浅谈PHC管桩在粘性土中的应用

赵晋东

0 引言

PHC管桩最初应用于港口、铁路、码头、桥梁等工程基础，随着PHC管桩技术和工艺的不断发展完善，目前已应用于包括民用、工业、水利、构筑物等各方面的工程基础。PHC管桩不受机械的限制，可以任意接长桩长度，有着较好的抗弯、抗裂性能和一定的穿透力，适用于粘性土、碎石类土、粉土、强风化岩层、砂土和密实的卵石层，但不适用于障碍物过多的岩土层、石灰岩等土层。

1 PHC管桩概述

PHC管桩主要由钢套箍、桩身和端头板组成，混凝土强度等级不低于 C80，桩外径一般有400 mm，500 mm，550 mm，600 mm，800 mm等，壁厚在70 mm～130 mm之间，桩节长度一般为8 m～12 m。PHC管桩制造成型到投入使用一般要3 d～4 d。常用的直径PHC-AB 500(125)型管桩的桩身受压承载力设计值可以达到3 700 kN(未考虑压曲影响)，可满足一般高层建筑桩基承载力要求;桩端比原桩土承载力提高一倍左右，施工速度较现场灌注桩更快，而且无污染，使用静力压桩机还能够消除噪声影响，施工7 d后即可检测桩基，可以大幅缩短工期。

1)PHC管桩技术参数。PHC管桩的预应力主筋使用钢棒、钢丝，直径通常为7.1 mm，9.0 mm，10.7 mm，抗拉性能为 1 420 MPa;混凝土强度等级不能低于C80，抗弯性能有A，AB，B，C四种类型，有效预压应力值为4.0 N/mm2，6.0 N/mm2，8.0 N/mm2，10.0 N/mm2。

2)PHC管桩桩基设计等级。PHC管桩桩基设计需要先确定设计等级，才能界定设计复杂程度、内容和技术措施。设计等级需要综合考虑建筑物体型、规模、功能和场地、环境等因素，等级划分为甲、乙、丙三个等级。

3)PHC管桩设计原则。PHC管桩设计需要考虑基础承载力、土层分布情况、持力层承载力等因素，因而设计方案并不是唯一的，方案的水平与设计人员的素质有关，需要设计人员具备专业的结构力学以及岩土力学等知识。PHC管桩设计强调安全性、经济性，关注于设计方案的合理、可行。

4)PHC管桩设计方法。PHC管桩设计方法需要根据《建筑桩基技术规范》，依据变刚度调平设计原则，具有改变桩径、局部弱化或强化、局部改变桩长、改变桩距四种模式，并通过设计软件进行分析计算，按照相关的建筑抗震标准进行验算。

2 PHC管桩在高层粘性土地基中的应用

近年来，高层建筑得到了快速发展，桩基础形式也发生了极大的变化，PHC管桩因其质量容易得到保障、施工快、不需进行现场养护、成桩到检测时间短等优势，部分取代了施工环境要求较高的泥浆护壁灌注桩，得到了较为广泛的应用。现以太原市平阳路某小区高层为例，介绍PHC管桩在高层粘性土地基中的应用。

1)工程实例概况。以该小区C座楼为例，该楼地上为30层，地下2层，长59.4 m、宽 29.7 m;室外地坪以上高度为 98.45 m。主体采用剪力墙结构，基础布置采用墙下桩承台梁，其中承台梁截面为0.8 m ×1.0 m、基础底标高为 －8.15 m;使用 PHC管桩-AB500(125)，其中桩长为22 m，桩距在墙下根据承载力需求调整布置，桩间距布置原则为不小于3倍桩径。布桩327根，单桩承载力特征值要求不小于2 450 kN;抗震设防烈度为8度，地震加速度值设计为0.2g。基础设计等级甲级。基础埋深7.5 m。

2)工程场地自然情况。场地标高为785.20 m，第①层土层为杂填土，由砖块、灰渣等组成，结构松散，层厚在0.6 m～2.0 m之间，平均为0.84 m;第②层土层由粉土、粉质粘土等组成，层厚在1.3 m ～3.2 m 之间，平均为2.52 m，桩侧阻力特征值为10 kPa;第③层土层为粉质粘土，层厚在0.5 m～5.1 m之间，平均为3.34 m，静探锥尖阻力在0.6 MPa～9.8 MPa之间，桩侧阻力特征值为16 kPa，由于局部含有透镜体或是粉细砂层，标贯击数变化较大，实测值为14击～21击;第④层土层为较为密实的粉土，层厚在4.2 m ～9.0 m 之间，平均为 6.9 m，桩侧阻力特征值为 28 kPa，标贯击数为24击～32击;第⑤层土层为粉细砂，含有粉质粘土，层厚在2.6 m～5.0 m之间，平均为3.88 m，标贯击数为21击 ～31击;第⑥层土层为含中砂层，层厚在3.3 m～5.8 m之间，平均为4.43 m，桩侧阻力特征值为35 kPa，桩端阻力特征值为3 000 kPa;第⑦层土层为粉质粘土层，层厚在2.7 m～5.4 m之间，平均为4.35 m，桩侧阻力特征值为30 kPa，桩端阻力特征值为1 000 kPa;第⑧层土层为中砂层，层厚在7.6 m～10.7 m之间，平均为9.68 m，桩侧阻力特征值为45 kPa，桩端阻力特征值为3 500 kPa，土层承载力特征值为300 kPa;第⑨层土层为粗砂砾层，层厚在3.3 m～6.0 m之间，平均为4.68 m;第⑩层为密实的粉质粘土层，未揭穿。场地内地下水位埋深为4.3 m～4.7 m，对混凝土及PHC管桩无腐蚀性。

3)PHC管桩基础设计。由勘察报告可以比较全面的了解场地土层情况，根据地基土的特性可以进行桩基础的设计。桩基础有预制桩或是现场灌注桩两种，使用现场灌注桩的工期会比较长，并且会产生污染环境的泥浆，对周边居民正常生活有较大影响。因此在征求监理、业主的意见并经过设计方的讨论研究比较之后，选用C80 PHC-AB500(125)管桩。单桩竖向承载力特征值不小于2 450 kN，桩长22 m，布置形式为剪力墙墙下布桩。

4)PHC管桩基桩布置。该楼采用剪力墙结构体系，设计方案为剪力墙下布桩，上部墙体荷载通过墙下承台梁传递给桩，计算时考虑上部结构荷载、土反力等的整体以及局部平衡，并考虑上部结构的分布和基础刚度的分布。在布桩时，根据PKPM软件之JCCAD部分计算上部结构与筏板、桩的共同作用。

5)PHC管桩基础计算。根据变刚度调平设计理念计算地基基础以及上部结构的整体作用，根据计算结果调整布桩，控制差异沉降和筏板内力。使用相关软件计算时选择PMCAD文件，将上部结构、基础以及地基的共同作用进行定量计算，为PHC管桩设计提供准确依据。考虑到上部结构刚度的作用，计算其与基础顶面的共同作用，将使计算结构更加准确、实际。

6)PHC管桩施工。PHC管桩有锤击法、静力压桩法等施工方法，使用最多的是静力压桩法，本工程即选择静压法进行PHC管桩施工。根据地质勘探报告分析，桩端在进入持力层之前比较顺利，虽然有卵砾砂层，不过砾石直径均不超过30 mm。在施工过程中，局部却发现中桩管入土3.5 m便打不下去，分析桩长不符合设计要求，经过对土层的进一步探查，发现局部夹有厚达1.0 m左右的卵砾层，卵砾最大直径达到100 mm。在与施工单位、监理单位、设计单位协商后，使用引桩处理的方法，用钻孔机引孔直达粘土层，钻孔直径为PHC管桩直径的80%。施工的试桩与后期检测，检测结果表明单桩竖向承载力均符合设计要求。

7)PHC管桩沉降观测。本工程共设7个沉降观测点，在基层施工完成后便进行沉降观测，到主体结构封顶时，观测结果表明最大沉降量是26.5 mm，最小沉降量是20.5 mm，均小于理论计算与规范规定的数值。

8)PHC管桩应用的经济效益。由于使用PHC管桩和变刚度调平设计，桩数量及长度较灌注桩多，但每延米造价较后压浆灌注桩低55%，综合造价比现场灌注桩节省工程投资30.5%，并缩短工期达到60%以上。另外，采用静压法施工，能够在不污染周边环境的基层上进一步控制噪声污染;避免影响周边居民生活，有利于环保。因此，使用PHC管桩有着十分好的经济效益和社会效益。

3 PHC管桩应用于高层粘性土地基需要注意的问题

首先，在粘性土层的条件下，使用静压管桩的挤土效应十分明显，PHC管桩在施工过程中产生的挤土效应甚至能影响到周边10 m左右的范围，很容易使附近的建筑物、管线、道路受损。因此，施工时必须重视挤土效应对周边环境的影响，施工前就必须设立观测点对周边建筑物、管线、道路进行变形观测，并设置防挤沟、砂带，还可以在可能受到挤土效应影响的建筑物、管线、道路边用钻机钻孔，以释放挤土效应，减少不利影响。

其次，在粘性土层的条件下，使用静压法施工时对地面的压力很大，可能因地表承载力过大而产生陷机的问题，遇到雨季或是送桩导致的孔洞都容易出现此类问题。陷机将损坏管桩，因此在施工前必须详细了解工程地质条件，尤其要全面了解5 m内土层的力学数据等情况，如果地表承载力难以满足要求，或是遇到雨季，需要先在场地铺设碎石等来增加地表承压能力，及时处理送桩导致的孔洞，以彻底避免陷机问题的产生。

最后，在应用PHC管桩的地基中，桩端一般必须选择承载力较好的持力层，由于桩周土的固结回弹速度较慢，在短期的施工中要获得较好的承载力，就必须将桩端伸入承载力较高的持力层。否则，管桩较难获得理想的预期承载力。因此，在施工前必须先进行场外试桩。

考虑到桩基技术的经验性、区域性很强的岩土工程技术，太原地区属于8度区，因此在PHC管桩设计与施工中应注意下列问题:1)设计PHC管桩基础应尽量选择多桩承台基础或是桩筏基础，使用PHC管桩的建筑必须验算桩基的承载力，尤其是水平承载力。桩端要求做一定长度的加筋灌芯。地梁线刚度达不到相应要求时，不能适用单柱单桩或两桩。2)选用静压法进行PHC管桩施工，终压压力值要略微高于极限标准值，因而在设计时必须考虑施工时桩无法穿越较厚、较硬土层或是桩达不到标高、局部土层较硬出现爆桩及其处理等问题。3)桩头连接筏板承台需要按照规范操作进行，用微膨胀混凝土将桩头附近浇筑密实，要保证锚固长度，确保桩头抗弯、抗剪能力。4)PHC管桩与桩帽连接性能的研究比较少，需要进一步积累试验经验，以更好的应用PHC管桩。5)在土层上部有较多砖块、碎石等地基中要慎重选用，该种土层较难穿越，影响施工质量及入土深度。

受多种复杂因素的影响，PHC管桩在施工过程中会出现各类问题，尤其使用静压法在高层建筑粘性土地基中应用时，更要全面、准确的了解土质、土层、桩数、施工顺序等情况，只有事前重视，并采取有效的预防措施，事中加强观测，保证信息化施工，才能保证施工的效果。

4 结语

通过对PHC管桩技术可行性、经济性的分析，笔者认为PHC管桩在太原地区是普遍适用的一种基础类型，但是针对高层建筑、粘性土等不同建筑、土质还需要进一步总结、完善试验资料和经验，以更好的推广PHC管桩。

［1］ JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.

［2］ GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［3］ JGJ 106-2003，建筑桩基检测技术规范［S］.

［4］ 张 雁，刘金波.桩基手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.