天津地区影响预应力空心管桩承载力发挥的主要因素及工程实例

天津地区影响预应力空心管桩承载力发挥的主要因素及工程实例

□文/徐 燕 何 晶 许 洁 李 军

【摘 要】：天津地区预应力混凝土空心管桩承载力主要由桩土体系的摩擦力提供，其主要影响因素包括持力层的选择及桩端入土深度、土塞作用、挤土效应、施工组织及施工设备等，其中持力层的选择最为关键。文章通过总结大量具体工程实例，对以上影响因素进行了全面详尽的综合分析。

【关键词】：预应力；混凝土；空心管桩；承载力；天津地区

天津地区属于第四系海积冲积低平原，几经海陆变迁沉积了巨厚的沉积物，近年来，随着土地资源日趋紧张，填海造陆等复杂地质条件的桩基工程日益广泛的应用，促使专业人员对桩的设计、施工、桩土体系作用机理及其与上部结构的关系开展了深入研究。预应力混凝土空心管桩因其桩身强度高、竖向抗压承载力稳定、施工便捷、环保节能等优势，在天津地区得到了广泛应用，对其承载能力及影响因素的研究非常重要。

1 影响因素

天津地区预应力空心管桩承载力主要由摩阻力提供，受工程地质条件及施工条件的影响较大，一般不会出现桩身强度超限问题，另外挤土效应、土塞、施工组织及施工设备等也起了一定作用。

1.1 桩身强度

对端承桩而言，桩身强度是控制其承载力的关键指标，对摩擦桩而言则需参考地质条件全面考虑。在以软土沉积为主的天津地区，埋深30 m以内的预应力管桩一般不会超限，桩身强度指标作为设计控制值，可参考10G409《预应力混凝土管桩》、DBJT 29-44—2010《工程建设标准设计》及10G306《先张法预应力离心混凝土管桩》关于预应力空心管桩桩身轴心受压承载力设计值的相关规定[1～2]。

1.2 工程地质条件

天津地区巨厚沉积物的地质特点，决定了该地区基桩承载力以桩土体系产生的摩擦力为主，因此选择适当的持力层是保证基桩承载力的关键，另外各土层的物理力学性质特别是持力层及其分布特点、桩端进入持力层的深度、软硬土层交互分布特征等均会对基桩承载力产生影响[3]。即使是工程地质条件相似的邻近场区，在土层埋深的差异及施工等因素影响下，相同桩型的基桩由于进入持力层的深度不同，其静载试验结果也有差异。

根据工程部位及承载性能要求，目前天津地区预应力管桩长度基本在12～30 m，其中控制地面沉降的地坪桩基本选择长度12～20 m，持力层为Q24m和Q41al，承台桩较多选择长度20～30 m，持力层可选择Q41al、Qe3al、Qd3mc及Qc3al，其中Qd3mc及Qc3al粉砂层施工难度较大，这类桩埋深达30 m以上，施打较困难。

1.3 桩型选择

合理的桩型确定了桩身强度控制指标、持力层位置及桩端进入持力层深度，不同桩型其土塞和挤土效应所产生的作用效果也不同。因此，尤其是地质条件复杂的大型重点项目，前期试桩选型至关重要，不仅可以保证项目运行安全、经济合理，而且可以为周边相近地质条件区域及后期扩建提供技术积累。

1.4 土塞作用

天津地区普遍采用敞口桩，土塞高度一般为桩长1/4～1/3左右，土塞对预应力空心管桩的承载力产生一定影响，与土层、管径等因素有关。

依据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》第5.3.8规定，敞口预应力混凝土空心管桩单桩竖向抗压极限承载力标准值计算公式[4]

当，hb/d1＜5时，λp=0.16hb/d1

当hb/d1≥5时，λp=0.8

式中：Quk——敞口预应力混凝土空心管桩单桩竖向抗压极限承载力标准值；

Qsk——总极限侧阻力标准值；

Qpk——总极限端阻力标准值；

u——桩身周长；

qsik——桩的极限侧阻力标准值；

qpk——桩的极限端阻力标准值；

li——桩周第i层土的厚度；

Aj——空心桩桩端净面积；

λp——桩端土塞效应系数；

Api——空心桩敞口面积；

hb——桩端进入持力层深度；

d1——空心桩内径。

1.5 挤土效应

为减小挤土效应的不良影响，天津地区基本采用敞口桩，近2/3管桩内径土体的挤密效果不容忽视。工程桩移位、上浮、出水、打桩困难等都是由此引起的常见现象。

1.6 施工设备

工程桩承载力是否达到设计要求与所采用的施工机械密切相关，选择适当的打桩机具才能保证基桩顺利压（打）入持力层。一般情况下天津地区埋深30 m以上的工程桩施打困难，其持力层为Qd3mc及Qc3al粉砂层，砂性较大的Q41al和Qe3al也存在穿透困难的问题。另外采用不同打桩设备对土体结构的破坏程度不同，需要一定的恢复时间。预应力管桩被压爆或打爆的现象时有发生，一旦桩身破损，将严重影响承载力的发挥。

1.7 施工组织

打桩顺序的选择、施工设备的组织安排、排水措施的布设、开挖方案的确定与实施、风险源评估、紧急预案的制定与补救措施的到位等，都关系着工程项目的安全，甚至道路规划与材料存放都会危机工程安全。尤其在天津滨海地区基坑施工中有很多惨痛的教训，深度仅2.0 m的设备基础开挖处理不当就会造成管桩倾斜甚至折断。预应力管桩与同直径实心混凝土桩相比水平承载力偏低，需要制定更为详细稳妥的基坑开挖方案、更精心的施工组织安排及更及时到位的预案措施予以安全保证。施工组织的重要性不言而喻。

2 工程实例

天津地区淤泥质土层厚，含水量大，地下水位高，一般采用敞口桩，对大规模施工项目而言，因地制宜的选用适当的桩型是达到设计目的的关键，另外，施工方案及施工组织实施过程都需要精心安排，严把各个技术环节，否则可能造成基桩施打困难、浮桩、桩位偏移甚至断桩等一系列问题。

根据长期积累的试验数据，列举了的部分工程实例说明以上几方面因素对预应力空心管桩承载力的影响。

2.1 实例1

空客项目工程实例说明了持力层选择、土塞、施工设备等因素对基桩承载力的重要影响。

空客A320和空客A330项目位于空港加工区，两项目间隔一条规划路，试验点间距500 m左右，工程地质条件见图1。该区域地势平坦，各土层纵向分布稍有起伏无明显变化。2007年空客A320项目先后完成了包括钻孔灌注桩和预应力混凝土空心管桩多种桩型的前期试验，积累了丰富的试验资料。2015年一路之隔的空客A330项目参考了之前的试验资料，针对厂房结构特点和地质条件，试桩只选择了桩长18 m，直径500、600 mm的预应力管桩；另外补充了一组桩长23 m，直径600 mm的管桩进行静载试验。全部试验桩检测内容汇总见表1。丰富的试验资料既为设计提供了可靠依据，又做到了节约建设资金，还缩短了工期，充分体现出前期试桩事半功倍的作用。两项工程对应桩型静载试验结果见表2，其最大加载量均未达到桩身结构抗压承载力设计值，相同直径试验桩Q-s曲线见图2。

图1 空客天津项目地质剖面

图2 空客项目试验桩Q-s曲线对比

表1 空客项目试验项目汇总

项目 试验桩类型 桩型 静载试验内容预应力混凝土空心管桩空客A320钻孔灌注桩空客A320 预应力混凝土空心管桩PHCAB 400（90）-18 PHCAB 500（100）-18 PHCAB 600（110）-18 PHCAB 500（100）-30 PHCAB 600（110）-30 φ600×30 φ800×30 PHCAB 500（100）-12,6 PHCAB 600（110）-12,6 PHC AB 600（110）-15,8抗压抗压、抗拔、水平抗压、抗拔、水平抗压抗压抗压抗压抗压、水平抗压、水平抗压

通过表2可以看出，虽然持力层同为Q14al第二亚层，A320试验桩比A330试验桩进入持力层深2.0 m，其承载力试验结果是设计值的1.4～1.9倍，与设计值出入较大，而A330试验桩仅达到设计要求，直径500 mm试桩结果也是类似情况。另外，A320试验桩中桩长30 m的不同直径试桩进入持力层Qc3al第一亚层深达3 m，其试验结果是设计值的1.2～1.3倍，A330试验桩中PHC AB 600（110）-15，8试桩进入持力层Q41al第二持力层深达6 m，其试验结果是设计值的1.2～1.3倍，部分统计结果见表3。这说明了预应力管桩进入持力层的深度即土塞对基桩承载力提高起到了积极作用，但不可能无限制的提升，土塞的实际作用尚未进行更深入的研究。若A330试验桩中PHCAB600（110）-15，8试桩进入Qe3al第一亚层，PHCAB 600（110）-12，6试桩进入Q41al第一亚层更深入，其承载力发展趋势是提高的，能达到何种水平尚需要试验进行验证。综上，选择适当的持力层是追求完美设计的关键。

空客A320的试验桩首先采用静压设备，试打过程中发现压入Q14al层相当吃力，后换成锤击设备施打，锤质量为6.3 t，其中PHC 600（110）-30试验桩总锤击数都在千锤以上，这对桩身混凝土强度是极大考验，其中1#桩未打到设计标高。一旦桩身受损，对基桩承载力的影响是致命的。

表2 空客天津项目试验桩单桩竖向抗压极限承载力试验结果

项目 桩号 龄期/d 桩型 持力层 进入持力层深度/m锤击数/最大压力值设计极限承载力/kN 1# 2# 3# 9# PHCAB 600（110）-182 000 21 30 33 21 24 18 39 36 34 26 28 31 17 25 25 24 22 26 23 15 20 Q14al第二亚层3.0 11#12#PHCAB 500（100）-181 800空客A320PHCAB 600（110）-30 PHCAB 600（110）-30 1.0 1# 2# 3# 4# 5# 6# 1# 3# 5# 7# 8# 9# 2# 4# 6# 3 500 Qc3al第一亚层3.0 PHCAB 500（100）-303 000 PHCAB 600（110）-12,6 1 850 Q14al第二亚层1.0空客A330 PHCAB 500（110）-12,6 1 450 PHCAB 600（110）-15,8 Q14al第二亚层6.0 2 840 kN 3 124 kN 2 272 kN 256击279击308击1 396击1 515击1 053击990击1 004击403击251击230击233击198击181击222击387击390击389击2 500最终加载/kN 3 520 3 740 2 860 2 400 2 400 2 400 5 000 5 000 5 000 4 000 3 600 4 400 2 100 2 100 1 950 1 740 1 595 1 885 3 250 3 500 3 500最终沉降量/mm 44.57未稳43.04未稳41.98未稳46.79未稳28.85未稳41.52未稳41.87未稳40.81未稳41.54未稳40.95未稳44.13未稳20.48 49.99未稳58.74未稳61.76未稳46.01未稳62.93未稳60.42未稳61.86未稳60.00未稳60.52未稳综合结果/kN综合结果对应沉降量/mm 3 300 3 520 2 640 2 200 2 200 2 200 4 500 4 500 4 500 3 600 3 200 4 000 1 950 1 950 1 800 1 595 1 450 1 595 3 000 3 250 3 250 31.72 22.44 18.83 13.52 10.73 10.71 13.38 14.57 19.15 8.56 22.69 17.47 20.53 12.10 23.44 13.26 11.76 9.19 18.45 29.19 20.14

表3 空客项目土塞效应系数汇总

项目 桩号 龄期/d 桩型 持力层 进入持力层深度/m设计极限承载力/kNλp综合结果/kN综合结果对应沉降量/mm 21 30 33 39 36 34 17 25 25 1# 2# 3# PHCAB 600（110）-18 Q14al第二亚层3.02 0000.8空客A320PHCAB 600（110）-28 PHCAB 600（110）-30 Qc3al第一亚层1.0 3.0 3 500 0.32 0.8空客A330 1# 2# 3# 1# 3# 5# PHCAB 600（110）-12,6 Q14al第二亚层1.01 8500.32 3 300 3 520 2 640 4 500 4 500 4 500 1 950 1 950 1 800 1.65 1.76 1.32 1.30 1.30 1.30 1.05 1.05 0.97

续表3

项目 桩号 龄期/d 桩型 持力层 进入持力层深度/m设计极限承载力/kNλp综合结果/kN综合结果对应沉降量/mm空客A330 2# 4# 6# 23 15 20 PHCAB 600（110）-15,8 Q14al第二亚层 6.02 5000.8 3 000 3 250 3 250 1.20 1.30 1.30

2.2 实例2

在开发区某大型汽车项目中遇到了由挤密效应引起的一系列问题。该厂区地质见图3，淤泥质土层厚6 m。地坪桩采用PHC 400（90）-13预应力空心管桩，设计单桩竖向抗压极限承载力为700 kN，承台桩采用直径500、600 mm的钻孔灌注桩，桩长25.0 m。5座大型厂房同时施工，管桩数量超过20 000根，桩间距3 m，快速密集的管桩施工引起孔隙水压力急剧上升，特别是排水不畅的淤泥质土。施工过程中发现处于场区边缘的一食堂部分管桩桩孔周围积水情况最严重，孔隙水沿桩壁汇集在桩心及桩周，3根基桩静载试验结果均未达到设计要求。静停30 d后桩周积水逐渐消散，对原试验桩进行静载试验复测，复测结果达到设计要求，试验结果见表4。另外，大量地坪桩出现桩顶上浮和偏移，最大上浮量达100 mm，发现这一问题后对上浮桩进行了复压及监测。对此类大型工程项目在条件允许情况下可增加孔隙水压力监测并采取必要的排水措施。

图3 开发区某汽车项目地质剖面

表4 开发区某汽车项目一食堂单桩竖向抗压极限承载力试验结果

桩号 龄期/d 桩径/d 试验桩长/m设计极限承载力标准值/kN最终加载/kN最终沉降量/mm综合结果/mm综合结果对应沉降量/mm备注28# 32 630 38.92未稳 560 23.63 91# 22 490 43.57未稳 350 11.27 92# 26 700 48.85未稳 560 21.40 28# 62 700 24.58 700 24.58 91# 54 700 22.17 700 22.17 92# 60 700 18.17 700 18.17 复压400 13.0 700复压复压

3 结语

综合分析以上工程实例，可以看出持力层的选择是确定天津地区预应力混凝土空心管桩承载力的决定因素；另外，土层的物理力学性质及其分布特点、土塞及挤土效应等客观因素及桩型选择、施工组织和施工设备等主观因素，都对基桩承载力产生影响。此外，由于试验桩检测数据离散性，必须重视试验桩数据的收集、整理和分析[5]，在信息技术迅猛发展的今天，可以利用大数据技术手段总结各地区基桩承载力特点，为岩土工程技术发展提供基础性和实用性的参考。

参考文献：

[1]10G409，预应力混凝土管桩[S].

[2]DBJT29-44—2010，先张法预应力离心混凝土管桩[S].

[3]唐业请，杨伟芳，赵焕斌，等.土力学基础工程[M].北京：中国铁道出版社，1989.

[4]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[5]陈仲颐，叶书麟，黄熙龄，等.基础工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，1991.

□何 晶、许 洁、李 军/天津市建筑科学研究院有限公司。

□中图分类号：TU473.1+1

□文献标志码：C

□文章编号：1008-3197（2017）01-18-05

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2017.01.006

□收稿日期：2016-08-05

□作者简介：徐 燕/女，1970年出生，天津市建筑科学研究院有限公司，从事地基基础研究工作。