钢筋混凝土短桩设计探讨

魏 伟，刘 雄，吴冬梅，胡晓燕

（上海市凯达公路工程公司，上海市 200601）

0 前言

在G15和G60高速公路（上海段）声屏障基础施工中，多次出现桩基断裂和打不下去的情况，对此设计方和施工方都做了详细的调查及研究工作。通过深入分析认为，《预制钢筋混凝土方桩》图集所示的25 cm×25 cm×12 m打入桩，其配筋偏少，桩身刚度不足，是造成断桩的主要原因之一。以下结合工程实例对短桩设计存在的问题谈一些个人体会。

1 问题所在

G15和G60高速公路（上海段）声屏障基础设计为25cm×25cm打入桩，桩长分别为：8 m、10 m、12 m三种类型。其中8 m和10 m桩在施打过程中比较顺利，而12 m桩又细又长，当打桩机由桩头一端拖桩准备竖起时（桩与地面呈15°～20°），桩提不起来，如果此时强行拖起竖桩（角度超过20°），桩基在桩长1/3位置即刻发生断裂（见图 1）。

出现这种情况，起初大家都怀疑是否桩基质量有问题。于是，查看桩基出厂质量检测报告。从检测报告看，各种检测数据全部合格，其中包括混凝土配合比试验、强度试验、钢筋的拉拔试验等。既然厂家所报的检测结果桩基质量没有问题，那会不会是断裂的这一批桩有问题。于是，又委托另外一家有检测资质的专业检测单位对所有已经送到现场的桩基进行抽检，结果与厂家自报的检测结果基本一致，这说明桩基自身质量没有问题。

排除了桩基质量问题，剩下的就是设计和施工问题。

2 设计问题

该工程所用桩基系套用设计院提供的《预制钢筋混凝土方桩》图集中25 cm×25 cm断面打入方桩。从图集中可以看出，这种断面的桩最大桩长12 m，桩基配筋为：竖向主筋 4Ф16、箍筋Ф6@50～200，混凝土标号C30，单根桩的长宽比为48∶1，设两个吊点（见图 2）。而对于 30 cm×30 cm断面的桩（见图3），其竖向主筋则按双组配置，竖向主筋 4Ф14+4Ф14、箍筋 Ф8@50～200，混凝土标号C40，单根桩的桩长若同样以12 m计，则长宽比为40∶1。通过对两种不同断面的桩设计参数进行比较知道，在桩长相等的条件下，断面大的桩，其长细比小，配筋率和混凝土标号也都相应较高，其桩基自身的刚度显然要强于问题桩基。由此设想，如果当时设计人员采取两种措施：第一、配筋不变，将12 m桩长分两截预制，降低长细比；第二、把原单组配筋改为双组配筋，并提高混凝土标号。相信通过采取这两种措施，原图集中12 m单根桩刚度不足的问题即会得到有效解决。而在实际工程当中并没有这样做，因此，出现断桩情况也就在所难免。

另外，根据工程经验，25 cm×25 cm断面的钢筋混凝土打入桩，单根长度做到12 m，已经到了极限，如果其配筋和混凝土标号不做改变，仍然采用《图集》中的配筋，在以后的工程当中，很有可能继续出现G15和G60高速公路（上海段）声屏障基础施工中桩基断裂的情况。当然，如果能将《图集》中的单桩长度控制在10 m以内，并附加补充说明，适当提高桩基混凝土标号，这对避免以后类似工程施工出现断桩以及提高工程质量都有好处。

3 施工问题

对施工单位而言，首先必须保证桩基质量完全符合设计要求，其次应该严格按照设计图纸和桩基施工技术要求进行施工。在该工程中，由于桩基较短，并且地基土较软（淤泥质粘土），因此，施工单位没有选用桩架式打桩机，而是将履带式大型挖掘机抓斗部分改装成钢套筒，将桩头套在套筒里面，通过振压的方式将桩基打入地层。对小而短的方桩采用这种打入方式，既简便又实用，是一个不错的选择。但是如果遇到桩基自身强度（刚度）不足，若仍采用这种方法，就难免出现上述桩基提不起来的情况。此时，最稳妥的办法就是用捆绑或多点起吊的办法竖桩。虽然这样做给施工带来许多不便，并且工期也要受到影响，但可以最大限度地保证桩基在起吊过程中不被折断。在具体施工过程中，施工单位曾尝试用捆绑起吊的方法竖桩，但由于施工速度太慢而未被采用。

另外，桩基竖起振压过程中，邻近高速公路一侧，由于当时路基施工超宽回填，碾压的密实度相对较高，所以，当桩基竖起振压时间稍长（入土深度不足1 m），桩基1/3位置就发生断裂，而离开路基1.5 m处的后排桩振压却非常顺利。显然，造成断裂的原因还是由于桩基自身强度问题，而并非施工不当。

3 解决办法

为了能够将工程顺利进行下去，曾想过各种办法，如：用架设钢护筒的办法，即在桩位处预支26 cm×26 cm×200 cm钢护筒，把桩基先插在护筒内，缩短桩基初始打入长度（12 m-2 m=10 m）。这种做法对路基外侧的桩基非常有效，但对内侧靠近高速公路硬路肩处的桩基仍然存在打不下去甚至断桩的问题，况且这种办法严重影响施工工期。后与设计人员共同商议，决定采用先打洞，再插桩的办法。简而言之，就是先制作一段与设计桩径一样大小的钢桩，长度4 m，调用两台机械配合施工。第一台机械用钢桩在桩位处打洞，第二台机械用捆绑的方式吊桩于洞内进行振压。经过现场试验，第二种方法施工速度要快于第一种方法。但如果采用第二种做法，又带来一个桩基抗拔力够不够的问题，打洞后这部分桩基摩阻力在近期实际上是失效的，也就是说，钢桩究竟需要打多深，能不能达到原设计12 m桩长的抗拔要求，还需要通过进一步验算才能证明该方法是否可行。

4 单桩验算

根据摩擦桩单根桩轴向受拉容许承载力公式：[Pi]=0.3uΣτi×Li+W对桩基抗拔进行验算，计算简图见图4。

荷载组合：P=风载+声屏障自重=7.02+2.25=9.27 kN

Mp=4.5×9.27=41.72 kN·m

按照不同桩长计算Mpi结果见表1。

从表1可以看出，各种不同深度的桩基，其Mpi低抗弯矩均小于声屏障风荷载作用时产生的偏转弯矩Mp，说明桩基会出现上拔的情况。因此，为了满足抗拔要求，需将原基础下1 m桩间距调整为1.5 m，计算结果见表2。通过调整计算可知，10 m和12 m桩调整桩基间距后可以满足抗拔要求，而8 m桩长不能满足要求。因此在具体施工中，采用钢套筒振压成孔，对12 m桩其钢套筒插入深度2 m还是可行的，但若超过2 m，就必须采取在声屏障后加设斜撑或对插桩后桩基周边土基用小型打夯机强夯密实、灌注水泥砂浆等办法。采取这些办法，目的是为了提高声屏障自身的抗弯强度，同时，解决套筒部分桩基摩阻力不够的问题。

表1 单桩验算汇总

表2 调整后单桩验算汇总

5 结语

该工程最终采用先打洞、再插桩的办法，很好解决了桩基施打中由于桩基自身强度不足产生断桩的问题，但认真思考以后感觉在钢筋混凝土短桩设计方面还有许多问题值得探讨。

首先是桩长问题。在《预制钢筋混凝土方桩》图集中，25 cm×25 cm断面的打入桩单根长度最大做到12 m，如果配筋和混凝土标号不做改变，这种桩在市政工程中宜慎重采用。因为，当桩基预制好以后，无论采用桩架式打桩机还是改装后的振压机，打桩时一般情况下都是把桩头捆绑好以后拖桩至桩架处，然后竖起进行施打，当桩基自身强度不足的时候，按照常规打桩方法根本无法将桩拖到桩位，12 m桩又细又长，稍有不慎，就出现断桩。当然，在这种情况下，设计也可以考虑分两截制桩进行施打，但这样做很不经济。

其次是配筋问题。《预制钢筋混凝土方桩》图集中，25 cm×25 cm断面主受力筋4Ф16，混凝土标号C30。若一根长桩，仅配4根钢筋，显然其抗弯强度偏低。在市政工程中，常用的桩基通常采用组合配筋。如果在以后的工程中，要想使这种形式的桩在工程中继续得以使用，就必须考虑提高现有桩基的配筋率，并且提高混凝土标号。否则，桩身软弱无力，就是用捆绑的方式勉强将桩竖起来，土基稍为硬一点或出现不均匀土质，仍有可能发生断桩和打不下去的情况。