淺談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1、.淺談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 摘要：本文從預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁豎向承載力的計(jì)算、樁型及樁徑的合理選取、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化布局、樁基施工質(zhì)量常見問(wèn)題等方面淺談一下對(duì)預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)體會(huì)。 關(guān)鍵詞：樁基豎向承載力特征值優(yōu)化設(shè)計(jì)施工常見問(wèn)題 引言： 先張法預(yù)應(yīng)力砼管樁(簡(jiǎn)稱 管樁)因具有制作工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易保證，植樁方便，耐打性好，造價(jià)便宜，檢測(cè)方便，施工工期短，樁基抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，在樁基工程中應(yīng)用越來(lái)越多。在沿海地區(qū)尤其普遍，高層建筑、多層建筑基礎(chǔ)大多采用管樁。我們知道，一個(gè)工程中基礎(chǔ)部分占整個(gè)建筑物投資的比例是比較大的，這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)人員要熟練掌握樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，選擇經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方

2、案，并能處理工程施工中的若干問(wèn)題，這是一個(gè)職業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)具備的專業(yè)能力。筆者就以下幾方面，淺談管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法及其施工中常出現(xiàn)問(wèn)題的原因分析。 一、單樁豎向承載力特征值Ra的確定。 什么是管樁樁身結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的單樁豎向承載力特征值？首先要明白特征值是正常使用狀態(tài)的極限值，設(shè)計(jì)值是承載力材料最終破壞的極限值，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該用特征值來(lái)布樁，相應(yīng)取用的承臺(tái)底面荷載效應(yīng)組合應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)組合，以便建筑在正常使用中，樁頂變形不超過(guò)比例界限 ?；A(chǔ)設(shè)計(jì)必須有甲方提供的地質(zhì)勘查報(bào)告文件。有了所需巖土的物理力學(xué)參數(shù)及其原位測(cè)試參數(shù)，先按建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-2008）第5.3.8條計(jì)算管樁的單樁豎向極限

3、承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk，有下面三個(gè)公式： Quk= Qsk+Qpk=uqsikli+qpk（Aj+pAp1） （5.3.8-1） 當(dāng)hb/d<5時(shí)，p=0.16hb/d (5.3.8-2) 當(dāng)hb/d5時(shí)，p =0.8(5.3.8-3) 可以看出p樁端土塞效應(yīng)系數(shù)的大小直接影響著Quk的大小，所以要根據(jù)承臺(tái)底荷載的情況合理的選擇樁端進(jìn)入持力層的深度。如果是帶樁尖的閉口樁，p樁端土塞效應(yīng)系數(shù)取1。再根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-2008）第5.2.2條，單樁豎向承載力特征值按公式Ra= Quk /2計(jì)算即可。有的工程不需要再換算由5.3.8條公式直接算出單樁豎向承載力特征值。由以上方法算

4、出的單樁豎向承載力特征值是理論值。并不一定是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最終采用的單樁豎向承載力特征值。還需要驗(yàn)算樁身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Rp，其值根據(jù)樁基規(guī)范中公式5.8.2-1和公式5.8.2-2算得。樁身極限受壓承載力設(shè)計(jì)值由Ru=2Rp/1.35算得。比較計(jì)算得出的Ru和管樁圖集中的樁身極限受壓承載力設(shè)計(jì)值大小，如果計(jì)算得出的Ru大，那么Ra取值應(yīng)為Rp/1.35，這個(gè)值應(yīng)該小于上面記算得出的單樁豎向承載力特征值。如果計(jì)算得出的Ru小，那么Ra以原計(jì)算值為準(zhǔn)。另外一點(diǎn)，樁基規(guī)范規(guī)定對(duì)于樁側(cè)土不排水抗剪強(qiáng)度小于10kPa且長(zhǎng)徑比大于50的樁，需考慮樁身壓屈驗(yàn)算。所以在計(jì)算樁身正截面受壓承載力時(shí)需乘以穩(wěn)定系數(shù)，此系

5、數(shù)很可能小于1，具體大小根據(jù)相關(guān)公式確定，這里不再闡述。所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)注意不能忽略。采用單樁靜載荷實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定單樁承載力特征值，是迄今為止最可靠的方法。單樁承載力大小應(yīng)由試樁來(lái)確定，除了地基基礎(chǔ)為丙級(jí)的建筑外，均應(yīng)通過(guò)單樁靜載荷實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定單樁承載力特征值的大小。單樁靜載荷試驗(yàn)，應(yīng)按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）附錄Q進(jìn)行。且同一條件下的試樁數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的1%，且不應(yīng)小于3根，當(dāng)樁總數(shù)在50根以內(nèi)時(shí)，不得少于2根。 二、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法 1. 選擇合理的樁型。這是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，合理的樁型選擇將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。首先，要了解各種樁型的特點(diǎn)，拿常用的鉆孔灌注樁和

6、管樁比較如下： 管樁的優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，因?yàn)槠涫桥可a(chǎn)的，且是空心樁，配筋率低；施工速度快，工期短，經(jīng)濟(jì)效益明顯；相同條件下，管樁的承載力高于灌注樁，這點(diǎn)從地質(zhì)勘察報(bào)告書中看的很清楚；管樁是在工廠制作的成品，質(zhì)量有保證，這方面杜絕了現(xiàn)場(chǎng)偷工減料的弊端；場(chǎng)地干凈，不需要排漿處理。管樁的缺點(diǎn)：管樁是擠土樁或半擠土樁，擠土效應(yīng)會(huì)擾動(dòng)周圍土體結(jié)構(gòu)，造成周圍房屋、市政設(shè)施受損，還會(huì)引起樁位偏差，所以管樁不宜在城市建筑群密集地區(qū)使用；管樁難穿透硬的夾層，往往是樁長(zhǎng)短，持力層不理想，導(dǎo)致大沉降，且不經(jīng)濟(jì)；抗拔能力管樁差，管樁只是樁頭做樁帽的短筋錨入承臺(tái)，而灌注樁直接是樁身鋼筋錨入承臺(tái)，且管樁是多節(jié)的，所以在一

7、些體積相對(duì)較大，高度相對(duì)較高，但質(zhì)量相對(duì)較輕的建筑物設(shè)計(jì)中不宜考慮，比如在一些體育場(chǎng)館中的設(shè)計(jì)就不宜設(shè)計(jì)，在一些高層超高層的設(shè)計(jì)中也不宜考慮管樁。熟悉各種樁型的特點(diǎn)，選擇最適宜的樁型，不僅保證了工程的質(zhì)量，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯。 2. 樁長(zhǎng)、樁徑選取 樁徑與樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)即基樁的外部尺寸的設(shè)計(jì)，它應(yīng)綜合考慮荷載的大小、土層性質(zhì)及樁周土阻力狀況、樁基類型與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、樁的長(zhǎng)徑比、以及施工設(shè)備與技術(shù)條件等因素優(yōu)選確定，力求做到既滿足使用要求又造價(jià)經(jīng)濟(jì)，最有效地利用和發(fā)揮地基土和樁身材料的承載性能。管樁一般為摩擦型樁，對(duì)于摩擦樁，有時(shí)樁底持力層可能有多種選擇，此時(shí)確定樁長(zhǎng)與樁數(shù)兩者相互牽連，遇此情況，可通過(guò)試

8、算比較，選用較合理的樁長(zhǎng)。摩擦樁的樁長(zhǎng)不應(yīng)擬定太短，一般不宜小于4m。因?yàn)闃堕L(zhǎng)過(guò)短則達(dá)不到設(shè)置樁基把荷載傳遞到深層或減小基礎(chǔ)下沉量的目的，且必然增加樁數(shù)很多、擴(kuò)大了承臺(tái)尺寸。也影響施工的進(jìn)度。此外，為保證發(fā)揮摩擦樁樁底土層支承力，樁底端部應(yīng)插入樁底持力層一定深度(插入深度與持力層土質(zhì)、厚度及樁徑等因素有關(guān))一般不宜小于lm。根據(jù)計(jì)算出的單樁豎向承載力特征值，先估算承臺(tái)下樁數(shù)，其數(shù)量是否合適，尚待驗(yàn)算各樁的受力狀況后驗(yàn)證確定，樁數(shù)的確定理應(yīng)還須考慮滿足樁基礎(chǔ)水平承載力要求的問(wèn)題。一般情況下，樁基水平承載力是由基樁的材料強(qiáng)度所控制，可由基樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)(如鋼筋混凝土樁的配筋設(shè)計(jì)與截面強(qiáng)度驗(yàn)算)來(lái)

9、滿足。此外，樁數(shù)的確定與承臺(tái)尺寸、樁長(zhǎng)和樁的間距的確定相關(guān)連，確定時(shí)應(yīng)綜合考慮。 3. 基樁的布置 基樁的布置是樁基概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)涵，是合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)。 1）基樁中心的最小中心距。根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-2008）第3.3.3條規(guī)定的基樁最小中心距，并結(jié)合承臺(tái)的構(gòu)造要求布置樁，使得承臺(tái)面積最小 2）考慮力系的最優(yōu)平衡狀態(tài)。樁群承載力合力點(diǎn)宜與豎向永久荷載合力作用點(diǎn)重合，以減少荷載偏心的負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)樁基受水平力時(shí)，應(yīng)使基樁受水平力和力矩較大方向有較大的抗彎截面模量，以增強(qiáng)樁基的水平承載力，減少樁基的傾斜變形。 3）樁箱、樁筏基礎(chǔ)的布樁原則。為改善承臺(tái)的受力狀態(tài)，特別是

10、降低承臺(tái)的整體彎矩、沖切力和剪切力，宜將樁布置于墻下和梁下，并適當(dāng)弱化外圍。 4）樁端持力層選擇和進(jìn)入持力層的深度要求。 樁端持力層是影響基樁承載力的關(guān)鍵性因素，不僅制約樁端阻力而且影響側(cè)阻力的發(fā)揮，因此選擇較硬土層為樁端持力層較為重要；其次，應(yīng)確保樁端進(jìn)入持力層的深度，有效發(fā)揮其承載力。進(jìn)入持力層的深度除考慮承載性狀外尚應(yīng)同成樁工藝可行性相結(jié)合。 三、預(yù)應(yīng)力管樁施工中產(chǎn)生問(wèn)題原因分析 1. 單樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求 1)預(yù)制樁施工擠土效應(yīng)造成樁體上浮。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁雖為中空，在沉樁過(guò)程中樁端處部分土體能夠進(jìn)入到管樁內(nèi)部，實(shí)測(cè)資料表明，一般黏性土中施工管樁土芯長(zhǎng)度能夠達(dá)到樁長(zhǎng)的13，即稱“土

11、塞效應(yīng)”，樁體排開的土體不可能全部進(jìn)入管樁腔內(nèi)或被壓縮，擠土作用也是非常明顯的。由于擠±效用必然會(huì)造成表層土體的上浮，對(duì)于長(zhǎng)樁(一般超過(guò)20m)由于樁下部進(jìn)人硬土層較深，發(fā)揮嵌固作用，樁體的上浮不明顯；而對(duì)于短樁，由于未進(jìn)人深部硬土層，樁體隨著淺層土體的上浮而上浮，工程實(shí)倒表明短樁比長(zhǎng)樁更易發(fā)生樁體上浮事故。由于樁體的上浮必然會(huì)造成試樁過(guò)程中變形加大承載力降低。 2)恢復(fù)期短樁周土未充分固結(jié)。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在沉樁過(guò)程中必然會(huì)造成樁周和樁端一定范圍內(nèi)的土體的擾動(dòng)，土的側(cè)阻力和端阻力都有所降低。隨著土體的重新固結(jié)，樁側(cè)阻力和樁端阻力不斷增加。實(shí)測(cè)資料表明樁施工完2個(gè)月后，樁側(cè)阻和端端阻

12、應(yīng)均有增加趨勢(shì)。為了獲得較高承載力一般樁施工完成后要聞歇一定時(shí)間再檢驗(yàn)承載力，稱間歇期或恢復(fù)期。建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ942008)、建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007-2002)均規(guī)定了預(yù)制樁承載力檢測(cè)間歇期，但一些建設(shè)單位為了趕工期未按規(guī)范執(zhí)行，造成承載力不足的假象。 3)持力層局部缺失或變軟。預(yù)應(yīng)力管樁優(yōu)點(diǎn)是樁身強(qiáng)度高，為充分發(fā)揮管樁優(yōu)勢(shì)，一般選擇較硬土層作為樁端持力層，不合理或取樣間距過(guò)大，對(duì)持力層的起伏未查清，使得樁施工時(shí)已達(dá)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，很明顯未達(dá)到要求的持力層，不能滿足設(shè)計(jì)要求的貫入度。 2. 樁位偏差過(guò)大 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制樁的偏位，如果樁偏位過(guò)大，超過(guò)規(guī)范

13、規(guī)定限值，設(shè)計(jì)變更加大承臺(tái)剛度及其配筋，或者加大基礎(chǔ)梁剛度和配筋，這將給施工單位造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。產(chǎn)生樁位偏差過(guò)大原因主要有： 樁過(guò)密產(chǎn)生擠土效應(yīng)。密集群樁施工過(guò)程中很容易產(chǎn)生擠土效應(yīng)，后施工的樁很容易將先施工的樁擠偏。一般采取經(jīng)常復(fù)測(cè)樁位的方法來(lái)避免樁產(chǎn)生偏位。 場(chǎng)地土質(zhì)軟，大靜壓機(jī)陷機(jī)。一般超過(guò)400t靜壓樁機(jī)施工預(yù)應(yīng)力管樁，對(duì)場(chǎng)地表層土的強(qiáng)度有一定要求，如果表層土軟，未進(jìn)行處理，大靜壓機(jī)行走過(guò)程中容易發(fā)生陷機(jī)，可能將已施工的樁壓偏。為避免造成樁偏位，樁施工前應(yīng)對(duì)場(chǎng)地表層土進(jìn)行處理，一般采用拆房土經(jīng)碾壓處理即可，處理厚度不能少于50cm。 基坑開挖水平位移過(guò)大。如果基坑開挖采取放坡方式或柔性樁支護(hù)方式，將產(chǎn)生較大的水平位移，土體的位移必然帶動(dòng)基坑內(nèi)樁產(chǎn)生位移。 3. 樁身質(zhì)量監(jiān)測(cè)有、類樁 根據(jù)建設(shè)單位提供的樁身質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有、類樁，這種樁身破壞影響了樁身承載力，需要設(shè)計(jì)處理，很可能需要補(bǔ)樁。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因主要有： 樁接頭破壞。管樁的樁長(zhǎng)一般較長(zhǎng)，接頭多，接頭部位采用焊接，因施工時(shí)焊接質(zhì)量差容易在焊口處脫開，造成破壞。 樁頭部位碎裂。樁