预应力混凝土管桩与空心方桩比较分析

0 引言

随着城市建设的迅速发展，各类高层建筑日益增多。众所周知，基础底面荷载随着建筑物层数的增加而增大，特别是在我国一些沿海地区，存在大部分软土地基，其承载力低、压缩性大，不能作为天然地基。桩基是处理高层建筑地基和软弱地基的常用方法之一，可满足上述要求。

当建筑采用桩基础时，其基础部分的造价往往在整个建筑物投资中占据较大比例——桩基工程造价通常占土建工程总造价的1/4左右，其质量好坏将直接关系到整座建筑的安全，并直接影响工程造价。如何选择合理的桩基础形式，对于保证安全、节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。这就要求设计人员对每个建筑物的勘察报告进行仔细分析，选择经济合理的桩型，采用最优化的基础方案。桩基础设计最关键的一步就是确定持力层，选择桩型并确定其形状、截面尺寸和桩长。因此，合理选择桩型与桩长，将产生较好的经济效果。

1 常用桩型特点比较

目前，上海高层住宅常用的桩型主要有钻孔灌注桩、预应力管桩和预应力混凝土空心方桩3种[1]。

钻孔灌注桩是一种非挤土桩，对周围环境要求低，对邻近建筑及管线的影响小，可以和围护桩同时施工以减少工期，可以进入PS值较大的砂土层，并充分利用砂土层的高摩阻力来提高单桩承载力。但由于采用现场混凝土地下浇筑，钻孔泥浆护壁，使得成桩质量难以控制，施工工期长，且泥浆污染严重。

预应力管桩和预应力混凝土空心方桩共有的特点是设计选用范围广、对持力层起伏大的地质条件适用性强、施工现场整洁文明、接桩快捷可靠、施工速度快、监理和检测方便、成桩质量较可靠，但沉桩时通过Ps较大的砂土层很困难。根据图集[2、3]，工程中尽量减少接桩。接桩宜在桩尖穿过硬土层后进行，应避免桩尖接近硬持力层或处于硬持力层中接桩，且任一单桩的接头不宜超过3个，故桩长受到限制。根据技术经济指标的先进性和工程质量的一般要求，预应力混凝土管桩和预应力混凝土空心方桩不适宜于在孤石和障碍物多、石灰岩地层、有坚硬隔层及从松软突变到特别坚硬的地层中施工，其适用的地层为流塑、软塑状态的软弱地基,持力层宜为黏土层、砂层、深埋基岩，以及强风化岩层或风化残积土层较厚的地层，尤其适用于软弱土层较厚的地基。

可见，这3种桩型各有利弊，设计人员应根据工程实际情况选择最优化的基础方案。

2 工程概况

保集·美罗家园二期工程位于上海市宝山区罗店镇的西部，总用地面积约25 320m2，总建筑面积约60 205.86m2。其主要建筑物包括4栋18层高层住宅楼、2栋14层高层住宅楼、1幢3层配套公建、2幢单层变电所和1座地下一层的独立地下车库（图1）。

图1 项目总平面图

其中，1#、2#楼为地下1层、地上14层高层住宅楼，建筑总高度40.200m，局部楼梯及电梯机房处屋面高度44.3m。3#～6#楼为地下1层、地上18层高层住宅，建筑总高度51.6m，局部楼梯及电梯机房处屋面高度55.7m。住宅楼结构形式均为剪力墙结构，剪力墙及连梁抗震等级为三级。配套公建无地下室，结构形式为框架结构。地下车库为框架结构，层高3m，顶板覆土1.2～1.5m。两个单层变电所为单层框架结构，采用坡屋面，地下设1个设备夹层，层高2.5m，建筑高度为6.66m。

2.1 基础形式

本场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为IV类，处于对建筑抗震不利地段。基础设计等级均为乙级，安全等级为二级，桩基础设计等级为乙级。1#～6#楼为筏板基础，基础持力层为⑧2-1层土；配套公建为桩基础加独立承台，基础持力层为⑦2层土；地下车库和变电所为天然基础，基础形式为筏板基础。

2.2 土质情况

根据本场地的勘探资料，场地内15m左右以上主要由软-流塑状黏性土组成，地基土强度较低；而⑥层硬土层的PS幅度值为2.52～3.26MPa，⑦1、⑦2层粉性土的PS幅度值分别为2.95～4.62MPa、6.47～10.85MPa，场地内分布的⑧2-1层粉质黏土与砂质粉土互层，为稍密状，PS平均值为3.88MPa；而⑧1-1、⑧1-2层主要以软塑状黏性土为主，PS平均值在0.96～1.33MPa。因此，按目前桩基的实际施工能力，对于桩端穿过⑦1和⑦2层土，进入⑧2-1层的挤土桩基，在合理配置沉桩机具的前提下，沉桩可以实现。

由于拟建场地周边环境比较简单，无密集或重要建筑物分布，结合上部结构剪力墙布置、荷载分布及施工条件等因素，综合分析后决定采用预制桩方案，桩尖采用开口型钢桩尖。根据图集[2]中预应力管桩选用范围，“用于抗震设防烈度7度、8度地区的管桩基础工程，宜选用AB型或B型、C型管桩，且所选桩型的各项力学指标应满足设计要求及有关规范的规定”。预应力管桩用作摩擦型桩时，其长径比不宜大于100mm；用作端承型桩时，其长径比不宜大于80mm。预应力混凝土空心方桩用作端承桩时，其长细比（桩长与截面边长之比）不宜大于100mm，摩擦桩的长细比不宜大于120mm。当其穿越厚度小于2m的硬土层时，可选用A型或AB型桩；当其穿越厚度大于2m的坚硬土层时，宜选用AB型或B型桩，且桩的长细比不宜大于100mm。为了在此4种桩型中选择最合适的桩型，笔者以4#高层住宅楼(剪力墙结构)为研究对象，对此4种桩基方案进行分析比较。

3 计算分析

3.1 桩型计算

根据浙江省工程勘察院提供的《保集·美罗家园二期工程岩土工程勘察资料》（详细勘察阶段）中的桩基承载力设计参数表（表 1）和《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）第5.3.8条确定的敞口预应力混凝土空心单桩竖向极限承载力标准值，取孔点J1、J2、J3计算。计算结果和桩型详见表2。

式中，A —空心桩桩端净面积，管桩

j空心方桩d、b、d分别为空心桩外径、边

41长和内径；

λp—桩端土塞效应系数；当hb/d1＜5时，λp=0.16hb/d1；当hb/d1≥5时，λp=0.8。

根据表2和单桩竖向静载荷试验结果：桩型①HKFZ-AB 350(170)竖向承载力特征值最终取1 300kN，桩型②HKFZ-AB 400(220)竖向承载力特征值最终取1 530kN，桩型③PHC 400 AB 95竖向承载力特征值最终取1 190kN，桩型④PHC 500 AB 100竖向承载力特征值最终取1 515kN。则单桩竖向承载力特征值从大到小依次为：桩型②＞桩型④＞桩型①＞桩型③。

表1 桩基承载力设计参数表

表2 4#楼单桩竖向承载力计算表

3.2 桩基方案造价对比分析

表3对4种桩基方案的造价进行了对比。分析表3可知：所用桩的数量由多到少依次为桩型③＞桩型①＞桩型④＞桩型②，混凝土用量由多到少依次为桩型④＞桩型②桩型＞桩型③＞桩型①，总造价由多到少依次为桩型④＞桩型①＞桩型③＞桩型②。

（1）桩型①的单桩竖向承载力特征值、桩的数量和总造价介于桩型③和桩型④之间，混凝土用量最少。

（2）桩型②的单桩竖向承载力特征值最大，用桩数量最少，总造价最低，混凝土用量比桩型③多、比桩型④少。

（3）桩型③的单桩竖向承载力特征值最小，用桩数量最多，总造价低于桩型①、高于桩型②，混凝土用量比桩型①多、比桩型②少。

（4）桩型④的总造价最高，桩的数量比桩型②多1根，其单桩竖向承载力特征值小于桩型②、大于桩型①，混凝土用量最多。

3.3 沉桩挤土效应分析

预应力管桩和预应力混凝土空心方桩为挤土桩，沉桩过程是一个非常复杂的过程。在此过程中，会同时产生挤土效应和土赛效应, 且两者是相互影响、相互制约的。成桩过程中的挤土作用,使桩周土扰动重塑,土体结构破坏，侧向压应力增加, 对于非饱和土, 由于土受挤而增密, 土越松软黏性越低, 挤密效应越明显；对于饱和黏性土，由于瞬时排水固结效应不显著, 体积压缩变形小, 引起超空隙水压力土体产生横向位移和竖向隆起，并对周围建筑物及地下管线产生一定的影响。总之沉桩产生的挤土效应对施工的影响是无法忽略的。因此设计人员在桩基设计选型时应选择挤土效应小的桩型，在施工中采取减小挤土效应的施工措施（例如：控制压桩速度、布设应力释放孔、预砖排水孔、开挖防挤沟、合理安排沉桩顺序等）。

4种桩型的挤土量见表4,可以看出：单桩排土量由小到大依次为桩型①＜桩型③＜桩型②＜桩型④；而总排土量由小到大为：桩型①＜桩型②＜桩型③＜桩型④。由此我们可以得出：桩型①挤土量最少, 挤土效应也最小。

3.4 最佳桩基方案确定

使用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件之SATWE》和《独基、条基、钢筋混凝土地基梁、桩基础和筏板基础设计软件JCCAD》（2012年6月版），对本工程进行结构整体分析和基础设计计算。

由表4可以看出，桩型②和桩型④桩的数量虽少，但挤压土量并不是最少的；但是根据上部结构剪力墙的布置，从受力角度来讲，桩型①更为合适。经综合分析比较，确定桩型①是最合适的桩型，其桩位平面布置图见图2。

由此可见，最经济的方案不一定是最合理的，这就要求结构设计师在设计过程中，根据实际情况综合分析进行多方案比选，选择最适合的桩型。为节约成本，避免截桩造成不必要的浪费，在绘制施工图时，一定要精确定义桩的长度、桩顶标高及桩底标高。

表3 4种桩基方案的造价对比表

表4 四种桩型的挤土量

图2 桩型①桩位平面布置图

4 结语

一般来说,高层住宅桩基的单桩承载力不宜选择过高或过低。若单桩设计承载力选用过大，桩的总根数就会太少，不好布置；若单桩设计承载力选用过低，则可能会由于桩数太多，而无法满足规范规定的桩间距要求，给沉桩带来困难，并且会增大预制桩的挤土效应。因此，设计时应选择合适的单桩承载力，即选择合适的桩长、桩径和桩基持力层。

本案例对4种桩型的对比选用，为今后地基基础桩型的选择设计提供了宝贵经验。但这并不是说我们今后对桩基的设计都必须选用预应力混凝土空心方桩。每一种桩型都有其合理性和局限性。在桩基工程设计中，设计人员要根据实际的场地条件、地质情况、工期、建设区域抗震设防烈度、上部结构特点、荷载大小及性质、施工条件、沉桩设备、综合造价、环境等因素，采用多方案比选，扬长避短，选择合理的桩型。同时， 我们也应重视新技术、新材料的开发和利用，研发应用新型桩基，努力发掘成本更低、适用范围更广的桩型。

参考文献：

[1]王新.上海地区高层住宅的桩型选择[J].住宅科技,2001(01):12-15.

[2]中国建筑标准设计研究院.10G409,预应力混凝土管桩图集[S].

[3]2012沪G/T—502,HKFZ/KFZ先张法预应力混凝土空心方桩[S].