PHC管桩设计中常见问题及解决方法初探.docx

PHC管桩设计中常见问题及解决方法初探 摘要:由于PHC预应力管桩具有桩身混凝土强度高、耐冲击性能好、穿透力强、地区适应性强、质量稳定可靠、耐久性好、施工工期短、单桩承载力高、监测方便、造价较低、施工现场简洁、无污染、无噪音、能保障文明施工、对环境影响小等多种优点, 近几年来在广东地区的多高层建筑桩基工程中得到广泛应用. 。但PHC 管桩也具有脆性破坏、水平承载力有限、抗拉强度低的特性。另外,PHC预应力管桩在设计过程中存在单桩承载力的确定比较困难、水平承载力达不到抗剪要求等问题。笔者根据近年来积累的管桩基础工程的设计经验,况谈谈PHC管桩设计中容易产生的问题,并提出提出更符合实际的设计方法。 关键词:PHC管桩；设计问题；解决方法 PHC管桩以其承载力高，施工时间短，质量可靠等优点，发展迅速，在全国多个地区广泛使用。然而，对PHC管桩的设计和使用，仍然存在一些问题没有很好的解决。为防止PHC管桩施工时桩身破坏，应对施工时最大压桩力进行桩身承载力验算，本文提出了验算方法。按地质勘察报告提供的岩土参数计算PHC管桩桩基竖向抗压承载力，往往远小于实际值，本文分析了原因并提出更符合实际的设计方法。 一、桩身受压承载力 目前，各规范、规程中桩身竖向受压承载力计算公式各不相同，举例如下。 建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）式（5.8.2-2） 建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）式（8.5.9） 国标图集预应力混凝土管桩（10G409）总说明6.3.4条，广东省标准锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T 15-22-2008）式（5.2.6） 湖北省标准预应力混凝土管桩基础技术规程（DB42/489-2008）式（7.6.2） pc取410 MPa,则上式可转换为 式中N - 桩身竖向受压承载力设计值 A - 桩身横截面积 fc - 混凝土轴心抗压强度设计值 fcu,k - 混凝土立方体抗压强度标准值，即混凝土标号 pc - 桩身混凝土有效预压应力 PHC管桩为预应力构件，桩身完整性较好，桩身竖向受压承载力不应有大的折减，而以上各公式折减系数0.850.58，差异很大，其原因，或许是考虑施工时压桩力过大易导致爆桩、断桩，因此对桩身承载力设计值进行不同程度的折减，以此控制单桩承载力设计取值，从而避免压桩力过大。 然而，由于地质情况的不同，施工压桩力与单桩设计承载力之间并没有固定的比例关系，因此最好直接对施工时最大压桩力进行桩身承载力验算。 按混凝土结构设计规范7.1.2条第3款，C80混凝土轴心受压时极限压应变为0.00215，则施工最大压桩力可按下式验算： (1) 式中Nu - 施工最大压桩力 - 折减系数，考虑施工时桩身受力不均匀的影响及留有安全余量，取为0.75 fck - 混凝土轴心抗压强度标准值 Ac - 桩身混凝土横截面积 con - 预应力钢筋的初始张拉应力，取为994 N/mm2 l - 预应力钢筋的拉应力损失，按先张法预应力混凝土管桩（GB 13476-2009）附录D第D.2、D.3条计算 Ep - 预应力钢筋的弹性模量，取为2x105 N/mm2 Ap - 桩身预应力钢筋横截面积 式（1）计算结果与广东省常用的经验公式式（2） (2) 的计算结果相近，但物理概念更清晰，对常用PHC管桩型号，式（1）计算结果见下表： 二、桩基竖向抗压承载力 目前PHC管桩设计时，按地质勘察报告提供的岩土侧摩阻力及端阻力计算，得到的桩基竖向抗压承载力特征值往往远小于实际的竖向静荷载试验值。 建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)表5.3.5中提供了各种土层情况下“混凝土预制桩”的极限侧阻力及极限端阻力标准值，一般地勘单位会参考此表提供岩土承载力参数。然而，表5.3.5中的数值只适用于普通混凝土预制桩。PHC管桩采用C80高强混凝土制成，且桩身为预应力构件，能承受比普通混凝土预制桩大得多的锤击能量或压桩力，挤密桩端附近岩土，使得桩端岩土的力学性能大为提高。PHC管桩对桩侧土的挤密效果与普通混凝土预制桩类似，而桩端的挤密效果远大于普通混凝土预制桩，因此，设计PHC管桩时，建筑桩基技术规范表5.3.5中的桩端阻力数值不宜采用。 各地方规程对此问题也有所反映。例如：广东省标准锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程(DBJ/T 15-22-2008)表5.2.3-1规定，对强风化岩桩端阻力取1.01.35的修正系数；天津市标准预应力混凝土管桩技术规程(DB29-110-2004)表4.2.4-3中，对标贯4550击的砂土，随着桩端进入砂土层的深度由1d加大到6d，极限端阻力由3000kPa加大到9000kPa；湖北省标准预应力混凝土管桩基础技术规程(DB42/489-2008)表7.4.2-2规定，对桩端进入低压缩性土层较深时，桩端阻力可提高30%90%。 当地质勘察报告未对桩端阻力数值正确反映时，设计人员应注意调整，如果设计人员没有类似场地的经验，可采用试桩确定承载力。锤击法施工试桩时可以同时进行大应变检测得出桩侧、桩端阻力，静压法施工试桩时可以根据压桩力和桩长及土层情况分析得出桩侧、桩端阻力。下面分析一下施工时桩侧、桩端阻力与最终桩基竖向极限承载力之间的关系。 管桩施工时，土体颗粒错动，使得土体颗粒间的胶结力被破坏，桩侧阻力大幅降低。随着时间的推移，土体逐渐固结，桩侧阻力随之恢复。恢复的速度取决于土体的排水速度和土体类型，透水性好、土体颗粒间以摩擦力为主的砂性土恢复快，透水性差、土体颗粒间以胶结力为主的粘性土恢复慢。 根据锚杆静压桩技术规程(YBJ227-91)中的实验数据，在粘性土中压桩，施工时的压桩力是最终桩基极限承载力的0.751倍。这显然是由桩侧阻力随时间恢复而引起的。根据上述实验结果，去掉施工压桩力和最终桩基极限承载力中桩端阻力的部分，可以得出：施工时的桩侧阻力与最终桩侧极限承载力相比，约为0.61.0，随桩侧土体的类型、透水性和含水率而变化，透水性差、含水率高、粘性土体取低值。 密实砂土层具有剪胀性，砂土颗粒错动时体积膨胀，引起桩端部附近有很大的峰值抗剪强度，所以PHC管桩穿越密实砂土层往往比较困难。当砂土颗粒错动完成后，桩端阻力会有降低。 管桩施工时的最大端阻力，是短期荷载，而实际桩是受长期荷载作用，由于长期荷载作用下的“徐变效应”，所以最终桩端极限承载力要小于施工时的端阻力。根据一些短桩的竖向静荷载试验结果，施工时的最大桩端阻力约为最终桩端极限承载力的1.11.4倍。 综上所述，可得下式： (3) (4) 式中Nu -施工最大压桩力 Quk - 最终桩基竖向极限承载力标准值 u - 桩身周长 psik - 施工时第i层土的桩侧阻力 i - 第i层土的侧阻系数，根据土层情况取0.61.0，透水性差、含水率高、粘性土层取低值；透水性好、含水率低、砂性土层取高值 li - 桩周第i层土的厚度 ppk - 施工时桩端阻力 p - 端阻系数，取1.11.4，施工时桩端阻力接近土层的极限端阻力时取高值 Ap - 桩端面积 上式显示了施工最大压桩力与最终桩基抗压承载力之间的关系。其中的 值应与地质勘察报告提供的土层极限侧阻力标准值吻合，而 值与地质勘察报告提供的土层极限端阻力标准值可能会有比较大的差别。设计时可用地质勘察报告提供的土层极限侧阻力标准值乘以i算出psik值,代入（3）式得出ppk值,再代入（4）式得出Quk值。 上式的计算结果比较符合桩基实际受力情况，可供设计人员参考。 参 考 文 献 1预应力混凝土管桩(10G409). 中国计划出版社，2010 2锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程(DBJ/T 15-22-2008). 中国建筑工业出版社，2009 3预应力混凝土管桩基础技术规程(DB42/489-2008). 湖北省建设厅，2008 4先张法预应力混凝土管桩(GB 13476-2009). 中国标准出版社，2009 5预应力混凝土管桩技术规程(DB29