偏斜预应力混凝土管桩承载能力分析及合理利用研究

詹旺林，刘翔，周将

（江西省九江市水利电力规划设计院，江西九江 332000）

0 引言

由于预应力混凝土管桩可以工厂化制作，并具有桩体强度高、施工速度快的显著优点，特别是采用静压法施工时，送桩深度大，施工场地适应能力强，因此在工程建设中应用广泛[1]。 但是在施工过程中，往往因为周边环境复杂、打桩顺序不合理、基坑开挖不当等各种原因，导致桩身出现移位、偏斜等质量问题，使管桩的承载能力降低，影响建筑结构的安全。《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJT 406—2017）规定，预应力混凝土管桩的垂直度偏差不应大于1%[2]。 对于偏斜率大于1%的管桩，规范未明确其如何使用。 在实际工程应用中，对于偏斜率大于1%的桩，一般采用纠偏措施，或将偏斜桩打折再利用[3]，折扣率大多是从桩体抗压性能的降低等方面考虑，对桩体偏斜造成桩体承受弯矩和剪力的作用问题，更多采用定性分析，大多未进行定量研究。 本文通过对偏斜桩的受力分析，提出了两种偏斜模型，根据这两种模型，分别对偏斜桩进行抗压、抗弯和抗剪验算，可得出定量的弯矩和剪力，为偏压桩的合理利用提供了理论依据。

1 概述

1.1 工程概况

某涝区排涝泵站安装6 台800kW 轴流泵，总装机4800kW。 泵房距离下游堤脚30m，为湿式进水方式，采用直径1.4m 穿堤压力钢管将水排至外江。

1.2 地质情况

场地地层岩性自上至下依次为：

（1） 堤身填土（rQ）：场地普遍分布，以粉质黏土、粉质壤土为主，局部夹植物根系及碎石。厚度1.5～11.2m，层底高程6.70～12.20m。该层填筑质量一般，土质较好，野外注水试验渗透系数为1.0E-05，具弱透水性；

（2） 粉质黏土（al+lQ4）：主要分布于堤基或堤内，黄褐色，软～可塑状，无摇振反应，韧性中等，干强度一般，湿，层厚2.6～3.8m，层底高程4.60～10.60m。 该层具有中等压缩性，承载力一般，野外注水试验渗透系数为1.0E-05，具弱透水性；

（3） 淤泥质粉质黏土（al+lQ4）：普遍分布，灰黑色，软塑，含腐殖质，局部间夹薄层粉砂，具轻微臭味，局部为揭穿，揭露最大层厚27.80m。 该层具高压缩性，厚度大，承载力低，野外注水试验渗透系数为1.0×10-5cm/s，具弱透水性；

（4） 中粗砂（alQ4）：分布于淤泥质粉质黏土之下，灰褐色～黄褐色，饱和，以中粗砂为主，夹杂细砂、砂砾石，级配较好，揭露层厚2.2～8.5m，层顶高程-18.19～-14.79m。 该层承载力高，厚度大，为适宜的桩基持力层；

（5） 砂岩（Z2）：仅ZK11 孔揭露，灰褐色，全风化，呈碎石土状，揭露层厚1.2m。

根据地质勘察成果，泵站基础处于淤泥质粉质黏土层，含水量为30.66%， 天然容重1.90g/cm3， 饱和容重1.92g/cm3， 干容重1.45g/cm3， 孔 隙 比0.87， 比 重2.71， 液 性 指 数0.75， 凝 聚 力15.68kPa，摩擦角10.64°，地质综合建议渗透系数：K=5.27×10-4cm/s，承载力标准值建议值为90kPa[4]。

1.3 桩基设计

由于地基承载力不满足要求，设计采用预应力管桩对泵站基础进行处理，管桩型号PHC-400-AB-95，由专业混凝土预制厂按定型产品预制，管桩施工采用静压法沉桩，桩长26m，桩底深入中粗砂层不小于1.0m，桩体中心纵、横向间距1.7m[5]。

2 出现桩体偏斜的原因及处理方案

2.1 存在问题

设计桩顶高程10.0m，打桩平台高程12.0m，送桩深度2.0m。打桩完成，上层土体开挖后，发现最外面两排桩出现不同程度的偏斜，偏斜桩共20 根，占总数的8.9%，其中，偏斜率超过1%的占总数的4.0%。 第163 号桩偏斜率最大，为1.75%。 根据《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJT 406—2017）， 预应力管桩的垂直度偏差不应大于1%。 因此，必须对偏斜桩进行结构复核，以确定偏斜桩的利用方式或加固处理方案。

2.2 原因分析

经现场调查分析，认为出现桩体偏斜的原因主要有以下几个方面：

（1） 由于泵房位于堤脚，为了避免锤击打桩时震动对堤防安全产生影响，设计采用静力压桩。 由于压桩机自重大，施工时场地土体变形大，易造成管桩倾斜；

（2） 基础前后的土体密实度不一样。 由于泵房位于堤脚，泵房临堤侧土体在堤身重力的作用下，土体密实，压缩模量较大，而临水侧为原状淤泥质土，相对堤基土体压缩模量较小。 因此，当桩体压入土体时，临水侧的挤土效应更加明显；

（3） 饱和淤泥质黏土含水量高、饱和度大、抗剪强度较低，管桩施工过程中土体应力增加，超静孔隙水压力升高。 基础开挖时，土体应力和超静孔隙水压力瞬时释放，易导致管桩倾斜[6]；

（4） 对于较密集的桩群，宜从中间向两侧对称施工，而本次施工采用由一侧向单一方向逐排施工的方式。 先期打入的桩体受后期桩体挤土效应的影响，易发生桩体偏斜。

2.3 常规加固处理方案

对于偏斜率大于规范值的管桩，一般可采用以下几种方法进行加固处理：

（1） 纠偏法。 纠偏的目的是使斜桩变直、倾斜度变小，使竖向荷载顺利传递。 该方法费用低、安全可靠，极限承载力可达到设计要求。 缺点是土体应力释放，对原桩的侧阻力有一定的影响；

（2） 补桩法。 补钻孔灌注桩，因为钻孔灌注桩桩机轻，适应在软土上作业。 但该方法成本高，原来的斜桩成了地下障碍物，补桩桩位难以确定，钻孔易发生缩径，土体应力释放深度大，对原桩的侧摩阻力也有一定影响[6]。

3 偏斜桩结构复核

对偏斜桩进行小应变检测， 结果显示桩体完整， 未出现断裂、裂缝等结构性损伤。 对偏斜最大的第163 号桩进行静载实验，结果显示，单桩承载力满足设计要求。

但是由于桩体发生偏斜后，除了受桩顶设计竖向荷载、桩底反力、桩周摩阻力影响外，还承受垂直于桩身的侧向土压力。 为了验算管桩在侧向土压力作用下的安全性，还必须对其结构进行复核。 本次选取偏斜率最大的第163 号桩进行计算：桩长26m，桩底深入砂层1.0m， 桩顶偏位0.46m， 偏斜率1.75%， 竖向设计荷载480kN。

3.1 受力模型分析

当桩体垂直时， 桩底端承力N 及桩周摩阻力R 之和与桩顶受到的竖向荷载P 大小相等，方向相反，即P=N+R，桩体处于平衡状态。 管桩受力情况见图1。

图1 垂直桩受力模型

当桩体发生偏斜时，桩顶竖向荷载P 对桩底产生力矩M1=P·X，根据力和力矩平衡分析，土体必然对桩体产生侧向压力，且侧向压力对桩底的力矩M2与M1大小相等、方向相反。 此时的桩体侧向受力可能会出现两种情况：

模型1：管桩绕O1点发生转动变形，桩底砂层提供的被动土压力F2与上层淤泥质粉质黏土提供的被动土压力F1大小相等、方向相反。 管桩受力情况见图2。

模型2：管桩偏斜进一步发展，桩底砂层在水平反力F2的作用下发生剪切破坏，管桩继续绕O2发生转动变形。 此时，O2点上下段分别受到被动土压力F3和F4的作用，F3和F4大小相等、方向相反。 管桩受力情况见图3。

土压力是土体受到压缩变形而形成的，压缩量和土体所受应力的关系见下式[7]：

式中：S——压缩变形量 （mm）；ms——沉降经验系数；σzi——附加应力（MPa）；Esi——压缩模量（MPa）；hi——压缩层厚度（mm）。

由公式（1）可知，土压力的大小和压缩变形量成正比。 因此，两种模型的受力分析情况分别见图2、图3。

图2 偏斜桩受力模型1

图3 偏斜桩受力模型2

3.2 桩体受力状态的判别

首先， 假定桩底持力层在F2的水平反力作用下未发生剪切破坏，此时管桩的受力分析见图2，由力矩平衡可得下列关系式：

式中：P——桩顶设计荷载 （kN）；X——桩顶偏位距离（m）；S——F1至转动中心O1的距离 （m）；q1——桩顶受到的土压力（kN/m）；l——桩体长度（m）。

根据力矩平衡原理M1=M2，综合（2）式和（3）式，可计算得出q1=0.98（kN/m）。

又根据桩体水平方向力的平衡，可得关系式F1=F2。

由于桩体深入砂层1.0m，因此桩体受到土体的侧向应力为：

根据地质勘察报告， 桩基持力砂层的允许承载力为200kPa，大于桩底给予它的压应力，因此，桩底砂层土体未产生剪切破坏，桩体倾斜变形维持在模型1 阶段。

3.3 桩体抗压复核

由于桩体发生偏斜，垂直向下的竖向荷载P 分解为沿管桩轴线的力P1和水平方向 的 力P2。 管 桩最大偏斜1.75%，其 偏 斜 角 α =1.0°，受力分析见图4。

图4 偏斜桩轴向受力分析

由图4 可知，管桩倾斜后，轴向力P1=P/cosα=480/cos1°=481（kN），由计算可知，桩体倾斜对桩体的轴向受压影响不大。

3.4 桩体抗弯复核

泵站底板长39.4m、 宽13.0m、 厚1.0m。 桩顶嵌入泵站底板25cm，泵站底板的刚度相对于单根管桩来说足够大，因此桩顶按刚接考虑。 桩底深入砂层1.0m，砂层对桩底的约束按铰接考虑。

对一端简支、一端固定的杆件进行弯矩计算，计算简图见图5。

图5 受力简图

计算得到桩体最大正弯矩19.8kN·m， 发生在距桩顶14.4m处， 最大负弯矩44.2kN·m， 发生在桩顶刚接点处。 最大剪力10.2kN，也发生在桩顶刚接点处。 桩体弯矩图见图6。

图6 弯矩图

预应力管桩的型号为PHC-400-AB-95， 抗裂弯矩检验值为63kN·m，极限弯矩检验值为104kN·m，均大于桩体所受弯矩。 因此，桩体的抗裂、抗弯满足要求。

3.5 桩体抗剪复核

桩体的抗剪强度采用文献[8]推荐的公式进行计算。预应力混凝土管桩在水平荷载作用下发生剪切破坏时，其剪力一部分由混凝土承担，另一部分由箍筋承担。

其中：

V——环形截面抗剪承载力；fc——混凝土抗压强度；σ——环形截面的壁厚；h0——当量有效高度；fyv——箍筋的抗拉强度设计值；Asv——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s——沿构件长度方向的箍筋间距；sinα——螺旋斜向环箍与梁轴交角的正弦；r——圆形截面半径；rs——纵向钢筋所在的圆周半径。

把相应的管桩参数代入公式可得：桩体环形截面抗剪承载力V=155kN，大于管桩承受的最大剪力10.2kN。因此，桩体的抗剪强度满足要求。

4 处理措施及效果

对163 号桩的计算结果进行分析发现，桩体偏斜后，其轴向压力增加不多，但是承担了一定的弯矩和剪力作用，偏斜桩主要受其抗弯和抗剪性能的影响。 计算结果显示， 偏斜率最大的163号桩，其抗压、抗弯、抗剪均满足要求。

工程区地震动峰值加速度为0.05g， 可不考虑地震荷载的影响。 桩头整体与泵站底板刚接，桩体在正常情况下，不承担其他水平荷载。 由于水利工程施工受季节的影响较大，因此为了加快施工进度，节省工程投资，在对桩体进行现场检测及充分的理论计算前提下，认为可不对偏斜桩采取纠偏、补桩等加固措施。

为了监测泵站的位移和沉降情况，在泵房的4 个角点设置了监测点。 泵站投入运行2 年来，泵房运行稳定，未发现沉降、位移等变形情况，说明桩基运行正常，未发生进一步变形和结构破坏。

5 结语

根据计算分析可知，当预应力管桩发生偏斜时，桩体的轴向压力增加不大，但抗裂、抗弯、抗剪成为影响桩体结构安全的重要因素。 因此，为了避免桩体出现偏斜造成废桩，在软弱层较厚、地质条件较复杂的场地， 预应力混凝土管桩设计应留有适当的余地[9]，宜选用截面惯性矩大、抗弯强度高的桩。 另外，在桩基设计及偏斜桩利用时，还应注意以下几点：

（1） 桩底尽量压入持力层一定深度，当出现施工不当造成桩体偏斜时，一定深度持力层的约束能有效限制桩体偏斜的发展；

（2） 受地震荷载作用或桩体承担水平荷载的工程项目，应严格控制偏斜桩的使用；

（3） 设置适当长度的填芯钢筋混凝土，可提高预应力混凝土管桩的抗剪能力，同时加强管桩与承台的连接，确保连接有效[9]；

（4） 预应力混凝土管桩原则上不适合作为高层建筑的基础处理桩型[10]；

（5） 在建筑物正常使用过程中，建议定期对建筑物进行必要的沉降及位移监测。