預應力混凝土管樁在砂性土層中的應用分析

劉洋

摘要： 本文結合砂性土巖土條件，提出了預應力管樁適用的單樁承載力計算方法，根據施工實踐，對植樁過程、缺陷可能性、方案優化對比進行了介紹和分析，與同行共同探討。

關鍵詞： 預應力混凝土管樁 砂性土 單樁豎向承載力 植樁

在我國，預應力混凝土管樁首先應用于鐵路系統，八十年代初期，上海、廣東等地開始推廣應用，進入九十年代江蘇、浙江也廣為應用。南通地區淺土層普遍存在理想的植樁持力層（砂性土層），由于受到擠土效應、機械設備、施工能力、材料來源等因素限制，推廣使用較晚，從單樁承載力價格比、工期，質量等幾個方面綜合考慮，它具有獨特的優勢，然而，預應力混凝土管樁（靜壓法植樁為主）在砂性土地層中的使用仍是個比較復雜的技術，應對樁基方案優化對比，合理選用機械、精心組織施工。

一、 預應力混凝土管樁的單樁豎向承載力估算及分析

1、 單樁豎向承載力估算

單橋探頭靜力觸探法是主要根據同濟大學在上海和南通本地大量試驗中總結出來的，比較適合南通地區地質情況（砂性土為主）。近幾年大量的工程試驗證明，使用單橋靜力觸探資料估算單樁承載力是行之有效的方法，其計算精度完全可以滿足工程設計的要求。

上式中相關參數及修正系數的取值十分關鍵，JGJ94——2008規范5.3.3已作詳細說明，其中 取值對于粉土及砂性土、適用于折線○D即為0.02 ，實際應用中，地表以下6m范圍內的粉土為主的土層中，我們一般統一按15 kpa，，而對于6m以下 值達到7.0 以上的砂性土， 值可按100kpa考慮。

2、 幾種管樁的豎向承載力分析

1） 閉口管樁

閉口管樁的承載力變形機理與混凝土預制樁是相同的。管樁光滑的表面性質與混凝土預制樁粗糙的表面雖有所不同，但大量試驗結果表明，兩者的極限側阻力是可視為相等，因為一般砂性土層中側阻剪切破壞面是發生于靠近樁表面的土體中，而不是發生于樁土界面。因此，閉口管樁承載力的計算可以采用與混凝土預制樁相同的模式和承載力系數。

2） 敞口管樁的端阻力

敞口管樁的承載力機理比閉口管樁復雜。這是由于沉樁過程，樁端土的一部分進入管內形成“土塞”。土塞的沉樁過程受到管內壁摩阻力作用而產生一定壓縮。土塞的高度及閉塞效果隨土性、管徑、壁厚、樁入土深度及進入持力層的深度等諸多因素而變化。而樁端土的閉塞程度又直接影響樁的承載力性狀，稱此為“土塞效應”。管內土芯側阻力的發揮，性狀不同于管外側阻力。后者隨樁頂受荷沉降自上而下逐步發揮，后者則只有當荷載傳遞到樁端并產生樁端沉降才開始由上而下逐漸發揮。土塞的模量越低，土塞的高度越大，全部充分發揮土塞側阻力所需的沉降越大。敞口管樁端阻力的破壞以下列兩種形式之一出現：

① 土塞沿管內向上擠出，或由于土塞的壓縮量大且高度大，雖未全長向上擠出，但樁端土已大量擁入。

② 樁端地基土如同閉口樁一樣破壞。

對于第一種情況，樁端土處于未完全閉塞狀態，其閉塞程度主要隨樁進入持力層的深度增大而增大，隨管樁內徑增大而降低。對于第二種情況，樁端土處于完全閉塞狀態，其端阻力發揮值與閉口樁相同。

南通億達基礎工程公司曾進行了閉口、敞口管樁的比較試驗，某工程用 400mm混凝土管樁，內徑為 270mm，進入持力層中密粉砂土深度3～4米，其相對深度大于10m，結果敞口樁和閉口樁承載力完全相同。根據現有資料分析，建議敞口樁進入持力層相對深度在3～5米之間，土塞效應系數取0.5～0.8；大于5時取0.8～1.0，管樁內徑較小時取較大值，而管徑內徑較大時取較小值。

3） 敞口管樁側阻力

敞口管樁沉樁過程中一部分土進入管內形成土塞，一部分被擠向四周，因此其擠土效應不同于閉口樁。樁側阻力的性狀受擠土效應影響，也受到樁端閉塞情況的影響。試驗表明，樁的上部影響較大，中部影響次之，下部影響較小，而且還與樁的長度，尤其是土塞的長度，開口大小，閉塞狀況有密切的關系。建議側阻力降低系數為0.9～1.0.另外由于部分土進入管內側減小了擠密系數。軟土中敞口管樁上部側阻力值明顯小于方樁。而在砂性土地基并不十分明顯，原因在于形成的土塞比較短，進入持力層深度較大，土塞的閉塞效應比較好。

3、 樁基設計

預應力混凝土管樁采用先張法預應力離心工藝（雷蒙特法），經高速離心而成，蒸汽養護，工廠化生產，產品性能可靠，穩定性好，參照相關圖集制作。其樁位布置同預制混凝土樁和鋼管樁，詳見JGJ94-2008規范，本文不作介紹。

二、 植樁過程及缺陷可能性分析

1、 植樁過程

混凝土預應力管樁植樁目前主要有靜壓法和錘擊法，綜合各方面因素，目前本地區施工中一般以靜壓法為主。

砂性土層中，植樁最為關鍵的是機械施工能力和壓樁力控制。由于砂性土地層中擠密效應的影響，施工中應做到：

① 無論是敞口樁還是閉口樁，和預制方樁一樣，遵循由中間向四周、先內后外、先大后小，先長后短等原則施工。

② 樁較短，進入持力層深度不大時，宜用閉口樁；而樁較長時進入持力層深度較大、直徑較大的管樁為減少擠土作用，宜采用敞口管樁。

③ 選用合適的施工機械，大噸位的壓樁機施工規格較小的管樁，會造成樁身損傷和機械人員事故，砂性土中壓樁力一般為1.2 ，穿過薄層密實砂土層時，應增大壓樁力。

④ 植樁過程中，依據場地詳細勘察報告，根據地層變化，及時調整樁長和施工參數，遇異常情況應及時與勘察及設計人員聯系。

⑤ 保持機械水平以保證樁的垂直度、用水準儀控制好每根樁的樁頂標高。

2、 缺陷可能性分析

① 勘察資料不準或布點密度不夠引起的缺陷應在設計準備階段做好前期工作。

② 樁身垂直度和樁頂標高應由施工按規范要求嚴格控制，減少缺陷發生的系統性因素。

③ 近幾年南通地區已發生多次，由操作不當形成的缺陷，主要為復壓過程中的機械移動和工地周邊重型機械的搬運，復壓過程中樁基在已成樁的地基上搬運，重型機械本身巨大的壓力使樁上部承受土體的垂直和側向壓力而使樁上部折裂或折斷，尤其是樁上部位于軟弱土層或暗河，明河回填區，這種情況更多見，而施工過程中的班組輪換，更易出現樁被擠壓斷裂的情況（小直徑樁較多出現），當管樁出現偏移設計位置，一般應做小應變判定樁身質量，分析是屬于樁身偏位、樁身傾斜還是由于樁上部斷裂所致。

三、 尚待研究的幾個問題

近幾年來，隨著管樁在大中型工程中的推廣使用，它的優勢逐漸被人們所認識，隨著工程實踐的不斷深入，我們應該收集數據、總結經驗，為今后的設計和生產提供指導和服務。

① 收集分散在各單位的試樁資料，作出地區砂性土層中試樁圖譜，數據量達到要求后，可畫出實測、計算頻數分布圖，進一步完善和準確計算數據中各項參數的取值。建立更準確的地區側壁摩阻力取值經驗公式，提供理論計算值得準確性，指導樁基勘察、設計。

② 對植樁以后的樁間土可進行靜探原位測試，對比植樁前資料，研究砂性土層中擠土效應和土性變化情況，尤其是多樁承臺，應充分研究土層中變化規律，指導樁基設計和施工。

③ 結合土層情況，研究壓樁機和單樁承載力的準確對應關系，結合以上結論，逐步做到相同地質條件的二類建筑可以不作靜載荷試驗，一級建筑可以少做靜載荷試驗，以節省大量人力物力。

參考文獻

1、《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008，中華人民共和國行業標準。

2、《南通市土木建筑學會》交流資料