大于同直径灌注桩的受弯承载力172kN·m。这是因为：①截面受弯承载力主要由外围钢筋和混凝土的强度提供，管桩在内部挖孔，对截面惯性距影响较小；②管桩混凝土强度高；③管桩预应力筋强度高。3.3.2与灌注桩抗剪承载力的比较根据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）[6]第6.3.15条、第6.3.4条，受弯构件的斜剪承载力宜符合下列规定：svcvt0yv0AVfbhfhs≤（5）式中：V为构件斜截面上的最大剪力设计值；tf为混凝土抗拉强度设计值；b、0h分别为截面宽度、有效高度；cv为截面混凝土受剪承载力系数；svA为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为沿构件长度方向的箍筋间距；yvf为箍筋的抗拉强度设计值。代入上述参数，求得V≤415kN。由国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》（10G409）[4]可知，直径为600mm的PHC桩，根据壁厚与配筋不同，桩身斜截面受剪承载力设计值为270～4