(2011.10 湖南长沙)静压管桩基础的设计和施工――兼谈石灰岩地区应用管桩的技术1

静压管桩基础的设计和施工——兼谈石灰岩地区管桩的应用技术王离(教授级高工)广东省土木建筑学会(2011年10月湖南长沙)国家标准《先张法预应力混凝土管桩》是管桩的产品质量标准，全国的管桩厂都应按这个标准生产预应力管桩，也按这个标准来检测预应力管桩的产品质量，它不是管桩基础的技术标准。这个标准共有三个版本：GB13476–92，于1992年颁布；GB13476–1999，于1999年颁布；GB13476–2009，于2009年颁布，2010年3月1日实施，是最新的版本。关于管桩基础设计和施工的技术标准：到目前为止全国还没有一本专门的管桩基础技术规范；国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007和行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94–2008有部分预制桩的内容；各省（市）地方标准《管桩基础技术规程》，其中浙江、福建、辽宁、云南、黑龙江、湖北、吉林、广西、山东、广东等省（市）都陆续出台了有关规程。广东省标准DBJ/T15–22–98《预应力混凝土管桩基础技术规程》是我国最早颁布的有关管桩基础设计和施工的综合性技术标准。但2008年进行了修订，变成广东省标准《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-2008；另外又编制了一本广东省标准《静压预制混凝土桩基础技术规程》（送审稿）。因为全国还没有一本统一的管桩基础技术规范，所以宣讲管桩基础的设计、施工难度就比较大。虽然各省市陆续出台了一些管桩基础的设计和施工规程，但因各地的地质条件不相同，对管桩的理解也不一致，观点有点五花八门；有的地方还发布了一些禁用或限制使用管桩的红头文件，造成设计思想的混乱。所以，今天我讲的内容，一部分是我个人的体会，一部分是参考广东的做法和广东的规范，不一定对，仅供参考。一、静压管桩基础的设计1、设计之前要基本了解清楚的几个问题：1-1、管桩基础的主要施工方法。施工方法不同，桩的承载力计算方法也是不同的。1-2、常用管桩规格、型号及其应用承载力。要大致心中有数，这样才能在概念设计中有个准星。1-3、不宜应用或慎用管桩的地质条件。不要在不宜应用管桩的地质条件下硬用管桩。1-4、管桩穿透岩土层的能力。设计时要有个底，所以要掌握岩土勘察知识。1-5、管桩设计计算或验算的内容。哪些一定要计算或验算，哪些可以不验算，心中也要有个谱。1-1、管桩基础的主要施工方法（1）锤击法：柴油锤、液压锤（2）静压法：抱压式液压压桩机顶压式液压压桩机（3）引孔打（压）法我国常用的预制桩施工法为锤击法和静压法，两种不同施工法的桩基础其设计方法是不相同的。筒式柴油锤导杆式柴油锤液压锤特大型液压锤（带消音罩）抱压式液压压桩机抱压式静力压桩机顶压式液压压桩机引孔机1-2、常用管桩规格、型号及其应用承载力管桩分PC桩和PHC桩，广东几乎全是PHC桩。管桩按外径分为300mm、400mm、500mm、600mm和700mm、800mm、1000mm、1200mm、1300mm、1400mm等规格，建筑中的常用管桩规格为300mm、400mm、500mm和600mm。300mm管桩今后要逐步淘汰。管桩按混凝土有效预压应力值分为A型、AB型、B型和C型，其有效预压应力值分别为4MPa、6MPa、8MPa和10MPa。重要工程都要选用AB型或B型桩；静压用桩广东大部分选用厚壁的AB型桩。今后A型桩逐步少用。常用管桩承载力一览表外径（mm）壁厚（mm）砼强度等级承载力特征值kN节长（m）适应楼层（层）Φ30065-70C80600-9005-113-9Φ40090-95C80900-17005-123-15Φ500100C801800-23005-1510-25125C802000-27005-1520-28Φ600110C802200-30006-1520-30130C802500-35006-1520-351-3、不宜应用或慎用管桩的地质条件锤击法：（1）持力层以上的覆盖层中含有较多且难以清除又严重影响打桩的孤石、风化球或其它障碍物；（2）持力层以上含有不适宜作桩端持力层且不易贯穿的硬夹层；（3）基岩面上没有合适持力层的岩溶地层；（4）非岩溶地区基岩以上为淤泥等松软土层，其下直接为中风化、微风化岩层，或中风化岩面上只有较薄的强风化层；这种地质条件俗称“上软下硬、软硬突变”。（5）桩端持力层为遇水易软化且埋藏较浅的风化岩；（6）地下水或地基土对管桩的混凝土、钢筋及钢零部件有强腐蚀作用的岩土层。简单地说，有孤石、障碍物的地层；有硬夹层；石灰岩地层；“上软下硬、软硬突变”的地层；遇水软化的持力层和强腐蚀岩土层，不宜或慎用管桩。静压法：除了与锤击法六条相同外，还有两条也要注意：现场地表土层松软且地面承载力特征值≤100kPa又未经处理的场地；桩端持力层为中密～密实砂土层且其覆盖层几乎全是稍密～中密砂土层；静压桩在石灰岩岩面起伏不大的情况下可以压下去，虽然桩端嵌固深度不大，但桩身可以做到基本不破烂，若用锤击法施工，桩的破损率可达到60%以上。1-4、管桩穿透岩土层的能力打桩锤击力属冲击动力，预应力管桩较耐打，在强力冲击下具有较强的穿透能力，大量工程实践表明，使用D45以上重型柴油锤可使其穿透5～6m厚的密实砂层或河卵石层，桩尖进入N≥50的强风化岩层1～2m或密实卵石层1～2m。压桩力则属静力，造成桩的穿透能力相对较小，但也并非仅能穿透软弱土层，实践证明压桩力≥4000kN的静压桩也可穿透2～3m厚的密实砂层，桩尖到达N＝50的强风化岩表面。从总体上看，当地质条件大致相同时，静压桩的桩长通常要比锤击桩短1～2m，有时甚至短3～4m。根据广东应用管桩的长期经验，岩土工程勘察中较重视标准贯入试验。标贯试验锤重为63.5kg（150P），落距76cm（30吋），前15cm入土的锤击数不算，然后测出下面入土30cm深度的锤击数，这就是实测的标贯击数（N′），如果实测值乘上触探杆长度校正系数，就是修正后的标贯值（N）。修正后的标准贯入击数N可按下列公式计算：N=αN′式中N——修正后的标准贯入击数；N′——实测标准贯入击数；α——触探杆长度校正系数，可按下表采用。杆长（m）≤36912151821校正系数α1.000.920.860.810.770.730.70杆长（m）24273033363942校正系数α0.670.640.610.580.550.520.49根据国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021规定，岩（土）名称和状态若按现场实测的标准贯入击数来划分。但根据我们的经验，估算打桩深度时则应采用修正后的标准贯入击数N。锤击式管桩可打入N≥50的强风化岩层1～2m，静压管桩可压入N＝40～50的强风化岩层。因此，用修正后的标贯击数可较正确地确定管桩的桩端持力层及预估沉桩的深度。1-5、管桩设计计算或验算的内容。管桩基础设计应根据承载能力和变形控制的要求进行下列计算或验算：（1）根据桩基的使用功能和受力特性进行桩基的竖向（抗压或抗拔）承载力计算和水平承载力计算；（2）桩身强度验算；（3）计算承台内力并验算其承载力，确定承台高度和配筋；（4）当桩端平面以下存在软弱下卧层时，应做下卧层承载力验算；（5）对于桩中心距小于或等于4倍桩径的群桩基础，可视做一假想实体深基础进行基础下地基承载力验算和沉降计算；（6）当建筑物对桩基的沉降或水平位移要求严格时，尚应作沉降或水平变位验算；（7）当使用条件要求限制混凝土裂缝时，尚应作抗裂或裂缝宽度验算。当然，首先要计算上部结构传至承台底面上的荷载效应，包括竖向力、水平力和弯矩等。2、关于管桩竖向抗压承载力特征值管桩基础设计计算内容较多，但单桩竖向抗压承载力特征值的确定是管桩基础设计的最重要内容之一。静压管桩单桩竖向抗压承载力特征值确定的主要方法有以下三种：⑴通过试验桩确定单桩承载力；⑵通过半经验公式计算确定单桩承载力；⑶通过静压桩机的复压来检验或确定单桩承载力。2-1、通过试验桩确定单桩承载力当管桩桩基设计等级为甲级且地质条件较复杂时，或当地使用管桩的历史较短、设计经验不足时，单桩竖向抗压承载力特征值应在设计阶段通过静载试验桩确定。选择静载试验桩的位置应考虑工程地质条件的代表性和基础部位的重要性，静载试验桩数不得少于3根。桩的竖向静载荷试验方法应按有关《建筑地基基础检测规范》标准执行。静载试验一般可得到单桩的极限抗压承载力，再除以安全系数后就可得到单桩竖向抗压承载力特征值。2-2、通过半经验公式计算确定单桩承载力当根据地基土的物理指标与承载力参数等经验关系确定单桩竖向抗压承载力特征值Ra时，几乎全部的国家、行业地基规范，以及除广东以外各地方的管桩规程，均按下列公式计算：Ra=Up∑qsiali+qpaAp式中：Up——管桩桩身外周长；qsia——管桩第i层土（岩）的侧摩阻力特征值；li——管桩穿越第i层土（岩）的厚度；qpa——管桩的端阻力特征值；Ap——桩尖水平投影面积；当为开口型桩尖时，仍按封口型桩尖的水平投影面积计算。其实，前一项是各层土的桩周摩擦力总和，后一项是总的桩端支承力。qsia和qpa的经验值，各种规范规程都列有一个参考范围可供设计者参考选用，一般来说，锤击桩选用中高值，静压桩采用中低值。但是根据广东的经验，尽管锤击桩选用qsia和qpa的高值来进行计算，计算所得的单桩竖向抗压承载力特征值仍然比实际静载试验所得的承载力要低，所以广东采用桩侧摩阻力修正系数、端阻力修正系数的办法来提高单桩竖向抗压承载力特征值。广东的锤击管桩承载力计算经验公式如下：Ra=UpΣξsiqsiali+ξpqpaAp式中Up——管桩桩身外周长；ξsi、ξp——管桩第i层土（岩）的侧摩阻力修正系数、端阻力修正系数；qsia——管桩第i层土（岩）侧摩阻力特征值；li——管桩穿越第i层土（岩）的厚度；qpa——管桩的端阻力特征值；Ap——桩尖水平投影面积；当为开口型桩尖时，仍按封口型桩尖的水平投影面积计算。广东采用的锤击桩侧摩阻力及端阻力修正系数土（岩）的类别桩侧阻力修正系数值§si桩端阻力修正系数值§p粘性土0.95～1.051.20～1.30粉土、粉砂0.95～1.051.15～1.30砾砂、角砂、圆砂、碎石、卵石0.90～1.000.90～1.00花岗岩残积土0.80～0.901.05～1.25强风化岩1.00～1.101.10～1.35广东的静压管桩承载力计算经验公式如下：Ra=UpΣqsiali+ξpqpaAp式中Up——静压桩桩身外周长；qsia——静压桩第i层土（岩）的侧摩阻力特征值；li——静压桩穿越第i层土（岩）的厚度；qpa——静压桩的端阻力特征值；Ap——桩尖水平投影面积;当为开口型桩尖时，仍按封口型桩尖的水平投影面积计算；ξp——静压桩端阻力修正系数；当入土桩长L≥16m时取1.0；当9m≤L＜16m时取1.10～1.30；当L＜9m时宜通过试压桩试验确定。2-3、对于纯摩擦型静压管桩（一般桩长≥25m），其承载力确定的方法更简单：试压加复压。在一些覆盖层为软土、下部冲沉积黏性土或残积土、全风化岩层较厚的地质条件下，若用二倍的承载力特征值施压，桩长可达30～50m，此时，若搞一些不同长度的试桩，再过24小时后用2Ra的压力复压，从而可确定合理的桩长。这是静压法施工的特色，利用软土的固结能力，有时往往用很小的压桩力可获得较大的承载力。这种做法只适用于施工刚开始的试桩阶段。静压桩的压桩力与承载力不能完全等同：有人以为静压桩施工时压多少力就能得到多少承载力，或者认为静压桩的单桩承载力（特征值）就是施工终压力的一半。这是一个认识上的误区。其实静压桩的单桩极限承载力与施工的终压力不能完全等同起来，有时可以等同，大部分情况不能等同，因为两者是两个不同性质的力，但又有一定的联系，广东对这两者的关系的研究花了较大的力气，得出了两者之间关系的经验公式。极限承载力与终压力经验关系（广东地区经验公式）当6m≤L≤9m时，Qu＝2Ra＝（0.60～0.80）Pze8m＜L≤16m时，Qu＝2Ra＝（0.70～1.00）Pze15m＜L≤25m时，Qu＝2Ra＝