預應力管樁在不同土層中的應用分析

陳越華 福建省環境保護設計院有限公司工程師

20 世紀80 年代末，預應力混凝土管樁（以下簡稱“管樁”）在我國建筑工程開始應用，發展至今，設計及施工都積累了較多經驗。相較其他樁型，PHC管樁即預應力高強度混凝土管樁具有樁承載力高、施工速度快、環境污染小、成本控制合理、長度易于調整、質量相對可靠、方便監測、單樁價格便宜、使用范圍廣以及節約時間等優點[1]。

正因為有如上優點，管樁在建筑工程中得到廣泛應用，設計及施工越發成熟。但是設計單位在基礎選型及設計時，仍然會因為經驗不足或者慣性思維而導致將關鍵性參數設置錯誤，造成安全隱患。本文將列舉3 個工程案例，每個工程初終稿基礎設計均為管樁，逐一對其土層進行探討并進行經驗總結，希望引起更多專業人員關注，為類似項目管樁基礎設計提供幫助。

1 管樁單樁承載力計算

管樁單樁豎向極限承載力計算參照的主要規范、規程及圖集有《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）、《 先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程》（DBJ13-86—2007）、《先張法預應力高強混凝土管樁》（閩2012-G-124）以及《預應力混凝土管樁》（10G409），其計算主要過程如下。

《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）第5.3.5 條中，根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力標準值時，對應的計算公式為：

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值，Qsk和Qpk分別為總極限側阻力標準值和總極限端阻力標準值，u、l、Ap分別為樁身周長、樁周第i層土的厚度以及樁端面積，qsik和qpk為樁側第i層土的極限側阻力標準值、極限端阻力標準值。

式（1）可求得Quk，即土層能提供的單樁豎向極限承載力標準值，將Quk除以2 即為單樁豎向承載力特征值Ra。

《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）及《預應力混凝土管樁》（10G409）規定樁身軸心受壓承載力應符合：

《預應力混凝土管樁》（10G409）中可以按表查詢不同直徑及壁厚管樁對應的樁身軸心受壓承載力設計值，根據工程地質構造條件，將管樁樁身豎向承載力設計值RP除以1.35 作為單樁豎向承載力特征值Ra。

經過上述兩個步驟確定單樁承載力特征值Ra，取小值后作為單樁承載力特征值進行結構設計。相關研究表明，管樁可以應用在軟土層、砂土層、粘土層以及風化巖基層等地質條件環境下[2]。福建地區由于基巖埋藏較淺，上覆軟土提供的樁側負摩阻力有限，若按現行規范公式計算，則Ra較低，尤其對于一些中短樁，承載力過于偏小。若按此設計，則將造成極大浪費，也不合理。事實上，當樁端進入風化巖層后，樁尖附近的強風化巖層巖體承載力得到提高。經過靜載試驗驗證，當錘擊施工選用合適的錘重及落距等控制參數，并以“貫入度及樁長雙控，以貫入度控制為主，樁長為鋪，最后控制貫入度，最后3 陣，每陣10 擊，貫入度為每10 擊20 ～30 mm”作為收錘標準時，單樁承載力能達到樁身承載力。

管樁設計時，單樁承載力的取樁身承載力并留有一定余量的情況較為多見。因此，要給一些結構設計人員造成一種“管樁設計，單樁承載力即取樁身承載力，樁基施工時均以貫入度來控制收錘標準”的慣性思維，即“錘擊錘至下不去”，這種慣性的思維將給基礎設計帶來安全隱患。

2 管樁施工質量控制措施

2.1 樁尖配備

預應力管樁圖集中，樁尖有十字型、開口型以及圓錐型3 種，其中以十字型樁尖最為常見。樁身需要穿越砂層時，開口型和圓錐型樁尖效果比十字型好。在工程實踐中，通過合理選用筒式柴油打樁錘，采用錐型鋼樁尖、預鉆孔沉樁，可以穿透較厚的中密的砂層和圓礫層，能滿足φ600 mm 管樁樁端持力層為強風化巖層的條件[3]。而開口型樁尖成樁后樁體空腔內部有1/3～1/2長度被土體填充，從土體閉塞效果來看，對單樁承載力沒有影響，但是可以減少擠土作用的影響。封口型樁尖成樁后，可利用樁身內腔檢驗樁身質量及長度。特別是當持力層遇水會軟化，施打后持力層可能進水時，樁尖型號的選擇就更為重要。

2.2 收錘標準確定

收錘標準主要指標是最后貫入度、最后1 m 錘擊數以及樁尖進入持力層深度等。工程地質條件、單樁承載力特征值、柴油錘的錘重等因素都直接影響收錘標準。此外，工程條件跟樁種類不同，主要指標也不盡相同。作為摩擦樁，原則上收錘標準是以設計樁端標高和樁長作為主要控制指標，而端承樁則是以最后的貫入度作為主要控制指標。

通過試樁取得的貫入度、施工記錄、地勘報告以及參考相關技術規范等控制施工質量的依據，通過試打樁確定收錘標準將直接影響管樁施工質量[4]。

2.3 合理安排基坑開挖順序

在土方開挖時，若管樁兩側存在土體高差或施工設備在管樁一側進行作業，都將對土體產生一定的水平力，會造成管樁傾斜或斷樁，其主要原因主要包括以下兩點。一是土方開挖時管樁兩側土體出現高差滑坡，二是挖掘機和裝載車輛等直接作用于淤泥層中，淤泥層在垂直方向受力后會沿水平方向擠出，出現滑移或坍塌[5]。由于管樁抵抗水平力能力相對較差，管樁施工完畢后，在其上或周圍開挖基坑或基槽時，應事先制定合理的施工方案，合理安排基坑開挖順序，保證邊坡土體穩定性的同時，保證管樁不至于承受過大的土體壓力。

3 工程實例

3.1 福清元洪國際食品展示交易中心二期

根據地質勘察報告(見圖1），該工程土層分布是典型的由軟及硬緩慢過渡，自上而下土層分別為雜填土（約6 m）、殘積砂質粘性土（約4 m）、全風化花崗巖（約3 m）、砂土狀強風化花崗巖（約22 m）、碎塊狀強風化花崗巖（約8 m）、中風化（未揭穿）。

圖1 福清元洪國際食品展示交易中心二期地質剖面

基礎設計的概況為單柱最大荷載約10 000 kN，管樁型號PHC-AB500（125），樁端持力層為碎塊狀強風化花崗巖，采用十字型樁尖，沉樁時以貫入度及樁長雙控，以貫入度控制為主，樁長為輔，單樁承載力特征值Ra=2 500 kN（樁身豎向承載力設計值3 701 kN）。

3.2 福州連江某項目

該項目單柱最大荷載約6 000 kN，根據該項目的地質勘察報告剖面圖（見圖2），中風化凝灰熔巖上存在砂土狀強風化凝灰熔巖，但該土層較薄，上覆存在中砂層且淤泥軟土較厚。理論上管樁方案依然可行，出于經濟性及工期考慮，設計參數與福清元洪國際食品展示交易中心二期完全一致，樁端持力層選擇砂土狀強風化凝灰熔巖。

圖2 福州連江某項目地質剖面

施工單位在試打樁過程中，頻繁出現斷樁現象，給施工帶來了極大困難。勘察、設計、施工單位共同商討并結合《福建省建筑結構設計若干規定》中的規定，在樁端持力層為強風化巖，且樁端持力層以上土層均為淤泥質土層、淤泥層等軟弱土層時，不應使用預應力混凝土管樁，認為斷樁主要是由于砂土狀強風化持力層較薄，錘擊樁施工，管樁易穿透，而管樁無法進入中風化凝灰熔巖層，加之其上覆土層中砂層厚度有限，提供給管樁的抱覆作用更有限而造成。于是，筆者當時所在設計單位將管樁設計方案更改為灌注樁設計方案，以中風化凝灰熔巖作為樁端持力層重新進行基礎設計。

3.3 溫州蒼南某項目

據地質勘察報告，該工程地質分布極為均勻，自上而下土層分別為粘土（約2 m）、淤泥（約9.6 m）、淤泥質粘土（約8.1 m）、卵石（揭示厚度約5 m，未揭穿）。

該項目基礎設計的單柱最大荷載約為2 000 kN，管樁型號PHC-AB500（100），樁端持力層為卵石，設計要求采用十字型樁尖，沉樁時以貫入度及樁長雙控，以貫入度控制為主，樁長為輔，單樁承載力特征值Ra=1 350 kN（樁身豎向承載力設計值3 158 kN）。

根據經驗，這樣的地層情況非常適合采用預應力混凝土管樁基礎。但施工單位在試打樁過程中，經常出現樁端穿透卵石層而無法收錘的情況，結構設計人員無法判斷樁端持力層的情況，從而給結構帶來了安全隱患。在勘察、設計、施工單位共同商討后，將沉樁收錘標準修改為以貫入度及樁長雙控，以樁長控制為主，貫入度為輔，進入卵石深度不小于1 m 且不大于2 m，降低單樁承載力進行基礎設計。經復核后，整個基礎設計增加少量樁數，可以大幅減少總樁長，節省造價，同時做到設計有所依據。

4 管樁設計注意點

通過以上3 個實際工程項目，結構設計人員進行預應力混凝土管樁基礎設計時，需要注意以下幾點。首先，勘察是設計的前提。對于外地項目，在工程地質不熟悉的情況下應該與勘察單位充分溝通，了解當地的設計常規做法，切忌慣性思維，否則容易留下安全隱患。其次，填土中若存在孤石，應摸清孤石埋深，淺層孤石可以考慮鉆機引孔、預鉆孔等措施輔助沉樁，并充分論證管樁可行性，而不是直接給予否定，增加基礎造價。最后，預應力混凝土管樁錘擊施工時，若從松軟土層突變到特別堅硬的地層則應謹慎使用，由于中間缺少一層“緩沖層”，打樁破損率極高，必要時可進行試沉樁。當發現管樁確不適合時，應立即更換基礎設計方案。

5 結語

預應力高強混凝土管樁的工藝技術發展至今已經非常成熟。設計時應充分理解地層，結合當地基礎設計經驗，研究探討管樁成樁可行性，必要時在基礎選型前進行試打樁，以確定合理的終沉樁標準。工程實踐中，盡管再成熟的工藝技術，設計時都應具體問題具體分析，切不可經驗主義。