关于管桩设计合理优化的探讨

赵宇

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

高桩码头结构适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土和风化岩等可以沉桩的地基，应优先采用打入桩以降低工程投资，当地基岩面较浅或沉桩困难时方采用嵌岩桩基或灌注桩基。打入桩按抗弯要求选型时，可参考下列经验：抗弯要求不高，可采用预应力混凝土方桩；抗弯要求较高，沉桩贯入难度不大时，可采用预应力混凝土管桩；抗弯要求较高，沉桩贯入难度较大或桩长较大时，可采用钢管桩和预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩；抗弯要求高或沉桩贯入困难时，宜采用钢管桩。

桩型应根据使用要求、水文、地质条件、施工条件、环境条件和耐久性等要求，按安全适用、经济合理的原则选用。目前，管桩已成为高桩码头的主力桩型。在南京以下的长江码头，靠泊船型和基桩弯矩均较大，现多采用PHC管桩，只有在基桩自由长度很大或水平作用力大的系靠船墩才采用钢管桩；在海港高桩码头中，一般靠泊船型和基桩弯矩很大，多采用钢管桩，少数采用PHC管桩和大管桩[1]。在桩型选定后，有没有可能对基桩结构优化，降低桩基造价？本文将就此进行探讨。

1 管桩单桩垂直极限承载力计算公式

1.1 钢管桩单桩垂直极限承载力计算公式

1.1.1 封闭式钢管桩

封闭式钢管桩的承载变形机理与混凝土预制桩相同，其承载力的计算可采用与混凝土预制桩相同的模式与承载力参数。混凝土预制桩单桩垂直极限承载力由极限端阻力和桩侧各土层极限侧阻力的总和两部分组成，而端阻力理所当然是由桩端全断面产生的。

依据JTJ 254—98《港口工程桩基规范》[2]，当按承载力经验参数法确定单桩垂直极限承载力设计值时，应按下式计算：

JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[3]的计算公式和《港口工程桩基规范》实质是相同的。

封闭式钢管桩（《建筑桩基技术规范》中称为“闭口钢管桩”）在实际工程中较少采用，条件合适也可以采用。

1.1.2 开口钢管桩

开口钢管桩与封闭式钢管桩不同，其承载变形机理与承载力随有关因素的变化比封闭式钢管桩复杂。这是由于沉桩过程，桩端部分土将涌入管内形成“土塞”。土塞的高度及闭塞效果随土性、管径、壁厚、桩进入持力层的深度等诸多因素变化。而桩端土的闭塞程度又直接影响桩的承载力性状，此为闭塞效应。闭塞程度的不同导致端阻力以不同的模式破坏。一种是土塞沿管内向上挤出或由于土塞压缩量大而导致桩端土大量涌入，此为非完全闭塞，这种非完全闭塞将导致端阻力降低；另一种是如同封闭式桩一样破坏，桩端土塞效应系数达0.8（最大值）。管桩单桩垂直极限承载力是由极限端阻力和桩侧各土层极限侧阻力的总和两部分组成，端阻力是由桩端土闭塞程度决定，不能按全断面计算。土塞的闭塞程度主要随桩端进入持力层的相对深度hb/d（hb为桩端进入持力层的深度；d为桩外径）而变化，范围为 0～0.8。

《港口工程桩基规范》规定为提高钢管桩的桩端阻力和桩侧阻力，当覆盖层较差，且桩端打入良好持力层时，可采用半封闭式或封闭式桩尖。桩径小于600 mm的开口钢管桩，当桩尖进入良好持力层的深度大于5倍桩径时，可认为桩端土的闭塞效应得到充分发挥，单桩垂直极限承载力设计值可按式（1）计算。对于桩径大于600 mm的开口钢管桩，《港口工程桩基规范》未给出计算公式，而《建筑桩基技术规范》给出了开口钢管桩（《建筑桩基技术规范》中称为“敞口钢管桩”）的计算公式，可以作为计算依据。如考虑持力层以上土层对桩端闭塞的有利影响，实际桩承载力还比按《建筑桩基技术规范》计算值高[4]。

依据《建筑桩基技术规范》，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定钢管桩单桩垂直极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

当 hb/d＜5时，λp=0.16 hb/d；当 hb/d≥5时，λp=0.8。

1.1.3 半封闭式钢管桩

《港口工程桩基规范》未给出计算公式，而《建筑桩基技术规范》给出了半封闭式钢管桩（《建筑桩基技术规范》称为“半敞口钢管桩”）的计算公式，可以作为计算依据。对于带隔板的半封闭式钢管桩，应以等效直径de代替d确定λp，de=d/（n为桩端隔板分割数）。

1.2 混凝土空心桩单桩垂直极限承载力计算公式

先张法预应力混凝土管桩和后张法大管桩都是混凝土空心桩，已广泛用于港口、市政、桥梁、铁路、公路、水利、工业与民用建筑等工程中，其中先张法管桩按强度等级分为预应力混凝土管桩（代号为PC）、预应力混凝土薄壁管桩（代号为PTC）和预应力高强混凝土管桩 （代号为HPC）。混凝土管桩本体结构形状为中空圆筒形，其混凝土各断面外径与壁厚宜相等，根据设计要求配设钢桩尖（开口、半封闭式或封闭式）。

1.2.1 封闭式混凝土管桩

封闭式混凝土管桩（即设置封闭式钢桩尖的管桩）在实际工程中较少采用，如果条件合适也可以采用[5]，可按《港口工程桩基规范》计算公式（即式（1））计算承载力。

1.2.2 开口混凝土管桩

开口混凝土管桩（即设置开口钢桩尖的管桩）是普遍采用的型式，《港口工程桩基规范》未给出计算公式。依据《建筑桩基技术规范》，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定开口混凝土空心桩单桩垂直极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

当 hb/d＜5时，λp=0.16 hb/d；当 hb/d≥5时，λp=0.8。

1.2.3 半封闭式混凝土管桩

半封闭式混凝土管桩（即设置半封闭式钢桩尖的管桩）按理也是可以采用的，单桩垂直极限承载力可按开口混凝土管桩计算公式计算，参照半封闭式钢管桩以等效直径de代替d来确定λp，de=d/（n为桩端隔板分割数）。

2 管桩单桩垂直极限承载力计算对比情况

2.1 封闭式钢管桩或混凝土管桩

封闭式钢管桩或混凝土管桩在实际工程中基本未采用，均可按依据《港口工程桩基规范》计算公式（式（1））计算，端阻力是由桩端全断面产生的，相同条件封闭式钢管桩或混凝土管桩垂直承载力相同。

2.2 开口及半封闭式钢管桩或混凝土管桩持力层的垂直极限承载力计算结果

选取长江某实际工程的基桩承载力计算指标根据经验参数法来计算管桩单桩垂直极限承载力，管桩采用PHC管桩和钢管桩，为了便于比较，只计算其持力层的垂直极限承载力进行对比。该码头工程持力层为密实状细砂，桩侧极限摩阻力标准值为125 kPa，桩端极限摩阻力标准值为6100 kPa。

对比计算桩型为钢管桩、PHC管桩；桩径为φ1000；桩端进入持力层深度为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m；桩尖型式为常规（开口）、桩尖设一字隔板（半封闭式）、桩尖设十字隔板（半封闭式）。计算成果对比详见表1和图1，垂直承载力分项系数取1.45。

表1 φ1000 mm管桩持力层垂直承载力对比表

图1 管桩持力层垂直承载力设计值与桩端进入持力层深度、桩尖型式的关系曲线

需要说明的是：PHC管桩常用桩尖型式有十字型、圆锥型和开口型3种，应根据地质条件和设计要求进行选用，在实际使用中开口型桩尖使用最为广泛。开口型桩尖穿越砂层能力强，但挤土效应较其它桩尖型式低，对于上部土层较差但持力层为密实砂层情况，采用桩尖设一字隔板和十字隔板的PHC管桩，理论上是可行的。目前尚无PHC管桩桩尖设一字隔板或十字隔板的工程实例，实际工程中要采用的话应在试桩取得成功后采用比较稳妥。

2.3 开口及半封闭式钢管桩、混凝土管桩持力层的垂直承载力计算结果对比

1）钢管桩和PHC管桩持力层的桩侧承载力与桩端进入持力层深度均呈线性关系；当hb/d＜5时，钢管桩桩端承载力与桩端进入持力层深度呈线性关系，而PHC管桩桩端承载力也随桩端进入持力层深度增加而加大，但非线性关系；当hb/d≥5时，钢管桩和PHC管桩桩端承载力达到最大，为固定不变值。

2）对相同外径的钢管桩和PHC管桩，桩端进入持力层深度相同时其桩侧承载力是相同的，而PHC管桩因其壁厚大而产生的桩端承载力比钢管桩的更大，桩端进入持力层深度越大，钢管桩和PHC管桩的桩端承载力之间的差值越小。仅从桩承载力而言，PHC管桩优于钢管桩，同时也说明PHC管桩沉桩难度更大。

3）对相同外径的钢管桩或PHC管桩，当桩尖采用一字隔板、十字隔板时（PHC管桩通过特殊钢桩靴来实现），因桩端土闭塞程度更佳，桩基承载力一般均有一定幅度的提高；桩端进入持力层深度越大，因桩尖采用一字隔板、十字隔板对桩基承载力的影响越小（当hb/d≥5时，设不设隔板桩基承载力均一样，此时也就没必要设置隔板）。同等情况下，桩端隔板分割数越大，桩基承载力提高幅度也越大。

3 提高管桩单桩垂直承载力的途径

3.1 桩尖设置隔板

以前述φ1000 mm钢管桩桩端进入持力层深度3 m为例，常规钢管桩持力层垂直总承载力设计值为2398 kN，桩尖设一字隔板、十字隔板的钢管桩持力层垂直总承载力设计值分别为3055 kN、3456 kN，分别可提高657 kN、1058 kN（或27.4%、44.1%）。由此可见，钢管桩桩尖设置隔板成为半封闭式钢管桩，其垂直总承载力设计值得以提高。从前述其它计算对比表看，桩端进入持力层深度越深，其垂直总承载力设计值提高幅度也小，甚至一样。对PHC管桩，也可通过设置带隔板的钢桩靴来提高其单桩垂直极限承载力。

钢管桩和PHC管桩设置一字隔板、十字隔板等型式的桩尖，虽可提高单桩垂直极限承载力，但其沉桩难度也相应增加，宜通过试桩验证其承载力和施工可行性（尤其是对PHC管桩），再在工程桩中大量采用方才稳妥。相对而言，钢管桩设置带隔板桩尖，对沉桩影响较小，适应性也较好。因钢管桩的桩尖设置隔板比较容易施工，可作为提高单桩垂直极限承载力的途径之一。

3.2 采用预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩

有的码头工程，根据桩的抗弯要求可采用预应力混凝土管桩，而桩承载力又要求管桩进入持力层的长度较大，如采用预应力混凝土管桩，沉桩施工因贯入难度大往往沉桩不能达到设计要求高程，即使达到高程管桩也容易发生破损，工程质量得不到保障。这种情况采用钢管桩替换预应力混凝土管桩虽然可以解决施工问题，工程质量也能得到保障，但工程投资增加很多。

对于上述沉桩贯入难度较大或桩长较大情况，可采用预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩予以解决，混凝土管桩进入持力层适当长度以提供桩端阻力，组合桩下部钢管桩可以解决基桩沉桩问题，从而确保工程质量。实际工程中已有采用预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩[6]。

3.3 采用预应力混凝土管桩与带隔板桩尖的钢管桩组成的组合桩

沉桩贯入难度较大或桩长较大时，一般采用预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩就可以解决问题。当组合桩的钢管桩长度大时，其经济性往往较差，此时增设带隔板桩尖的钢管桩以提高桩的承载力，从而实现减短钢管桩长度，节省工程投资。

无论采用上述哪种方法都能在一定程度提高管桩单桩垂直承载力，也就是说桩长可以适当减短，节省工程投资，从而达到提高其性价比的目的。

4 结语

尽管将JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》直接用于码头工程存在适应性问题，但可作为码头设计的参考，在有足够多的实际工程验证后，其计算公式扩展应用于码头工程方才稳妥。

基桩设计是高桩码头的主要设计内容之一，既要充分考虑结构安全性和施工可行性，又要兼顾到经济合理性，因此采用适宜的桩型以及桩结构来协调桩、土关系是设计必须要解决的问题。桩型选定后，必要时可对基桩结构进行合理优化提高其性价比，既降低桩基造价又不致增加太多的施工难度，本文就此进行了探讨，并提出了三条解决思路，可供工程建设各方参考。

[1]冯浩.宁波-舟山港西蟹峙石油储运工程码头基桩选型[J].港湾技术，2010（2）：11-16.

[2]JTJ 254—98，港口工程桩基规范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[4]王君辉，冯建国，张华平.开口钢管桩桩基承载力桩端部分计算方法探讨[J].水运工程，2012（1）：49-53.

[5]刘文世.港口陆域建筑预应力混凝土管桩设计[J].水运工程，2011（5）：80-84.

[6]赵妍.超长预应力混凝土大直径管桩在宁波-舟山港镇海港区通用散货码头建设中的应用[J].港湾技术，2011（1）：26-30.