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摘 要：當(dāng)前我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的工程應(yīng)用發(fā)展迅速、量大面廣，有關(guān)管樁的承載特性、設(shè)計、施工、檢測等工作應(yīng)引起重視?？偨Y(jié)分析了當(dāng)前預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的發(fā)展歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用中常遇到的問題，結(jié)合相關(guān)國家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及工程實測資料，針對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的適用條件、承載性狀、施工質(zhì)量控制等問題進行深入對比分析。通過具體工程實例，總結(jié)了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程應(yīng)用中的注意事項，給出了減少管樁工程質(zhì)量事故的預(yù)防措施，并對工程中如何安全適用、經(jīng)濟合理地應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁提出建議。
關(guān) 鍵 詞：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；承載性狀；工程應(yīng)用

　　1 引 言
　　1894年，Hennenbigue發(fā)明了預(yù)制混凝土樁。1967－1970年，日本開發(fā)了預(yù)應(yīng)力高強混凝土離心管樁（簡稱PHC管樁）。1944年，我國開始生產(chǎn)離心鋼筋混凝土管樁（RC樁）。20世紀60年代，鐵道部豐臺橋梁廠研制開發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁（PC樁）[1]。1987年，原交通部三航局混凝土制品廠全套引進了日本生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強管樁（PHC樁）的設(shè)備[1]。近十年來，我國的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的生產(chǎn)應(yīng)用快速發(fā)展，2010年全國管樁的年生產(chǎn)量已超過3億米。中國混凝土與水泥制品協(xié)會預(yù)制混凝土樁分會的統(tǒng)計報告顯示：“十一五”期間，管樁企業(yè)數(shù)量由300家增加到了500多家，發(fā)展地域也由17個省市自治區(qū)增加到了25個（不包括港澳臺），大部分集中在江蘇、浙江、廣東、上海等地[2]。
　　目前，我國管樁規(guī)格系列已較為合理，形成了PHC樁和PC樁按外徑分為300、400、500、600、800、1 000、1 200 mm各7個規(guī)格；預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（PTC）分為300、350、400、450、500、550、600 mm共7個規(guī)格。
　　預(yù)制混凝土樁行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作覆蓋面不斷加大。以國標(biāo)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB13476－2009）[3]和《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集（10G409）[4]為主線，標(biāo)準(zhǔn)化工作不斷延伸與拓展。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有各類預(yù)應(yīng)力混凝土管樁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約30部。
　　2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁特性
　　2.1 優(yōu)點
　　（1）單位承載力造價低。由于其空心、持力層淺和直徑小等因素，一般情況下單位承載力造價比灌注樁便宜。
　?。?）成樁質(zhì)量可控性強。管樁作為預(yù)制樁是工廠化生產(chǎn)，樁身質(zhì)量可控性強。
　　（3）設(shè)計選用范圍廣。由于管樁外徑規(guī)格多，既可用于地基處理、工業(yè)廠房，也可用于多、高層建筑。
　　（4）運輸、吊裝及沉樁方便，施工速度快。尤其是PHC樁，從生產(chǎn)到使用的最短時間只需3～4 d。
　　（5）質(zhì)量檢測方便。尤其是采用閉口樁尖，樁長和樁身質(zhì)量可用肉眼等直接手段進行監(jiān)測。
　　2.2 缺點和局限性
　?。?）預(yù)應(yīng)力管樁屬于擠土樁，沉樁時樁周土體被壓密或擠開，使土體產(chǎn)生水平移動或豎直隆起，可能造成鄰近已壓入的樁產(chǎn)生上浮、樁位偏移和樁身翹曲折斷或影響相鄰建筑物、管線和道路等等。
　　（2）不宜穿透較厚堅硬土層，受限于某些地質(zhì)條件下。
　?。?）樁身截面面積小，抗彎抗剪能力相對較弱。
　?。?）受吊裝、運輸和沉樁機械等條件限制，單節(jié)預(yù)制樁長度不大，長樁需接樁，接頭常形成樁身的薄弱環(huán)節(jié)，甚至制約其承載性能。
　　3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載性狀
　　3.1 樁身抗壓承載力
　　預(yù)應(yīng)力混凝土管樁大多用作抗壓樁。進行抗壓樁基礎(chǔ)設(shè)計時，對于樁身承載力的驗算，不同規(guī)范略有差別，主要區(qū)別在于樁身混凝土殘留的預(yù)壓應(yīng)力及沉樁工藝等因素導(dǎo)致樁身承載力不同程度的折減。
　?。?）國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）[4]樁身承載力按下式確定： 　　式中：為軸壓力設(shè)計值；為管樁截面面積；為混凝土抗壓強度設(shè)計值；為考慮成樁工藝影響及混凝土殘留預(yù)壓應(yīng)力影響而取的綜合折減系數(shù)，= 0.7。
　?。?）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94－2008）[5]規(guī)定混凝土預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁的成樁工藝系數(shù)= 0.85。
　?。?）考慮壓屈影響的樁身承載力樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于10 kPa的軟弱土層基樁，應(yīng)考慮壓曲影響，樁身承載力應(yīng)由下式確定： 　　式中：為受壓穩(wěn)定系數(shù)。
　　3.2 抗拔承載力驗算
　　預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁，有逐漸增長的趨勢。作為抗拔樁使用的管樁，在有效預(yù)壓應(yīng)力范圍內(nèi)樁身不會出現(xiàn)裂縫，對預(yù)應(yīng)力鋼筋保護較好，能較好地發(fā)揮樁身強度，具有施工效率高和造價低等優(yōu)點。但影響預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗拔承載力的因素較多，設(shè)計時應(yīng)認真驗算。
　?。?）抗拔承載力的計算內(nèi)容
　　預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁時的承載力計算內(nèi)容包括：樁側(cè)土抗拔阻力、樁身抗拔承載力、鋼棒（預(yù)應(yīng)力鋼筋）墩頭抗拉強度驗算、焊接接頭連接接頭驗算、樁頂與承臺連接設(shè)計驗算以及樁身混凝土抗裂驗算和裂縫控制計算。
　　（2）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁應(yīng)用的注意事項
　?、倏拱螛稑渡斫Y(jié)構(gòu)強度主要由有效預(yù)壓應(yīng)力控制，宜采用有效預(yù)壓應(yīng)力較大的AB型、B型或C型樁，不宜選用薄壁管樁。
　?、诮宇^焊縫強度驗算滿足抗拔承載力要求時，需嚴格控制焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)未焊透坡口根部而導(dǎo)致的工程事故，且需注意焊縫的防銹處理及冷卻時間。
　?、蹜?yīng)注意驗算管樁端板與樁身預(yù)應(yīng)力筋的連接處的抗拉強度，需要時可增加端板厚度，以滿足端板孔口抗剪強度。
　?、芸刹捎枚税搴镐摻睢⑻钚净炷林袖摻钭鳛殄^固鋼筋錨入樁承臺的構(gòu)造形式，并通過計算確定填芯高度及填芯鋼筋籠配筋。
　?、莨浪銟秱?cè)土層提供的極限抗拔阻力時，應(yīng)注意抗壓時的折減系數(shù)。
　　3.3 抗剪與抗彎性能
　　在吊車、風(fēng)荷載、豎向偏心荷載、基坑開挖、周邊堆載和地震作用下，管樁均會受到不同程度的水平作用，管樁實際工況為壓、彎、剪的復(fù)合受力構(gòu)件，管樁的抗剪、抗彎驗算某些工況下變得至關(guān)重要。
　　3.3.1 與灌注樁抗彎承載力的比較
　　根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010－2010）[6]附錄第E.0.4條，圓形截面正截面受壓承載力宜符合下列規(guī)定： 　　式中：N、M分別為軸向力設(shè)計值、彎矩設(shè)計值；為鋼筋抗拉強度設(shè)計值；A為圓形截面面積；為全部縱向普通鋼筋的截面面積；r為圓形截面的半徑；為縱向普通鋼筋重心所在圓周的半徑；為軸向壓力對截面重心的偏心距；為附加偏心距；為對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與的比值；為縱向受拉普通鋼筋截面面積與全部縱向普通鋼筋截面面積的比值。
　　某鋼筋混凝土灌注樁直徑為600 mm，混凝土強度等級C40，樁頂3 m范圍箍筋為HRB335，f10 mm@100 mm，縱筋采用HRB400，8f18 mm，沿圓周均勻布置，縱筋保護層為50 mm。
　　對于受彎構(gòu)件，N = 0，由式（1）解得，由式（2）求得M≤172 kN•m。
　　由國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）[4]可知，直徑為600 mm的PHC樁，根據(jù)壁厚與配筋不同，樁身受彎承載力設(shè)計值為206～482 kN•m，均大于同直徑灌注樁的受彎承載力172 kN•m。這是因為：①截面受彎承載力主要由外圍鋼筋和混凝土的強度提供，管樁在內(nèi)部挖孔，對截面慣性距影響較??；②管樁混凝土強度高；③管樁預(yù)應(yīng)力筋強度高。
　　3.3.2 與灌注樁抗剪承載力的比較
　　根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010－2010）[6]第6.3.15條、第6.3.4條，受彎構(gòu)件的斜剪承載力宜符合下列規(guī)定： 　　式中：V為構(gòu)件斜截面上的最大剪力設(shè)計值；為混凝土抗拉強度設(shè)計值；b、分別為截面寬度、有效高度；為截面混凝土受剪承載力系數(shù)；為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距；為箍筋的抗拉強度設(shè)計值。
代入上述參數(shù)，求得V≤415 kN。
　　由國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）[4]可知，直徑為600 mm的PHC樁，根據(jù)壁厚與配筋不同，樁身斜截面受剪承載力設(shè)計值為270～429 kN，幾乎全部小于同直徑灌注樁的受剪承載力415 kN。這是因為：①管樁在內(nèi)部挖孔，對截面受剪承載力削弱較大；②灌注樁箍筋配置比較靈活，可以用此提高受剪承載力。
　　3.3.3 復(fù)合受力時與灌注樁承載性狀的比較
　　實際工程中，樁身強度應(yīng)按受壓、彎、剪復(fù)合受力驗算。管樁常用直徑為400～600 mm，單樁抗彎、抗剪承載力均較小，可調(diào)整的范圍不大。灌注樁常用直徑為600～1 500 mm，灌注樁箍筋和縱筋配筋率可根據(jù)抗彎、抗剪承載力需要進行調(diào)整，其范圍大。因此，對于抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的液化土、深厚軟土場地，應(yīng)優(yōu)先選用灌注樁。
　　3.4 管樁基礎(chǔ)沉降特性
　　預(yù)制樁因擠土效應(yīng)導(dǎo)致施工后沉降量較灌注樁大，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）修訂時，收集到的上海、天津、溫州地區(qū)的樁基沉降實測資料（土層、土性等參數(shù)不完整）共計110份，經(jīng)整理分析，發(fā)現(xiàn)擠土預(yù)制樁樁基（不含復(fù)壓、引孔）沉降量比灌注樁普遍偏大。
　　圖1反映出一個共同規(guī)律：預(yù)制樁基礎(chǔ)的最終沉降量顯著大于灌注樁基礎(chǔ)的最終沉降量，樁長愈小，其差異愈大。這一現(xiàn)象反映出預(yù)制樁因擠土沉樁產(chǎn)生樁土上涌導(dǎo)致沉降增大的負面效應(yīng)。由于3個地區(qū)地層條件存在差異，樁端持力層、樁長、樁距、沉樁工藝流程等因素變化，使得預(yù)制樁擠土效應(yīng)不同。為使計算沉降更符合實際，建立以灌注樁基礎(chǔ)實測沉降與計算沉降之比隨樁端壓縮層范圍內(nèi)模量當(dāng)量值而變的經(jīng)驗值，對于飽和土中未經(jīng)復(fù)打、復(fù)壓、引孔沉樁的預(yù)制樁基礎(chǔ)按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－2008）^[5]表5.5.11所列值再乘以擠土效應(yīng)系數(shù)1.3～1.8，對于樁數(shù)多、樁距小、沉樁速率快、土體滲透性低的情況，擠土效應(yīng)系數(shù)取大值。
　　3.5 抗震性能
　　3.5.1 地震作用下樁基礎(chǔ)的破壞形式
　　基樁承受土層強迫位移和上部結(jié)構(gòu)慣性力。土層強迫位移主要與地基土的動力反應(yīng)特性相關(guān)，慣性力與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)自振特性相關(guān)。由于地基土的性質(zhì)較為復(fù)雜多樣，包括液化土、軟弱黏性土、新近填土、嚴重不均勻土等，同時土層分布和地形地貌千差萬別，使得由此造成的樁基震害程度和形態(tài)差異較大，準(zhǔn)確理論分析較為困難。


　?。?）樁頂破壞
　　樁與承臺連接一般為樁頂嵌入承臺深度5～10 cm，主筋錨入承臺35倍鋼筋直徑，這種連接呈非理想嵌固特征。在水平地震作用下，樁頂承受水平剪力和固端彎矩，彎剪應(yīng)力集中，首先形成塑性鉸。對于荷載大、重心高、埋深較淺的樁基，樁頂受循環(huán)作用的壓、拔、彎、剪應(yīng)力，導(dǎo)致樁頂混凝土壓碎、鋼筋壓曲、鋼筋拉脫、剪損等破壞，見圖2。
　　（2）樁頂、樁身破壞
　　液化而無側(cè)向擴展地基土中的基樁，由于側(cè)向土體約束削弱，主要靠樁身抵抗地震作用，導(dǎo)致樁頂彎矩、剪力、壓力增大，樁頂破壞嚴重，如圖3所示。
　?。?）液化側(cè)擴地基上樁基的震害
　　液化且有側(cè)向擴展時，不僅導(dǎo)致樁基豎向承載力削弱，基樁還要承受側(cè)擴液化層的側(cè)向推力和慣性力作用，所受水平推力十分突出，在樁頂與承臺連接處、液化土與非液化土界面，樁的剪力、彎矩高度集中，震害非常嚴重，其特征表現(xiàn)為樁頂與承臺或者樁身上、下斷裂且產(chǎn)生明顯錯位（見圖4）；此外，位于岸邊坡地的樁基發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性更大。 　　3.5.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定
　　（1）國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）[4]中規(guī)定的管樁適用非抗震設(shè)計及抗震設(shè)防烈度小于等于8度地區(qū)的工業(yè)與民用建筑、構(gòu)筑物等工程的低承臺樁基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為8度且建筑場地類別III、IV類時慎用。
　?。?）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94－2008）[5]中規(guī)定：抗震設(shè)防烈度為8度及以上地區(qū)的液化土、深厚軟土場地，不宜采用采用預(yù)應(yīng)力空心樁(見《建筑樁基技術(shù)規(guī)范應(yīng)用手冊》[7]附錄)。
　?。?）廣東省標(biāo)準(zhǔn)《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T15－22－2008）[8]中規(guī)定：當(dāng)用于抗震設(shè)防烈度為8度的工業(yè)與民用建筑時，必須選用AB或AB型以上樁型，嚴禁使用A型樁，且所選樁型的各項力學(xué)指標(biāo)應(yīng)滿足管樁基礎(chǔ)的實際受力情況。
　　3.5.3 提高抗震性能的措施
　?。?）對于存在軟硬土層交互出現(xiàn)、液化和液化側(cè)擴、坡地岸邊等情況，應(yīng)加強樁身主筋，箍筋配置。
　?。?）加強管樁上端與承臺相連及承臺之間的連接。
　?。?）做好管樁頂部的填芯及承臺周圍填土的夯實工作。
　　4 工程應(yīng)用中常見問題及預(yù)防
　　近些年，在深厚飽和黏性土（軟土）場地進行管樁施工時，由于方案設(shè)計不合理，施工措施不當(dāng)，引發(fā)的管樁移位、傾斜、樁身開裂等問題頻現(xiàn)。
　　4.1 深厚流塑狀軟土場地大面積沉樁
　　近年來，在深厚流塑狀軟土場地大面積沉樁引發(fā)管樁的移位、傾斜、斷裂、樁身開裂等問題突出。
　　某垃圾處理場預(yù)制樁工程2009年底施工， PHC管樁共計755根，對其中563根基樁低應(yīng)變檢測發(fā)現(xiàn)，127根樁為斷樁，大部分樁出現(xiàn)偏移，偏移量最大達到3 055 mm，且無法糾傾處理，將全部管樁廢棄，改為直徑1 m的灌注樁（見圖5）。
　　4.2 沉樁速率過快引發(fā)的問題
　　飽和黏性土場地為搶工期，未控制沉樁速率，導(dǎo)致超孔壓高，擠土效應(yīng)嚴重，樁土上涌，樁體位移。這類事故較多，如圖6所示。
　　4.3 基坑開挖引發(fā)的問題
　　由于基坑支護不當(dāng)、挖土不均勻、開挖土方堆積在管樁基礎(chǔ)周圍，未及時外運等原因造成的管樁移位、斷裂等事故時有發(fā)生。圖7所示為上海某工程事故中管樁基礎(chǔ)的破壞狀況，其直接誘因為施工不當(dāng)。 　　4.4 施工機械運行、沉樁及基坑開挖等綜合因素引發(fā)的問題
　　圖8所示為江蘇某活動中心PHC-500-100A型管樁基礎(chǔ)，因基坑開挖及施工等原因造成管樁位移、傾斜而形成斷樁、廢樁。
　　4.5 接頭焊接質(zhì)量引發(fā)的問題
　　管樁接頭、樁尖焊接不牢固造成沉樁過程中接駁錯位，連接強度低，抗壓樁承載力不足、抗浮樁被拔起等事故時有發(fā)生。圖9為管樁施工現(xiàn)場焊接接樁工況。 　　4.6 持力層遇水軟化引發(fā)的問題
　　在樁端持力層為遇水易軟化的風(fēng)化巖層的地質(zhì)條件下，要慎用管樁，特別是強風(fēng)化泥巖以及含泥量較多的強風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖層做持力層的管樁基礎(chǔ)，因接頭或樁尖漏水，導(dǎo)致持力層遇水軟化，承載力降低。樁端防水做法如圖10所示[10]。 　　4.7 預(yù)防措施
　?。?）飽和黏性土場地沉樁施工，應(yīng)控制沉樁速率，或采取設(shè)置塑料排水板等加速孔壓消散措施。
　?。?）對于深厚流塑狀軟土場地，應(yīng)先采取真空預(yù)壓等措施后，再進行沉樁施工。
　?。?）飽和黏性土場地的基坑開挖宜在超空隙水壓力基本消散（一般30 d）后進行，也可采取降水措施后進行。挖土應(yīng)均衡進行，對流塑狀土，高差不應(yīng)大于1 m。
　?。?）需嚴格控制焊縫質(zhì)量，焊縫長度與寬度，且需注意焊縫的防銹處理及冷卻時間。
　?。?）樁端持力層為遇水易軟化的風(fēng)化巖層時，需做好樁端防水。
　　5 結(jié) 論
　　（1）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程應(yīng)用發(fā)展迅速，量大面廣，產(chǎn)品質(zhì)量差異較大，有關(guān)其承載特性、設(shè)計、施工、檢測等工作需引起重視。
　?。?）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計思想、方法多樣，應(yīng)及時總結(jié)工程經(jīng)驗，確定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的合理應(yīng)用范圍，減少樁基工程質(zhì)量事故。
　?。?）在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的液化場地、深厚軟土場地，應(yīng)優(yōu)先選用灌注樁。
　?。?）設(shè)計要求管樁穿越硬夾層、加大樁端進入持力層深度等情況時，可考慮采用預(yù)鉆孔、射水振動沉樁等措施。
　?。?）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)以防止擠土效應(yīng)的負面影響為核心，采取各種相應(yīng)措施，包括布樁、樁距、樁型和構(gòu)造措施等。
　?。?）深厚飽和黏性土場地沉樁施工，應(yīng)注意采取措施，防止產(chǎn)生樁體位移、傾斜，甚至成斷樁、廢樁事故。
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