预应力混凝土管桩设计疑难问题解析

《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

常用桩型及有关疑难解析

2010.04二、预应力混凝土管桩

随着施工技术发展和经验积累，近些年管桩从沿海软土地区向内陆非软土地区蔓延，由低烈度区向高烈度区蔓延。同时也出现了不少工程事故，设计及施工应掌握其中原理并积累相关经验以有利于该桩型的发展。1、按挤土程度分类 与混凝土灌注桩比较，预应力管桩无泥皮、沉渣，从这个角度讲，其单桩竖向承载力应比灌注桩高，但管桩是挤土施工，不可避免的扰动原状土、使地下水渗流变化、破坏整个场地原有的应力场，使之失衡，从而导致诸多工程问题。由于挤土效应这是管桩工程事故较多的原因之一。因此有必要根据挤土程度分类： （1）挤土桩：闭口管桩 （2）部分挤土桩：开口管桩，引孔施工的管桩 （3）非挤土桩

一般而言，（1）如果选择管桩，那么在有条件的场地（地区）应使用部分挤土桩（2）用大口径空心桩（3）长桩，这能较大程度上减少挤土效应；同时在一定程度上保留了管桩侧摩阻力和端阻力较灌注桩高的优点。挤土量的比较2、挤土施工场地土的影响挤土施工将在引发场地土在施工期间发生以下变化：（1）扰动原状土体。对于高灵敏度的软土，可能破坏土体结构；（2）饱和软粘土中引起较高超孔隙水压力，对周围设施产生不利影响；（3）改变场地渗流规律。大面积挤土施工当沉桩速率过快将改变原有渗流规律，使得水压力发生变化。（4）土体偏离原位，朝场地外扩展，同时场地隆起。

土体位移及引发的破坏3、场地土变化对桩基础沉降及承载力的影响桩基础工程中是通过考察桩基承载力、沉降量以及施工期间土体位移来评价桩型选择的合理性，因此可以将场地土变化对桩基础沉降、承载力及施工期间对周围环境的影响称为挤土效应。（1）挤土对桩基试桩承载力的影响突变型（桩端脱空）陡降型

预应力混凝土管桩的静载荷试验Q-s曲线多数（除桩端嵌岩以外）呈现陡降型的特征，这与（1）预应力管桩应用的场地多为软土有关（2）可能与桩直径较小有关。预应力混凝土管桩竖向抗压承载力的计算及说明当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：此公式计算基于以下假定（1）土体未扰动，桩与土体紧密接触，故侧摩阻力较泥浆护壁的高。（2）桩端与持力层紧密接触，土塞效应方能发挥。（3）未计入土体再固结形成的侧摩阻力增强效果。

挤土恢复的时效性是双刃剑。随着时间推移，场地土恢复稳定，但这个时间可能长达一至数年。在这个过程中虽然侧摩阻力增加，但是沉降也在增加。设计提高基桩承载力那么桩数将减少，导致实际总沉降增加；同时由于再固结可能导致承台底脱空，那么荷载全部由桩承担，也可能额外增加沉降。土的名称土的状态qskqpkl≤99<

l≤1616<

l≤30l>30(压实)填土22～30淤泥14～20淤泥质土22～30黏性土流塑IL>124～40软塑0.75<IL≤140～55210~850650~14001200~18001300~1900可塑0.50<IL≤0.7555～70850~17001400~22001900~28002300~3600硬可塑0.25<IL≤0.5070～861500~23002300~33002700~36003600~4400硬塑0<IL≤0.2586～982500~38003800~55005500~60006000~6800坚硬IL≤098～105红黏土0<aw≤113～320<aw≤0.732～74粉土稍密e>0.926～46中密0.75≤e≤0.946～66950~17001400~21001900~27002500~3400密实e<0.7566～881500~26002100~30002700~36003600~4400粉砂稍密10<N≤1524～481000~16001500~23001900~27002100~3000中密15<N≤3048～661400~22002100~30003000~45003800~5500密实N>3066～88预应力混凝土管桩qsk,qpk土的名称土的状态qskqpkl≤99<

l≤1616<

l≤30l>30细砂稍密10<N≤1524～48中密15<N≤3048～662500~40003600~50004400~60005300~7000密实N>3066～88中砂中密15<N≤3054～744000~60005500～70006500~80007500~9000密实N>3074～95粗砂中密15<N≤3074～955700~75007500~85008500~100009500~11000密实N>3095～116砾砂稍密5<N63.5≤1570～110中密(密实)N63.5>15116～1386000~95009000~10500圆砾、角砾中密、密实N63.5>10160～2007000~100009500~11500碎石、卵石中密、密实N63.5>10200～3008000~1100010500~13000全风化软质岩30<N≤50100～1204000~6000全风化硬质岩30<N≤50140～1605000~8000强风化软质岩N63.5>10160～2406000~9000强风化硬质岩N63.5>10220～3007000~11000（2）挤土对桩基沉降的影响

建筑物关注的是桩基长期沉降量。沉桩结束后，孔隙水压力逐渐消散，土体再固结，建筑物随之下沉；对于土层分布比较均匀的场地，再固结在平面内较均匀，将不增加建筑物两点间差异沉降，但对建筑物总沉降产生较大影响。饱和土中采用预预制桩（不含复复打、复压、引引孔沉桩）时，，应根据桩距、、土质、沉桩速速率和顺序等因因素，对按等效效作用分层综合合法计算的沉降降乘以1.3～1.8挤土效应系数，土的渗透性低低，桩距小，桩桩数多，沉桩速速率快时取大值值。天津某工程沉降降实测资料住宅，地下1层，地上9层，异形柱剪力力墙结构，预应应力管桩。上图图为竣工时沉降降。Smax=39mm住宅，地下2层，地上27层，剪力墙结构构，灌注桩后注注浆。上图为竣竣工时沉降。Smax=17mm上面两栋楼位于于同一小区。虽虽然桩基础提供供了等效的承载载力，但沉降差差别相当大。可可见荷载量大并并不是产生大沉沉降量的主要因因素，主要还是是挤土效应。4、减小挤土效应应的措施（1）设计措施：增增大基桩的最小小中心距土类与成桩工艺排数不少于3排且桩数不少于9根的摩擦型桩桩基其他情况非挤土灌注桩3.0d3.0d部分挤土桩3.5d3.0d挤土桩非饱和土4.0d3.5d饱和黏性土4.5d4.0d钻、挖孔扩底桩2D或D+2.0m(当D>2m)1.5D或D+1.5m(当D>2m)沉管夯扩、钻孔挤扩桩非饱和土2.2D且4.0d2.0D且3.5d饱和黏性土2.5D且4.5d2.2D且4.0d（2）施工措施：1）可用预钻孔来减少排土量。。预钻孔孔径可可比桩径（或方方桩对角线）小小50～100mm，深度可根据桩桩距和土的密实实度、渗透性确确定，宜为桩长长的1/3～1/2；通常预钻孔深度度范围内地基土土体内的超孔隙隙水压力可减小小40%~50%，地基变位可减减小30%~50%。2）应设置排水措施，如袋装砂井或或塑料排水板，，可提高土的在在施工期间的压压缩性。袋装砂砂井直径宜为70～80mm，间距宜为1.0～1.5m，深度宜为10～12m；塑料排水板的的深度、间距与与袋装砂井相同同；其目的是改善地地基土的排水特特性，加快孔隙隙水压力的消散散，防止砂土液液化。3）可在沉桩区内内外开挖地面防震沟沟或应力释放孔孔，并可与其他措措施结合使用。。防震沟沟宽可可取0.5～0.8m，深度按土质情情况决定；可减小浅层土体体的挤土效应，，对于深基坑效效果有限。4）管桩施工不能抢工期。应限制每天的的沉桩数量（即即打桩速率），，合理安排沉桩桩流程，使得超超孔隙水压力能能及时消散；在软黏性土中，，沉桩速度过快快，不但显著增增加水压力、地地基土变位，还还可使得邻近土土体剪切破坏。。施工顺利则影影响水力梯度的的大小和方向。。实测表明，地地基变位方向与与沉桩施工方向向一致。5）沉桩结束后，宜宜普遍实施一次次复打，使桩端置于持持力层上，能充充分发挥桩端土土体承载力，还还可随时间增长长；（3）基坑开挖1）基坑开挖前应对对边坡支护型式式、降水措施、、挖土方案、运运土路线及堆土土位置编制施工工方案，若桩基基施工引起超孔孔隙水压力，宜宜待超孔隙水压压力大部分消散散后开挖。2）基坑施工顺序序宜先深后浅。场地土允许的的地区应先开开挖基坑，后后沉桩。3）挖土应均衡衡分层进行，，对流塑状软软土的基坑开开挖，高差不不应超过1m。4）挖出的土方不不得堆置在基基坑附近。5）机械挖土时须须避开桩位，，行进路线须须避开桩位且且距离桩位一一定距离，否否则应采取其其他措施确保保基坑内的桩桩体不受损坏坏。（4）施工监测1）对于挤土预预制桩和挤土土灌注桩，施施工过程均应应对桩顶和地地面土体的竖竖向和水平位位移进行系统统观测；若发发现异常，应应采取复打、、复压、引孔孔、设置排水水措施及调整整沉桩速率等等措施。2）沉桩过程中中应加强邻近近建筑物、地地下管线等的的观测、监护护。（5）预应力管桩桩施工常见问问题及处理措措施1）平面偏位，，桩身完整性性为I、II类。措施：处理承承台。尤其对对一柱一桩和和二桩的情况况。（见武汉汉某工程实例例）2）桩身开裂，，对水平承载载力有影响。。措施：（a）灌芯（b）补桩（！！！！）。（见唐山某某项目）3）桩端未到设设计标高（桩桩长未满足设设计要求）。。措施（a）预钻孔（b）保留该持力力层。处理类似问题题应着眼于对对承台和上部部结构的影响响：（a）承台内力与与原设计不同同；（b）建筑物沉降降可能不均匀匀。4）沉桩终压力力与设计不符符（沉桩终压力力Rsm与极限承载力力Quk关系按地区经经验较为真实实）。终止压力与土土层分布特性性密切相关，应注意当地地土层分布特特点。（a）（b）（c）规范：最大压桩力不宜小于设计的单单桩竖向极限限承载力标准准值，必要时时可由现场试试验确定，可可根据地区静静压经验确定定。5、预应力管桩桩的桩身承载载力与施工工工艺系数计算模式(1)当当桩顶以下5d螺旋式箍箍筋间距≤100mm时时N≤ψcfcAps+0.9fy’As’(5.8.2-1)(2)当当桩身配筋不不符合以上规规定时N≤ψcfcAps(5.8.2-2)混凝土预制桩桩、预应力混混凝土空心桩桩ψc=0.85；考虑到预应力力钢筋对混凝凝土的预加应应力，实际取取ψc=0.7~0.75；（见新编《预应力管桩规规程》），当前按图图集《预应力混凝土土管桩》取值（0.7）即可。6、预应力管桩桩的水平承载载力（双控：：位移和抗弯弯承载力）（1）按位移控制制预估：（2）单桩水平静静荷载试验：：根据配筋率率确定取值方方法。①大配筋率由由位移控制，，取6或10mm位移对应荷载载的75%。②小配筋率由由桩身抗弯强强度控制，取取临界荷载的的75%。（3）位移满足前前提下，验算算桩身抗剪承承载力建筑工程中的的预应力管桩桩基础，在水水平荷载作用用下计算位移移较小，可认认为水平承载力有有桩身承载力力控制，主要要指桩身抗弯弯承载力。通常基桩在水水平荷载作用用下以弯曲破破坏为主，因因此仅验算抗抗弯承载力即即可；当需要验算空空心截面的抗抗剪承载力，，《混凝土结构设设计规范》无明确规定。。7、剪力墙下布布置预应力管管桩要点（1）剪力墙下布布桩与承台设设置对于钢筋混凝凝土剪力墙下下布桩的问题题，应重点把把握以下几点点：1）应尽量做到到剪力墙下布布桩。剪力墙墙自身具备极极大抗弯刚度度，可视为承承台；2）地震作用下下剪力墙承受受巨大的倾覆覆弯矩，因此此在较长的墙墙肢两端应布布置基桩，如如图；3）多层剪力墙结结构未设置地地下室时，考虑钢筋锚锚固和施工方方便以及局部部受压的问题题，宜设置条条形承台梁，，如图（a）。4）多层剪力墙结结构设置地下下室时，若采用墙下下布桩，则抗抗水板常取200~250mm，此时可参考考图（a）设置条形承承台梁；当抗抗水板厚达400mm时，则可在墙墙下设置暗梁梁（图（b））。5）高层剪力墙墙结构，常因因基础埋深要要求设置地下下室且由于要要承受基底反反力，筏板厚厚度不小于400mm，此时按图（（b）设置暗梁即即可。（a）（b）剪力墙下条形形承台梁构造造（2）短肢剪力墙墙下布桩的合合理化建议上部结构采用用短肢剪力墙墙而又不能墙墙下布桩，按按荷载重心与与桩群形心重合的原则，，工程中常常常形成类似图图（a）的布桩模式式，致使承台台的抗冲切承载力、抗抗剪切承载力力以及弯矩计计算都极为困困难。（a）未优化设计计工程师在进行行结构设计时时即应当预见见到这种情况况，从而采取取有效措施。。1）选择承载力更更大的桩型。根据调查发发现，出现上上述不利情况况的多数采用用预应力管桩桩，管桩桩长长有限，承载载力低，需要要桩数多，桩桩距要求也大大，自然无法法做到墙下布布桩。因此选选择灌注桩，，增加桩长，，再用后注浆浆提高承载力力，自然能墙墙下布桩，如如图（b），严格的说说此时荷载重重心与桩群形形心并不重合合，但由于结结构刚度参与与及承台—基桩变形协调调后，会重新新获得平衡。。实践证明，，这种方式也也具有更好的的经济性。2）按复合桩基设设计。当地基土质质较好，可考考虑按复合桩桩基设计（c），如15层的剪力墙结结构，总荷载载225kPa，地基土承载载力特征值140kPa，承台效应系系数取0.6，那么可减少少桩数37%，原5桩承台可按3桩承台设计即即可，此时筏筏板厚度应满满足冲切承载载力要求。（b）加大基桩承承载力（c）按复合桩基基设计3）补充墙肢，使使原结构墙肢肢加长，便于于墙下布桩。。对于无地下室室的短肢剪力力墙结构，可可以在地面以以下至承台底底面高度范围围加设墙体，，将独立墙肢肢联系起来如如图（d