淺談預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計

1、.淺談預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計 摘要：本文從預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁豎向承載力的計算、樁型及樁徑的合理選取、樁基礎(chǔ)設(shè)計的優(yōu)化布局、樁基施工質(zhì)量常見問題等方面淺談一下對預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計體會。 關(guān)鍵詞：樁基豎向承載力特征值優(yōu)化設(shè)計施工常見問題 引言： 先張法預(yù)應(yīng)力砼管樁(簡稱 管樁)因具有制作工藝簡單，質(zhì)量容易保證，植樁方便，耐打性好，造價便宜，檢測方便，施工工期短，樁基抗震性好等優(yōu)點，在樁基工程中應(yīng)用越來越多。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，一個工程中基礎(chǔ)部分占整個建筑物投資的比例是比較大的，這就要求我們設(shè)計人員要熟練掌握樁基礎(chǔ)的設(shè)計方法，選擇經(jīng)濟合理的設(shè)計方

2、案，并能處理工程施工中的若干問題，這是一個職業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(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)計的方法及其施工中常出現(xiàn)問題的原因分析。 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)計值是承載力材料最終破壞的極限值，樁基設(shè)計時應(yīng)該用特征值來布樁，相應(yīng)取用的承臺底面荷載效應(yīng)組合應(yīng)該是標準組合，以便建筑在正常使用中，樁頂變形不超過比例界限 ?；A(chǔ)設(shè)計必須有甲方提供的地質(zhì)勘查報告文件。有了所需巖土的物理力學(xué)參數(shù)及其原位測試參數(shù)，先按建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-2008）第5.3.8條計算管樁的單樁豎向極限

3、承載力標準值Quk，有下面三個公式： Quk= Qsk+Qpk=uqsikli+qpk（Aj+pAp1） （5.3.8-1） 當hb/d<5時，p=0.16hb/d (5.3.8-2) 當hb/d5時，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)承臺底荷載的情況合理的選擇樁端進入持力層的深度。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)計最終采用的單樁豎向承載力特征值。還需要驗算樁身的強度設(shè)計值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)計值由Ru=2Rp/1.35算得。比較計算得出的Ru和管樁圖集中的樁身極限受壓承載力設(shè)計值大小，如果計算得出的Ru大，那么Ra取值應(yīng)為Rp/1.35，這個值應(yīng)該小于上面記算得出的單樁豎向承載力特征值。如果計算得出的Ru小，那么Ra以原計算值為準。另外一點，樁基規(guī)范規(guī)定對于樁側(cè)土不排水抗剪強度小于10kPa且長徑比大于50的樁，需考慮樁身壓屈驗算。所以在計算樁身正截面受壓承載力時需乘以穩(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。所以在計算時應(yīng)注意不能忽略。采用單樁靜載荷實驗的方法來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)由試樁來確定，除了地基基礎(chǔ)為丙級的建筑外，均應(yīng)通過單樁靜載荷實驗的方法來確定單樁承載力特征值的大小。單樁靜載荷試驗，應(yīng)按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）附錄Q進行。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，當樁總數(shù)在50根以內(nèi)時，不得少于2根。 二、樁基礎(chǔ)設(shè)計的方法 1. 選擇合理的樁型。這是個很重要的環(huán)節(jié)，合理的樁型選擇將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。首先，要了解各種樁型的特點，拿常用的鉆孔灌注樁和

6、管樁比較如下： 管樁的優(yōu)點：造價低，因為其是批量生產(chǎn)的，且是空心樁，配筋率低；施工速度快，工期短，經(jīng)濟效益明顯；相同條件下，管樁的承載力高于灌注樁，這點從地質(zhì)勘察報告書中看的很清楚；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)場偷工減料的弊端；場地干凈，不需要排漿處理。管樁的缺點：管樁是擠土樁或半擠土樁，擠土效應(yīng)會擾動周圍土體結(jié)構(gòu)，造成周圍房屋、市政設(shè)施受損，還會引起樁位偏差，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，往往是樁長短，持力層不理想，導(dǎo)致大沉降，且不經(jīng)濟；抗拔能力管樁差，管樁只是樁頭做樁帽的短筋錨入承臺，而灌注樁直接是樁身鋼筋錨入承臺，且管樁是多節(jié)的，所以在一

7、些體積相對較大，高度相對較高，但質(zhì)量相對較輕的建筑物設(shè)計中不宜考慮，比如在一些體育場館中的設(shè)計就不宜設(shè)計，在一些高層超高層的設(shè)計中也不宜考慮管樁。熟悉各種樁型的特點，選擇最適宜的樁型，不僅保證了工程的質(zhì)量，而且經(jīng)濟效益明顯。 2. 樁長、樁徑選取 樁徑與樁長的設(shè)計即基樁的外部尺寸的設(shè)計，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、樁的長徑比、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經(jīng)濟，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，對于摩擦樁，有時樁底持力層可能有多種選擇，此時確定樁長與樁數(shù)兩者相互牽連，遇此情況，可通過試

8、算比較，選用較合理的樁長。摩擦樁的樁長不應(yīng)擬定太短，一般不宜小于4m。因為樁長過短則達不到設(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、擴大了承臺尺寸。也影響施工的進度。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)計算出的單樁豎向承載力特征值，先估算承臺下樁數(shù)，其數(shù)量是否合適，尚待驗算各樁的受力狀況后驗證確定，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題。一般情況下，樁基水平承載力是由基樁的材料強度所控制，可由基樁的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計(如鋼筋混凝土樁的配筋設(shè)計與截面強度驗算)來

9、滿足。此外，樁數(shù)的確定與承臺尺寸、樁長和樁的間距的確定相關(guān)連，確定時應(yīng)綜合考慮。 3. 基樁的布置 基樁的布置是樁基概念設(shè)計的主要內(nèi)涵，是合理設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計的主要環(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)合承臺的構(gòu)造要求布置樁，使得承臺面積最小 2）考慮力系的最優(yōu)平衡狀態(tài)。樁群承載力合力點宜與豎向永久荷載合力作用點重合，以減少荷載偏心的負面效應(yīng)。當樁基受水平力時，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。為改善承臺的受力狀態(tài)，特別是

10、降低承臺的整體彎矩、沖切力和剪切力，宜將樁布置于墻下和梁下，并適當弱化外圍。 4）樁端持力層選擇和進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)確保樁端進入持力層的深度，有效發(fā)揮其承載力。進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)生問題原因分析 1. 單樁承載力不滿足設(shè)計要求 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，在沉樁過程中樁端處部分土體能夠進入到管樁內(nèi)部，實測資料表明，一般黏性土中施工管樁土芯長度能夠達到樁長的13，即稱“土

11、塞效應(yīng)”，樁體排開的土體不可能全部進入管樁腔內(nèi)或被壓縮，擠土作用也是非常明顯的。由于擠±效用必然會造成表層土體的上浮，對于長樁(一般超過20m)由于樁下部進人硬土層較深，發(fā)揮嵌固作用，樁體的上浮不明顯；而對于短樁，由于未進人深部硬土層，樁體隨著淺層土體的上浮而上浮，工程實倒表明短樁比長樁更易發(fā)生樁體上浮事故。由于樁體的上浮必然會造成試樁過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程中必然會造成樁周和樁端一定范圍內(nèi)的土體的擾動，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。實測資料表明樁施工完2個月后，樁側(cè)阻和端端阻

12、應(yīng)均有增加趨勢。為了獲得較高承載力一般樁施工完成后要聞歇一定時間再檢驗承載力，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)計規(guī)范(GB 50007-2002)均規(guī)定了預(yù)制樁承載力檢測間歇期，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)點是樁身強度高，為充分發(fā)揮管樁優(yōu)勢，一般選擇較硬土層作為樁端持力層，不合理或取樣間距過大，對持力層的起伏未查清，使得樁施工時已達設(shè)計樁長，很明顯未達到要求的持力層，不能滿足設(shè)計要求的貫入度。 2. 樁位偏差過大 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工過程中應(yīng)嚴格控制樁的偏位，如果樁偏位過大，超過規(guī)范

13、規(guī)定限值，設(shè)計變更加大承臺剛度及其配筋，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)濟損失。產(chǎn)生樁位偏差過大原因主要有： 樁過密產(chǎn)生擠土效應(yīng)。密集群樁施工過程中很容易產(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)測樁位的方法來避免樁產(chǎn)生偏位。 場地土質(zhì)軟，大靜壓機陷機。一般超過400t靜壓樁機施工預(yù)應(yīng)力管樁，對場地表層土的強度有一定要求，如果表層土軟，未進行處理，大靜壓機行走過程中容易發(fā)生陷機，可能將已施工的樁壓偏。為避免造成樁偏位，樁施工前應(yīng)對場地表層土進行處理，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大。如果基坑開挖采取放坡方式或柔性樁支護方式，將產(chǎn)生較大的水平位移，土體的位移必然帶動基坑內(nèi)樁產(chǎn)生位移。 3. 樁身質(zhì)量監(jiān)測有、類樁 根據(jù)建設(shè)單位提供的樁身質(zhì)量監(jiān)測報告結(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)計處理，很可能需要補樁。出現(xiàn)這種問題的原因主要有： 樁接頭破壞。管樁的樁長一般較長，接頭多，接頭部位采用焊接，因施工時焊接質(zhì)量差容易在焊口處脫開，造成破壞。 樁頭部位碎裂。樁