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摘要:预应力混凝土管桩作为一种成熟的桩基础形式已越来越被大家所接受，其以施工速度快、长度易调整、质量较可靠、造价较合理、易于检测、现场清洁等优点，被广泛地应用于工业与民用建筑中。但是我们知道，抗震设防烈度为8度及以上地区,不宜采用预应力混凝土管桩。为了解决这一问题，本文介绍了预应力高强混凝土管桩的发展应用情况与存在问题,并提出了建议。
关键词:预应力混凝土管桩;8度抗震区;水平承載力
近十多年来,预应力高强混凝土管桩在我国的生产与应用以惊人的速度迅速发展,生产管桩的企业10年内增加了近10倍。国家标准图集“预应力混凝土管桩”03SG409,适用范围为非抗震区和抗震设防烈度6度、7度的地区,若使用于抗震设防烈度8度的地区,则需另行验算。
1 水平承载力的计算
1.由桩身强度确定的水平承载力
随着桩基工程应用的增多和普及,水平承载力深入研究,国内抗震宏观调查,除建于液化地基上的建筑,地基基础有较多失效报导外,地下室和桩的地震损坏远远小于上部结构。桩基水平承载力的验算应考虑承台、地下室外墙侧面土的抗力也已进入有关规范的条文。桩基设计,近年来一般只做桩的竖向静荷载试验和竖向承载力验算,不再做桩水平静荷载试验和桩水平承载验算,认为考虑承台、地下室外墙土的水平抗力后,桩的水平承载力已能满足抗震要求。管桩的水平承载力,一由桩身强度决定,即桩身的抗剪承载力和抗裂弯矩。二由管桩桩侧土的抗力决定的水平承载力,可由桩的水平静荷载试验确定或采用m法估算。一般后者的抗力小于前者。预应力管桩抗剪承载力设计值(Vcs)、抗裂弯矩标准值(Mk)与可用于8度地震区C型预制方桩的比较。
由以上两表计算结果分析可以得到如下结论:
(1)预应力高强混凝土管桩,在水平地震力作用下,桩身抗裂弯矩除Φ400×95A型桩外均高于可用于8度抗震的相近规格C类预制方桩。预应力高强混凝土管桩不出现裂缝,预制方桩允许出现裂缝,裂缝宽度Wmax≤0.2mm。
(2)预应力高强混凝土管桩,在水平地震力作用下,桩身抗剪承载力,中国规范无计算公式,参照日本规范的公式计算,按日本规范规定混凝土抗拉强度ft=5?39N/mm2计算,管桩的抗剪承载力除Φ400×95A型桩外高于或接近于可用于8度抗震的相近规格C类预制方桩。
(3)按桩身强度验算桩的水平承载力时,水平地震力应采用设计值,地震力的分项系数为1?30。桩身的抗剪承载力、抗弯承载力应除以承载力抗震调整系数rRE,抗剪时为0?85,抗弯时为0?75。
2.由管桩桩侧土确定的桩水平承载力
2?1 由单桩水平静荷载试验确定单桩水平承载力;
2?2 按电算程序估算管桩水平承载力
无管桩计算程序,应将管桩截面折算后才能电算。可参考使用程序为:
(1)理正工具箱:桩水平承载力验算;
(2)PKPM的JCCAD:基桩横向承载力校核。
2?3 按管桩桩侧土确定的水平承载力作抗震验算时,同竖向承载力抗震验算一样,水平地震力取标准值,管桩的水平承载力应乘1?25的提高系数。
当m=4时(相当于软塑、流塑状饱和黄土);对于Φ400×95管桩,桩水平承载力特征值Qa约为104?6KN,桩身强度控制的竖向承载力特征值Ra约为1500KN,1?25Qa/Ra=8?72%;对于Φ500×125管桩,Qa约为164?6KN,Ra约为2500KN,1?25Qa/Ra=8?23%。相当于地震剪力和建筑物总重之比不超过该值时,可不作抗震验算。
2 预应力混凝土管桩设计与施工
以某八度抗震区工程实例为例。该工程经方案比较，并且进行计算比选，桩选用A型预应力高强混凝土管桩（PHC），桩外径￠500，壁厚100，混凝土强度等级C80，即选用国家标准设计图集03SG409中PHC-A500（100）-H。设计的桩尖持力层选在第（5）（6）（7）层强风化粉砂岩、中风化粉砂、微风化石灰岩层。桩进入持力层不小于0.5m，桩长约8至44m，并根据现场实际地形情况进行适当调整，桩长总体相差较大。初步计算单桩竖向承载力最大特征值为1200kN，桩顶进入承台50mm。考虑本工程的特殊地质条件，必须进行试桩才能确定合适的单桩竖向承载力最大特征值。
1.预应力混凝土管桩试桩
预应力混凝土管桩试桩共选取3根，在现场，由业主、监理、施工单位商量一致意见后，选定位于不同部位的3根桩进行试桩。从2007年3月17日上午开始，对选定的3根桩按计算单桩竖向承载力最大特征值1200kN分级静压进行试桩，每级270kN，加压至10.5级荷载，达到2900kN，是设计承载力最大特征值的2.4倍，3根试桩均完好。根据以往通常的设计经验，又经过试桩数据的分析，决定将单桩竖向承载力最大特征值定为1200kN。
2.预应力混凝土管桩施工
从2009年4月21日上午开始，进行正式压桩施工。开始63根桩按设计要求施工比较顺利，加压至10.5级荷载，均达到2900kN。但在以后的压桩施工中，从126号至154号桩段中，压至18～19m时出现断裂，压力仅750～1600kN，根据地质资料反映在19m处局部有石灰岩、溶洞。各根桩的压桩情况如下：
191#：压桩深度23m，探孔深度18m，压力2400kN。1
54#：压桩深度30m，探孔深度13m，压力1250kN。1
22#：压桩深度32m，探孔深度25m，压力2400kN。
58#：压桩深度39m，探孔深度23m，压力2200kN。6
0#：压桩深度30.5m，探孔深度23m，压力2200kN。6
2#：压桩深度38m，探孔深度13m，压力1500kN。6
7#：压桩深度28m，探孔深度16m，压力1500kN。3
9#：压桩深度60.10m，压力2800kN（复压3次下沉4公分）。
在操作过程中凡在断折深度位置感到有轻微受压及振荡，压完126号至133号桩，将压桩机移至桩长只有10m处下压，现象也是一样，压桩时在10m处的桩管有黄泥水涌上。
3.出现问题原因分析
在沉桩过程中出现以上情况，设计单位得知后要求立刻停止压桩施工，认真查阅研究《岩土工程详细勘察报告》，根据问题桩位置一一对照地质情况，查找原因。经过设计单位与业主、监理、施工单位共同商讨，可以判断出是桩身断裂。桩身断裂主要原因：（1）工程勘察存在的问题是勘察点太少，桩身在施工中遇到有石灰岩、溶洞，硬度大的土层，且起伏较大，桩尖没有进入持力层而滑移，出现较大弯曲，在集中荷载作用下，桩身不能承受抗弯而断裂。（2）由于第④层砂质粘性土层土质总体硬实，不均匀，临近基岩中央的土段易受地下水软化而呈软～可塑状，工程性质不甚稳定。持力层第⑤层强风化粉砂岩岩质坚硬。导致桩压到持力层土层时，桩尖进入持力层较少，压入量很少，但压力在不断提高，到一定压力时出现弯曲而断裂。
预防措施：经过仔细探讨分析，了解周围及附近场地的压桩经验，决定采取如下措施：（1）到达持力层时，减慢压桩速度；（2）降低单桩竖向承载力最大特征值，经计算，决定采用800kN，桩顶进入承台50mm，确保桩体完整。治理方法：施工中已经出现的断裂桩，会同设计人员共同研究处理办法，根据工程地质条件、上部荷载及所处的结构部位，采取补桩的方法解决。还没有压桩的部位，单桩竖向承载力最大特征值调整为800kN，加压至7级荷载，达到1900kN，是设计承载力最大特征值的2.4倍。一旦沉桩量达到要求，桩顶进入承台50mm，不再加载，确保桩体完整。
4.结果良好
经过以上预防措施的制定、具体治理方法的研究确定，施工单位按此要求进行施工压桩，没有再出现断桩现象，整体施工进度也大大提高，此后压的桩全部压到1900kN的压力，没有再出现断裂桩，满足了设计要求，并且一次检测通过。
参考文献
[1]楚杰,曹合庆,左宏,郭全荣.预应力高强混凝土管桩(PHC)竣工检测实例分析[J].陕西建筑.2010(08)
[2]洪涛.水平荷载作用下预应力混凝土管桩受力性状的分析[D].合肥工业大学2008
关键词:预应力混凝土管桩;8度抗震区;水平承載力
近十多年来,预应力高强混凝土管桩在我国的生产与应用以惊人的速度迅速发展,生产管桩的企业10年内增加了近10倍。国家标准图集“预应力混凝土管桩”03SG409,适用范围为非抗震区和抗震设防烈度6度、7度的地区,若使用于抗震设防烈度8度的地区,则需另行验算。
1 水平承载力的计算
1.由桩身强度确定的水平承载力
随着桩基工程应用的增多和普及,水平承载力深入研究,国内抗震宏观调查,除建于液化地基上的建筑,地基基础有较多失效报导外,地下室和桩的地震损坏远远小于上部结构。桩基水平承载力的验算应考虑承台、地下室外墙侧面土的抗力也已进入有关规范的条文。桩基设计,近年来一般只做桩的竖向静荷载试验和竖向承载力验算,不再做桩水平静荷载试验和桩水平承载验算,认为考虑承台、地下室外墙土的水平抗力后,桩的水平承载力已能满足抗震要求。管桩的水平承载力,一由桩身强度决定,即桩身的抗剪承载力和抗裂弯矩。二由管桩桩侧土的抗力决定的水平承载力,可由桩的水平静荷载试验确定或采用m法估算。一般后者的抗力小于前者。预应力管桩抗剪承载力设计值(Vcs)、抗裂弯矩标准值(Mk)与可用于8度地震区C型预制方桩的比较。
由以上两表计算结果分析可以得到如下结论:
(1)预应力高强混凝土管桩,在水平地震力作用下,桩身抗裂弯矩除Φ400×95A型桩外均高于可用于8度抗震的相近规格C类预制方桩。预应力高强混凝土管桩不出现裂缝,预制方桩允许出现裂缝,裂缝宽度Wmax≤0.2mm。
(2)预应力高强混凝土管桩,在水平地震力作用下,桩身抗剪承载力,中国规范无计算公式,参照日本规范的公式计算,按日本规范规定混凝土抗拉强度ft=5?39N/mm2计算,管桩的抗剪承载力除Φ400×95A型桩外高于或接近于可用于8度抗震的相近规格C类预制方桩。
(3)按桩身强度验算桩的水平承载力时,水平地震力应采用设计值,地震力的分项系数为1?30。桩身的抗剪承载力、抗弯承载力应除以承载力抗震调整系数rRE,抗剪时为0?85,抗弯时为0?75。
2.由管桩桩侧土确定的桩水平承载力
2?1 由单桩水平静荷载试验确定单桩水平承载力;
2?2 按电算程序估算管桩水平承载力
无管桩计算程序,应将管桩截面折算后才能电算。可参考使用程序为:
(1)理正工具箱:桩水平承载力验算;
(2)PKPM的JCCAD:基桩横向承载力校核。
2?3 按管桩桩侧土确定的水平承载力作抗震验算时,同竖向承载力抗震验算一样,水平地震力取标准值,管桩的水平承载力应乘1?25的提高系数。
当m=4时(相当于软塑、流塑状饱和黄土);对于Φ400×95管桩,桩水平承载力特征值Qa约为104?6KN,桩身强度控制的竖向承载力特征值Ra约为1500KN,1?25Qa/Ra=8?72%;对于Φ500×125管桩,Qa约为164?6KN,Ra约为2500KN,1?25Qa/Ra=8?23%。相当于地震剪力和建筑物总重之比不超过该值时,可不作抗震验算。
2 预应力混凝土管桩设计与施工
以某八度抗震区工程实例为例。该工程经方案比较，并且进行计算比选，桩选用A型预应力高强混凝土管桩（PHC），桩外径￠500，壁厚100，混凝土强度等级C80，即选用国家标准设计图集03SG409中PHC-A500（100）-H。设计的桩尖持力层选在第（5）（6）（7）层强风化粉砂岩、中风化粉砂、微风化石灰岩层。桩进入持力层不小于0.5m，桩长约8至44m，并根据现场实际地形情况进行适当调整，桩长总体相差较大。初步计算单桩竖向承载力最大特征值为1200kN，桩顶进入承台50mm。考虑本工程的特殊地质条件，必须进行试桩才能确定合适的单桩竖向承载力最大特征值。
1.预应力混凝土管桩试桩
预应力混凝土管桩试桩共选取3根，在现场，由业主、监理、施工单位商量一致意见后，选定位于不同部位的3根桩进行试桩。从2007年3月17日上午开始，对选定的3根桩按计算单桩竖向承载力最大特征值1200kN分级静压进行试桩，每级270kN，加压至10.5级荷载，达到2900kN，是设计承载力最大特征值的2.4倍，3根试桩均完好。根据以往通常的设计经验，又经过试桩数据的分析，决定将单桩竖向承载力最大特征值定为1200kN。
2.预应力混凝土管桩施工
从2009年4月21日上午开始，进行正式压桩施工。开始63根桩按设计要求施工比较顺利，加压至10.5级荷载，均达到2900kN。但在以后的压桩施工中，从126号至154号桩段中，压至18～19m时出现断裂，压力仅750～1600kN，根据地质资料反映在19m处局部有石灰岩、溶洞。各根桩的压桩情况如下：
191#：压桩深度23m，探孔深度18m，压力2400kN。1
54#：压桩深度30m，探孔深度13m，压力1250kN。1
22#：压桩深度32m，探孔深度25m，压力2400kN。
58#：压桩深度39m，探孔深度23m，压力2200kN。6
0#：压桩深度30.5m，探孔深度23m，压力2200kN。6
2#：压桩深度38m，探孔深度13m，压力1500kN。6
7#：压桩深度28m，探孔深度16m，压力1500kN。3
9#：压桩深度60.10m，压力2800kN（复压3次下沉4公分）。
在操作过程中凡在断折深度位置感到有轻微受压及振荡，压完126号至133号桩，将压桩机移至桩长只有10m处下压，现象也是一样，压桩时在10m处的桩管有黄泥水涌上。
3.出现问题原因分析
在沉桩过程中出现以上情况，设计单位得知后要求立刻停止压桩施工，认真查阅研究《岩土工程详细勘察报告》，根据问题桩位置一一对照地质情况，查找原因。经过设计单位与业主、监理、施工单位共同商讨，可以判断出是桩身断裂。桩身断裂主要原因：（1）工程勘察存在的问题是勘察点太少，桩身在施工中遇到有石灰岩、溶洞，硬度大的土层，且起伏较大，桩尖没有进入持力层而滑移，出现较大弯曲，在集中荷载作用下，桩身不能承受抗弯而断裂。（2）由于第④层砂质粘性土层土质总体硬实，不均匀，临近基岩中央的土段易受地下水软化而呈软～可塑状，工程性质不甚稳定。持力层第⑤层强风化粉砂岩岩质坚硬。导致桩压到持力层土层时，桩尖进入持力层较少，压入量很少，但压力在不断提高，到一定压力时出现弯曲而断裂。
预防措施：经过仔细探讨分析，了解周围及附近场地的压桩经验，决定采取如下措施：（1）到达持力层时，减慢压桩速度；（2）降低单桩竖向承载力最大特征值，经计算，决定采用800kN，桩顶进入承台50mm，确保桩体完整。治理方法：施工中已经出现的断裂桩，会同设计人员共同研究处理办法，根据工程地质条件、上部荷载及所处的结构部位，采取补桩的方法解决。还没有压桩的部位，单桩竖向承载力最大特征值调整为800kN，加压至7级荷载，达到1900kN，是设计承载力最大特征值的2.4倍。一旦沉桩量达到要求，桩顶进入承台50mm，不再加载，确保桩体完整。
4.结果良好
经过以上预防措施的制定、具体治理方法的研究确定，施工单位按此要求进行施工压桩，没有再出现断桩现象，整体施工进度也大大提高，此后压的桩全部压到1900kN的压力，没有再出现断裂桩，满足了设计要求，并且一次检测通过。
参考文献
[1]楚杰,曹合庆,左宏,郭全荣.预应力高强混凝土管桩(PHC)竣工检测实例分析[J].陕西建筑.2010(08)
[2]洪涛.水平荷载作用下预应力混凝土管桩受力性状的分析[D].合肥工业大学2008