设计试桩阶段预应力管桩的设计及施工

周占山

摘 要：本设计试桩阶段预应力管桩的设计及施工针对极为特殊的试桩目的，即在选定桩型未选定桩长及单桩竖向承载力特征值的情况下，通过试桩得到此桩型在该施工地层的承载力极限值。设计试桩阶段由于前期地勘资料的匮乏导致桩施工参数不完整，施工前需要进行对比分析和计算。通过对这一阶段特点的分析，形成一套完整的施工解决方案，使试桩能够较为准确地顺利进行，并为类似试桩提供工程施工经验。

关键词：设计试桩 预应力管桩 单桩竖向极限承载力

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（b）-0073-04

由于设计试桩阶段的目的性多样，不确定因素较多，可能会导致预应力管桩桩长的不确定，又由于预应力管桩需要较长的预制周期，若应对措施不完善将在很大程度上影响工期，并增加相应成本费用。通过分析设计试桩阶段的特点，掌握在选定桩型未选定桩长及单桩竖向承载力特征值的情况下的试桩目的，梳理关键工作内容、分析关键未知因素，以确定合理的预制管桩参数，提交完整的试桩报告。

1 设计试桩阶段特点

1.1 目的

根据前期掌握的资料详尽程度不同，其目的有所不同，一般会有以下四种情况。

（1）选定桩型、桩长及单桩竖向承载力特征值的情况下，试桩目的有两个：一是进一步确定所选桩型的施工可行性，避免桩机全面进场后发现该桩型不适合本场地施工或发现桩承载力远小于地质报告提供的计算值，此时再改桩型就会拖工期且增加费用。二是根据单桩竖向静载荷试验确定单桩竖向承载力特征值。由于地质报告提供的数值往往偏于保守，所以可以根据静载报告提高桩承载力，减少桩数。

（2）选定桩型、桩长，未选定单桩竖向承载力特征值的情况下，试桩目的为测试此桩型在给定桩长的情况下在该施工地层的承载力极限值。

（3）选定桩型及单桩竖向承载力特征值，未选定桩长的情况下，试桩目的为测试此桩型在该地层达到设计承载力应具备的桩长。

（4）选定桩型未选定桩长及单桩竖向承载力特征值的情况下，试桩目的是通过试桩得到此桩型在该施工地层的承载力极限值。

第四种情况极为特殊，因为通过预应力管桩的承载力计算公式可知，当存在3个未知數的情况下，整个施工变为纯试验性研究，不确定因素过多导致施工方案不唯一，施工物资数量需边施工边确定，施工周期将无限延长，可操作性极差，应尽可能避免。

1.2 特点

1.2.1 地勘报告

本阶段能够使用的地勘数据多为初步勘察数据，其数据精度较低，且尚不能准确描述场地地层变化情况，因此依据初步勘察数据计算的单桩承载力与实际承载力偏差很大，又由于其尚不能够准确揭露场地地层变化情况，因此工程桩设计尚不能够进行。

1.2.2 设计参数

由于初勘尚不能够准确揭露场地地层变化情况，工程桩设计尚不能够进行。因此本阶段能够得到的设计参数仅为桩型、桩径、入持力层深度（估值，要达到理想承载力该数值会与给定值出入较大，因此更希望用最终沉降量来代替）等，而其他重要施工参数如：承载力设计值、桩长等尚无法获得。

1.2.3 桩位布置

本阶段桩无具体位置要求，但因其试验性特点，所以不能够代替工程桩，因此不能施工于建筑地基范围内。一般情况下试验桩周围均应布置4根与其参数相同的4根辅助桩，作为试压阶段载荷平台支撑受力点，因此其间距与堆载量有关，需要与检测单位共同协商确定。

1.2.4 试验方法

与工程桩检测不同，通常情况下，试桩测试极限承载力数值而不是检测是否设计承载力标准值，因此采用的试验方法为破坏性试验——桩体破坏或沉淀超过规范允许值。

1.2.5 质量控制

为给设计提供准确试验数据，施工质量必须严格控制，以剔除因施工质量原因造成的试验数据不准确的影响。因此每根主桩施工时必须有管理人员旁站，做好施工记录，对每根桩的关键环节必须进行检查验收，填写验收结论，对于不合格复查验收的项目记录必须完整。此外，成桩记录必须如实、详尽，施工遇到的特殊情况及处理方法必须翔实记录。

2 工作流程

通过上述特点分析，设计试桩阶段的工作任务及不确定因素明显多于工程桩施工阶段，因此必须制定一个完整的工作流程，用以保证施工的顺利进行。

资料收集→地勘资料分析→估算管桩承载力→桩位布置→预制桩订货→预制桩施工→预制桩检测→整理试桩报告→移交。

3 实施要点

3.1 资料收集

本阶段应尽可能多地收集与桩施工相关的支持性资料，包括《工程初步设计》《地质勘查报告》（初勘、详勘）、《设计参数要求》、本地区管桩应用经验（论文或调研报告），初步分析支持性文件及参考性文件，制定设计阶段试桩的总体思路。特别是《设计参数要求》，一定要避免第四种目的情况的发生。能否提供承载力指标对下步工作影响很大。通常情况下，在建（构）筑物用途确定后，其总体荷载已明确，基础形式明朗，完全能够提供承载力指标。但有一种情况例外：本地区尚无桩基设计经验，具体哪种桩更适用本场地条件尚不可知。此时建议在详勘完成后再进行试桩工作。

3.2 资料分析

（1）对《工程初步设计》进行了解，确定建（构）筑物基础埋深范围，以可能最大埋深量（h0）作为下步确定管桩持力层的依据。

（2）确认能够作为建（构筑）筑物桩基持力层力的地层。通过排除法逐步确定，持力层埋深范围为h0至h0向下28m范围，且必须满足两个条件：一是层必须具有均匀性、普遍性。其桩下厚度应大于3倍桩径，且其下不得存在软弱层、洞穴。二是按最深桩底标高（本层底标高减3倍桩径）计算的单桩承载力极限值应大于1200kN，否则选择本层以下层作为持力层。endprint

（3）当本场地普遍存在厚度不小于5m的深埋砂层时，可先将此层定义为桩端持力层进行承载力验算，桩进入持力层深度按1.5m计算。如单桩承载力极限值不能满足1 200kN时，管桩在本场地地层不适用（无法穿透本厚度砂层），请设计更换桩型。当砂层厚度不小于5m，埋深不小于3m，且为中密以上特性时，管桩在本场地不适用。当砂层埋深小于4m时直接作为穿透层，继续向下寻找可作为持力层的地层。

（4）确定持力层后，确定管桩穿透层各层最大厚度，以及各层对应的力学指标形成如表1所示土层参数表。

表中Δh2=h2-δ，δ=h0-h1，当δ<0时取0。当h1-h0<0時取0。hl为管桩进入持力层深度。桩与各土层位置尺寸见图1。

3.3 估算管桩承载力

无论设计参数是否已经给定承载力特征值，均需要对单桩承载力进行测算，以验证其符合程度，测算地层依据使用桩位临近勘察点地层剖面。承载力验算有以下几种情况。

（1）给定桩长（给定进入持力层深度归为此类）验算承载力。按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.3-1极限承载力计算公式进行计算，承载力不足时增加桩长反复试算，直至达到设计要求承载力为止。

（2）已知承载力反算桩长。需多次假定桩长按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.3-1极限承载力计算公式进行计算并对比数据，直至得到满足承载力的桩长，且承载力富裕系数控制在1.1以内，以求经济合理。

（3）桩长、承载力均未知时估算桩长及承载力。

施工桩长（h施）按下式计算：

h施=Δh2+Σhi+Δh+hl

hi为从基础埋深以下至管桩持力层以上各整层厚度；Δh为施工保护桩长。

结合施工极限桩长进行修正，取两者较小作为计算桩长，代入《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.3-1极限承载力计算公式进行计算。也可按下式进行计算：

式中：；；；；。

单桩承载力特征值按计算承载力的1/2取整选取。该数值是施工静压荷载以及检测荷载的重要依据，应力求准确。最终计算结果作为试桩重要参数要经设计及监理单位确认，且要将数据通知检测单位，以确定辅桩位置。

3.4 桩位布置

桩位布置优先于估算管桩承载力，其原因在于试桩阶段对地层情况的了解程度的局限性，因初步勘察的揭露程度较低，地层变化没有被全数表达，因此对桩所在地层情况的了解程度决定了估算其承载力的准确度。所以桩位选择因尽可能靠近勘察孔，以将地层变化的影响度降至最低。此外，桩位不得布置在建（构）筑物基础范围内。作为试验支撑受力点的辅助桩不建议共用，因此布置时应考虑2组辅助桩的位置，在场地受限情况下可考虑2组桩错开1/2辅助间距，距离控制在2倍桩径左右。以勘察点为中心扩散布桩是比较理想的方案。

3.5 预制桩订货

预制桩订货数量可根据承载力估算值计算，但必须增加合理的储备。预应力管桩为预制桩，需要一定的加工周期，如未充分认识设计试桩阶段的特点，将导致订货不足，造成工期延误。某些情况下设计层面希望在设计试桩阶段得到单桩极限承载力，因此根据地层的不同变化揭露程度，设计希望通过桩体最终沉降量控制桩体进入土层的深度。这一希望将带来桩长的不可预见性，因此订货时除需考虑正常损耗率外，还应考虑地层的不确定性带来的桩长的增加。按10%左右考虑储备量最为稳妥。

3.6 预制桩施工

（1）做好预制桩的成品保护。对预制桩的装卸及堆放高度应有明确的要求。此外，对预制管桩的吊点进行必要的设计，防止吊装过程的变形及损坏。

（2）预压荷载选择估算单桩承载力特征值的2～3倍，以达到得到极限承载力的目的。

（3）着重控制桩身垂直度，接桩焊接质量，整个过程做好成桩记录。通过2台经纬仪随时监控桩身垂直度，2台经纬仪间夹角90°。通过焊工考核、班前焊接检查，过程监督，施焊完毕后验收等措施保证焊缝饱满、强度满足要求。

（4）以最终沉降量控制沉桩终止点。即当管桩按估算桩长沉桩完成后，以施工荷载静压（锤击法施工时以最终三击贯入度为指标）1 h后，最终沉降量小于40 mm时施工停止，此时记录好桩长。

（5）按图集做法进行封桩。抗压桩封桩长度为1 m，抗拔桩封桩长度为3 m。封桩底模使用4 mm厚铁板（直径小于管桩直径3 mm）制作吊模，吊筋采用2根8 mm钢筋制作，钢筋末端做135°弯勾，挂于管桩侧壁。

3.7 预制桩检测

成桩28天后进行试验检测。检测载荷选择2倍估算单桩承载力特征值并按此荷载确定堆载平台尺寸，同时告知施工单位，以便其布置辅桩位置。以破坏性试验方法为检测方法，以单桩极限承载力为检测结果出具最终检测报告。

3.8 试桩报告

整理全过程资料，包括地勘资料整理、设计指标、施工过程描述、检测数据、结论等内容。试桩报告由地勘、设计、检测单位提供支持，施工单位编写，并经最终审核批准后移交设计单位及建设单位。

4 结论

（1）在地质资料不足的情况下通过地层厚度分析初步估算桩长，可用于指导管桩预制订货量，且有足够的储备。

（2）通过结合工程桩施工的地层状态，分析适合作为持力层的土层，确定合理调整系数解决地层厚度的变化性带来的估算影响，可使承载力处于一个妥当的数值。

（3）通过对勘察孔的代表范围的估计控制桩位布置，并结合勘察结果进行二次验算，可得到较为准确的单桩承载力数值。

（4）通过对施工过程的严格质量控制，尽可能避免施工质量对检测数据的影响，以求为设计提供准确的参考数值。这一过程是施工中的重中之重。

参考文献

[1] JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 10G409，预应力混凝土管桩[S].北京：中国计划出版社，2010.

[3] JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 尹正向.论地基持力层的选择[J].交通标准化，2013（8）：57-58.endprint