淺談PHC管樁在粘性土中的應(yīng)用

趙晉東

0 引言

PHC管樁最初應(yīng)用于港口、鐵路、碼頭、橋梁等工程基礎(chǔ)，隨著PHC管樁技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展完善，目前已應(yīng)用于包括民用、工業(yè)、水利、構(gòu)筑物等各方面的工程基礎(chǔ)。PHC管樁不受機(jī)械的限制，可以任意接長(zhǎng)樁長(zhǎng)度，有著較好的抗彎、抗裂性能和一定的穿透力，適用于粘性土、碎石類(lèi)土、粉土、強(qiáng)風(fēng)化巖層、砂土和密實(shí)的卵石層，但不適用于障礙物過(guò)多的巖土層、石灰?guī)r等土層。

1 PHC管樁概述

PHC管樁主要由鋼套箍、樁身和端頭板組成，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于 C80，樁外徑一般有400 mm，500 mm，550 mm，600 mm，800 mm等，壁厚在70 mm～130 mm之間，樁節(jié)長(zhǎng)度一般為8 m～12 m。PHC管樁制造成型到投入使用一般要3 d～4 d。常用的直徑PHC-AB 500(125)型管樁的樁身受壓承載力設(shè)計(jì)值可以達(dá)到3 700 kN(未考慮壓曲影響)，可滿(mǎn)足一般高層建筑樁基承載力要求;樁端比原樁土承載力提高一倍左右，施工速度較現(xiàn)場(chǎng)灌注樁更快，而且無(wú)污染，使用靜力壓樁機(jī)還能夠消除噪聲影響，施工7 d后即可檢測(cè)樁基，可以大幅縮短工期。

1)PHC管樁技術(shù)參數(shù)。PHC管樁的預(yù)應(yīng)力主筋使用鋼棒、鋼絲，直徑通常為7.1 mm，9.0 mm，10.7 mm，抗拉性能為 1 420 MPa;混凝土強(qiáng)度等級(jí)不能低于C80，抗彎性能有A，AB，B，C四種類(lèi)型，有效預(yù)壓應(yīng)力值為4.0 N/mm2，6.0 N/mm2，8.0 N/mm2，10.0 N/mm2。

2)PHC管樁樁基設(shè)計(jì)等級(jí)。PHC管樁樁基設(shè)計(jì)需要先確定設(shè)計(jì)等級(jí)，才能界定設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、內(nèi)容和技術(shù)措施。設(shè)計(jì)等級(jí)需要綜合考慮建筑物體型、規(guī)模、功能和場(chǎng)地、環(huán)境等因素，等級(jí)劃分為甲、乙、丙三個(gè)等級(jí)。

3)PHC管樁設(shè)計(jì)原則。PHC管樁設(shè)計(jì)需要考慮基礎(chǔ)承載力、土層分布情況、持力層承載力等因素，因而設(shè)計(jì)方案并不是唯一的，方案的水平與設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)有關(guān)，需要設(shè)計(jì)人員具備專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)以及巖土力學(xué)等知識(shí)。PHC管樁設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)安全性、經(jīng)濟(jì)性，關(guān)注于設(shè)計(jì)方案的合理、可行。

4)PHC管樁設(shè)計(jì)方法。PHC管樁設(shè)計(jì)方法需要根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，依據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)原則，具有改變樁徑、局部弱化或強(qiáng)化、局部改變樁長(zhǎng)、改變樁距四種模式，并通過(guò)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析計(jì)算，按照相關(guān)的建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算。

2 PHC管樁在高層粘性土地基中的應(yīng)用

近年來(lái)，高層建筑得到了快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)形式也發(fā)生了極大的變化，PHC管樁因其質(zhì)量容易得到保障、施工快、不需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)、成樁到檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，部分取代了施工環(huán)境要求較高的泥漿護(hù)壁灌注樁，得到了較為廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)以太原市平陽(yáng)路某小區(qū)高層為例，介紹PHC管樁在高層粘性土地基中的應(yīng)用。

1)工程實(shí)例概況。以該小區(qū)C座樓為例，該樓地上為30層，地下2層，長(zhǎng)59.4 m、寬 29.7 m;室外地坪以上高度為 98.45 m。主體采用剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)布置采用墻下樁承臺(tái)梁，其中承臺(tái)梁截面為0.8 m ×1.0 m、基礎(chǔ)底標(biāo)高為 －8.15 m;使用 PHC管樁-AB500(125)，其中樁長(zhǎng)為22 m，樁距在墻下根據(jù)承載力需求調(diào)整布置，樁間距布置原則為不小于3倍樁徑。布樁327根，單樁承載力特征值要求不小于2 450 kN;抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度值設(shè)計(jì)為0.2g。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)。基礎(chǔ)埋深7.5 m。

2)工程場(chǎng)地自然情況。場(chǎng)地標(biāo)高為785.20 m，第①層土層為雜填土，由磚塊、灰渣等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚在0.6 m～2.0 m之間，平均為0.84 m;第②層土層由粉土、粉質(zhì)粘土等組成，層厚在1.3 m ～3.2 m 之間，平均為2.52 m，樁側(cè)阻力特征值為10 kPa;第③層土層為粉質(zhì)粘土，層厚在0.5 m～5.1 m之間，平均為3.34 m，靜探錐尖阻力在0.6 MPa～9.8 MPa之間，樁側(cè)阻力特征值為16 kPa，由于局部含有透鏡體或是粉細(xì)砂層，標(biāo)貫擊數(shù)變化較大，實(shí)測(cè)值為14擊～21擊;第④層土層為較為密實(shí)的粉土，層厚在4.2 m ～9.0 m 之間，平均為 6.9 m，樁側(cè)阻力特征值為 28 kPa，標(biāo)貫擊數(shù)為24擊～32擊;第⑤層土層為粉細(xì)砂，含有粉質(zhì)粘土，層厚在2.6 m～5.0 m之間，平均為3.88 m，標(biāo)貫擊數(shù)為21擊 ～31擊;第⑥層土層為含中砂層，層厚在3.3 m～5.8 m之間，平均為4.43 m，樁側(cè)阻力特征值為35 kPa，樁端阻力特征值為3 000 kPa;第⑦層土層為粉質(zhì)粘土層，層厚在2.7 m～5.4 m之間，平均為4.35 m，樁側(cè)阻力特征值為30 kPa，樁端阻力特征值為1 000 kPa;第⑧層土層為中砂層，層厚在7.6 m～10.7 m之間，平均為9.68 m，樁側(cè)阻力特征值為45 kPa，樁端阻力特征值為3 500 kPa，土層承載力特征值為300 kPa;第⑨層土層為粗砂礫層，層厚在3.3 m～6.0 m之間，平均為4.68 m;第⑩層為密實(shí)的粉質(zhì)粘土層，未揭穿。場(chǎng)地內(nèi)地下水位埋深為4.3 m～4.7 m，對(duì)混凝土及PHC管樁無(wú)腐蝕性。

3)PHC管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。由勘察報(bào)告可以比較全面的了解場(chǎng)地土層情況，根據(jù)地基土的特性可以進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。樁基礎(chǔ)有預(yù)制樁或是現(xiàn)場(chǎng)灌注樁兩種，使用現(xiàn)場(chǎng)灌注樁的工期會(huì)比較長(zhǎng)，并且會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的泥漿，對(duì)周邊居民正常生活有較大影響。因此在征求監(jiān)理、業(yè)主的意見(jiàn)并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方的討論研究比較之后，選用C80 PHC-AB500(125)管樁。單樁豎向承載力特征值不小于2 450 kN，樁長(zhǎng)22 m，布置形式為剪力墻墻下布樁。

4)PHC管樁基樁布置。該樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)方案為剪力墻下布樁，上部墻體荷載通過(guò)墻下承臺(tái)梁傳遞給樁，計(jì)算時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)荷載、土反力等的整體以及局部平衡，并考慮上部結(jié)構(gòu)的分布和基礎(chǔ)剛度的分布。在布樁時(shí)，根據(jù)PKPM軟件之JCCAD部分計(jì)算上部結(jié)構(gòu)與筏板、樁的共同作用。

5)PHC管樁基礎(chǔ)計(jì)算。根據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念計(jì)算地基基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)的整體作用，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整布樁，控制差異沉降和筏板內(nèi)力。使用相關(guān)軟件計(jì)算時(shí)選擇PMCAD文件，將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及地基的共同作用進(jìn)行定量計(jì)算，為PHC管樁設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)。考慮到上部結(jié)構(gòu)剛度的作用，計(jì)算其與基礎(chǔ)頂面的共同作用，將使計(jì)算結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確、實(shí)際。

6)PHC管樁施工。PHC管樁有錘擊法、靜力壓樁法等施工方法，使用最多的是靜力壓樁法，本工程即選擇靜壓法進(jìn)行PHC管樁施工。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告分析，樁端在進(jìn)入持力層之前比較順利，雖然有卵礫砂層，不過(guò)礫石直徑均不超過(guò)30 mm。在施工過(guò)程中，局部卻發(fā)現(xiàn)中樁管入土3.5 m便打不下去，分析樁長(zhǎng)不符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)土層的進(jìn)一步探查，發(fā)現(xiàn)局部夾有厚達(dá)1.0 m左右的卵礫層，卵礫最大直徑達(dá)到100 mm。在與施工單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位協(xié)商后，使用引樁處理的方法，用鉆孔機(jī)引孔直達(dá)粘土層，鉆孔直徑為PHC管樁直徑的80%。施工的試樁與后期檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明單樁豎向承載力均符合設(shè)計(jì)要求。

7)PHC管樁沉降觀測(cè)。本工程共設(shè)7個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，在基層施工完成后便進(jìn)行沉降觀測(cè)，到主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，觀測(cè)結(jié)果表明最大沉降量是26.5 mm，最小沉降量是20.5 mm，均小于理論計(jì)算與規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。

8)PHC管樁應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。由于使用PHC管樁和變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，樁數(shù)量及長(zhǎng)度較灌注樁多，但每延米造價(jià)較后壓漿灌注樁低55%，綜合造價(jià)比現(xiàn)場(chǎng)灌注樁節(jié)省工程投資30.5%，并縮短工期達(dá)到60%以上。另外，采用靜壓法施工，能夠在不污染周邊環(huán)境的基層上進(jìn)一步控制噪聲污染;避免影響周邊居民生活，有利于環(huán)保。因此，使用PHC管樁有著十分好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 PHC管樁應(yīng)用于高層粘性土地基需要注意的問(wèn)題

首先，在粘性土層的條件下，使用靜壓管樁的擠土效應(yīng)十分明顯，PHC管樁在施工過(guò)程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)甚至能影響到周邊10 m左右的范圍，很容易使附近的建筑物、管線、道路受損。因此，施工時(shí)必須重視擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，施工前就必須設(shè)立觀測(cè)點(diǎn)對(duì)周邊建筑物、管線、道路進(jìn)行變形觀測(cè)，并設(shè)置防擠溝、砂帶，還可以在可能受到擠土效應(yīng)影響的建筑物、管線、道路邊用鉆機(jī)鉆孔，以釋放擠土效應(yīng)，減少不利影響。

其次，在粘性土層的條件下，使用靜壓法施工時(shí)對(duì)地面的壓力很大，可能因地表承載力過(guò)大而產(chǎn)生陷機(jī)的問(wèn)題，遇到雨季或是送樁導(dǎo)致的孔洞都容易出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。陷機(jī)將損壞管樁，因此在施工前必須詳細(xì)了解工程地質(zhì)條件，尤其要全面了解5 m內(nèi)土層的力學(xué)數(shù)據(jù)等情況，如果地表承載力難以滿(mǎn)足要求，或是遇到雨季，需要先在場(chǎng)地鋪設(shè)碎石等來(lái)增加地表承壓能力，及時(shí)處理送樁導(dǎo)致的孔洞，以徹底避免陷機(jī)問(wèn)題的產(chǎn)生。

最后，在應(yīng)用PHC管樁的地基中，樁端一般必須選擇承載力較好的持力層，由于樁周土的固結(jié)回彈速度較慢，在短期的施工中要獲得較好的承載力，就必須將樁端伸入承載力較高的持力層。否則，管樁較難獲得理想的預(yù)期承載力。因此，在施工前必須先進(jìn)行場(chǎng)外試樁。

考慮到樁基技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)性、區(qū)域性很強(qiáng)的巖土工程技術(shù)，太原地區(qū)屬于8度區(qū)，因此在PHC管樁設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意下列問(wèn)題:1)設(shè)計(jì)PHC管樁基礎(chǔ)應(yīng)盡量選擇多樁承臺(tái)基礎(chǔ)或是樁筏基礎(chǔ)，使用PHC管樁的建筑必須驗(yàn)算樁基的承載力，尤其是水平承載力。樁端要求做一定長(zhǎng)度的加筋灌芯。地梁線剛度達(dá)不到相應(yīng)要求時(shí)，不能適用單柱單樁或兩樁。2)選用靜壓法進(jìn)行PHC管樁施工，終壓壓力值要略微高于極限標(biāo)準(zhǔn)值，因而在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮施工時(shí)樁無(wú)法穿越較厚、較硬土層或是樁達(dá)不到標(biāo)高、局部土層較硬出現(xiàn)爆樁及其處理等問(wèn)題。3)樁頭連接筏板承臺(tái)需要按照規(guī)范操作進(jìn)行，用微膨脹混凝土將樁頭附近澆筑密實(shí)，要保證錨固長(zhǎng)度，確保樁頭抗彎、抗剪能力。4)PHC管樁與樁帽連接性能的研究比較少，需要進(jìn)一步積累試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以更好的應(yīng)用PHC管樁。5)在土層上部有較多磚塊、碎石等地基中要慎重選用，該種土層較難穿越，影響施工質(zhì)量及入土深度。

受多種復(fù)雜因素的影響，PHC管樁在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題，尤其使用靜壓法在高層建筑粘性土地基中應(yīng)用時(shí)，更要全面、準(zhǔn)確的了解土質(zhì)、土層、樁數(shù)、施工順序等情況，只有事前重視，并采取有效的預(yù)防措施，事中加強(qiáng)觀測(cè)，保證信息化施工，才能保證施工的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PHC管樁技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性的分析，筆者認(rèn)為PHC管樁在太原地區(qū)是普遍適用的一種基礎(chǔ)類(lèi)型，但是針對(duì)高層建筑、粘性土等不同建筑、土質(zhì)還需要進(jìn)一步總結(jié)、完善試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)，以更好的推廣PHC管樁。

［1］ JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ JGJ 106-2003，建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 張 雁，劉金波.樁基手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.