PHC管桩在地震高烈度区房建工程的应用与研究

2013-07-16汤红梅

山西建筑 2013年5期

汤红梅

(中铁十一局集团建筑安装工程有限公司，湖北襄阳 441057)

0 引言

预应力混凝土管桩是从20世纪80年代末在我国开始应用较多的一种预制桩型。由于该桩型具有工艺简单、单桩承载力高、质量可靠、施工速度快、检测方便等优点，因而在工程中得到了相当广泛的应用［1，2］。同时由于桩材本身混凝土强度高、轴向有预压应力、桩抗弯性能好、驳接方法为两端刚性较好的钢材对焊，接口处强度大于桩身强度，因此，预应力混凝土管桩被认为是抗震型桩材。

昆明地区的高层建筑多以桩基作为基础形式，对于地震烈度为8度的昆明地区的PHC管桩的应用，国家相关标准没有明确规定，只是在有的图集中提到当管桩在抗震设防烈度为7度以上的地区时，需进行抗震验算［3］。

正因为PHC管桩属于抗震型桩材，其在昆明房建基础的应用非常广阔。经调查分析，PHC管桩的使用在桩基中的比例大概在8%左右，说明PHC管桩基础在昆明房建工程中具有非常大的应用空间。

1 工程概况

昆明市西北片区保障性住房项目位于昆明市筇王路与西三环交叉位置。本工程17号～19号，21号住宅楼地上34层、地下3层，高度98.5 m;20-1号住宅楼地上33层，地下 2层，高度86.15 m;20-2号住宅楼地上25层、地下2层，高度77.75 m;整体停车库为地下2层。本工程为框架—剪力墙结构，抗震等级为一、二级，结构主体基础采用高强度预应力管桩(管)A型，桩径500 mm，壁厚为125 mm，桩身混凝土强度不低于C80，单桩竖向承载力特征值大于2 100 kN。

2 工程地质及水文地质

本工程位于昆明市西北边，属于滇池湖积盆地沉积地貌。场地大部分地段经过人工回填，局部经过整平，建设场地总体上场地地形相对较平缓、开阔，场地整体上由北向南倾斜，场地钻孔孔口标高介于 1 904.50 m ～1 916.68 m，高差12.18 m。

①1杂填土:主要由褐红色、灰黄色的粘性土以及碎石、砖块组成，结构松散，稍湿。一般厚度为0.60 m～7.20 m，层厚变化比较大。

①2耕土:主要由灰色、褐黄色粘性土及其少量植物根系组成，结构松散，湿。一般厚度为0.40 m～1.20 m。

②粉质黏土:褐黄色、浅黄色，可塑～硬塑状，稍湿～湿，局部含少量砾石，干强度及韧性中等。一般厚度为0.50 m～6.30 m。

③含砾粉质黏土:褐黄色、浅黄色，可塑状态为主，局部软塑状态，含砾石约15%～20%，砾石粒径0.5 cm～3 cm，大者5 cm，亚圆形为主;干强度及韧性中等。一般厚度为5.10 m～17.20 m。

⑧泥质粉砂岩:褐红、褐黄色、灰白色，砂泥质结构，薄层状构造，岩质较软。一般揭露厚度为1.50 m～13.30 m。

3 地震高烈度区管桩的施工控制

从相关单位做的管桩实体抗剪试验及管桩在云南应用的实例来看，管桩桩身的抗剪强度满足抗震要求。但地震时，作用在管桩桩基础上的外力受许多不确定因素的影响，管桩的内力分布及变形也是相当复杂的，因此，本工程管桩应用时，从以下几个方面进行加强。

3.1 增加桩身钢筋构造

就管桩桩身来说，其抗剪强度与管桩的混凝土强度、混凝土强度的预压应力、纵向钢筋的性能、螺旋箍筋的配筋率等有关。我国的管桩相关规范标准中对钢筋构造做出相关规定，但对地震高烈度区的规定并不详细。

根据相关研究［4］，地震时由于管桩在承台附近的剪力、轴力、弯矩均最大，因此，管桩在地震区应用时加强管桩的螺旋配筋，尤其是最上一节管桩上部的螺旋配筋对提高管桩的抗震性能非常有利。

因此本工程增配管桩的螺旋箍筋及采用高均匀延伸率的预应力纵向筋。

3.2 加强桩端与地下室底板的连接构造

对于房建工程，地震时作用在上部结构上的水平及竖向地震作用最终是通过地梁或板、地下室传给桩基。因此加强地下室与管桩的连接，增强整个结构的整体性和整体刚度，能提高单桩的抗震能力。

3.3 严格控制桩顶周围土体的回填质量

因管桩环形截面的最大剪应力要比实心圆桩的大很多，即空心管桩的抗剪能力低于实心圆桩。因此，将最上节管桩的管孔部分填实，对上部结构的地震力向桩基传播中起到结构刚度渐变而达到结构整体抗震性能的渐变效果。

管桩为挤土摩擦桩，密实土体除了本身承载部分地震水平力外，同时能够限制桩身的侧向变形。当水平荷载加大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递。

从有关的试桩情况来看，桩土变形主要在桩的上部，因此认真做好承台周围填土的夯实工作，有利于提高管桩的抗震能力。

4 管桩的施工工艺

4.1 桩机的选择

因单桩设计承载力特征值为2 100 kN，因此管桩终压力控制为特征值的 2.0倍～2.4倍，本工程选用两台静力压桩机(ZYC700B-B型、ZYC700BD-B型)，并准备足够的配重铁。

4.2 工艺流程

管桩的施工技术包括压桩、接桩、送桩、终压、截桩。其施工工艺流程一般包括:对管桩桩位进行测量以便准确定位，选配适宜桩机并安装就绪，吊管桩，对中，焊接管桩的桩尖并压第一节管桩，重复焊接接桩并压下一节管桩，最后完成全部的终压截桩。具体如图1所示。

图1 PHC管桩施工工艺流程

4.3 施工质量控制

静压管桩的应用发展较快、使用较多，施工工艺比较成熟，但施工中还是遇到很多问题，需引起重视并采取合理措施加以防范及处理，具体为:

1)严格控制“爆桩”。其主要原因为:桩身质量缺陷如尺寸不规范、强度达不到要求或养护期不够等;地质问题如场地回填土存在大块建筑垃圾等;施工不规范如压桩力超过桩身极限承载力等。施工应对措施:加强对进场管桩的检查验收;对层厚大、密实度高的砂层，可采取锤击、封闭桩尖、增加桩机吨位、原位引孔等措施;加强安全文明施工教育等。

2)严格控制横向位移或桩身上浮。主要原因为:桩遇到大块坚硬障碍物，把桩尖挤向一侧。两节桩或多节桩施工时，相接的两桩不在同一轴线上，产生弯曲;桩间距较小，在沉桩时土被挤到极限密实度而向上隆起，相邻的桩被浮起。施工应对措施:施工前应对桩位下的障碍物进行清理，对桩构件要进行检查;接桩时要保证上下两节桩在同一轴线上;规划好施工线路等。

3)控制管桩终压。黏土层和砂土中管桩施工时，从各自的压桩阻力曲线分析，静压桩的终压力与极限承载力是不同的，施工前需试桩来确定技术参数。

4)控制挤土效应。静压桩施工时桩周土体结构受到扰动，产生挤土效应，施工时间控制不当易造成土体固结。通过控制布桩密度，控制沉桩速率，设置土体的排水措施，加强周边建筑物的监测，控制施工停歇时间等来控制施工质量。

5)控制管桩的剪切破坏。其主要破坏原因为:成桩后桩周受力环境变化产生的剪应力超过管桩承受范围。如单侧超载引起的侧向剪切破坏，地下水位常年波动变化产生的渗流力破坏等，施工土体扰动时的土的侧向流动冲击力等。主要通过控制堆载、地下水的流动及地下水携带土体流动来控制桩的剪切破坏。

5 现场试桩试验

本工程在正式施工前进行了试桩试验，在桩基施工区域采用静压法施工试桩6根，进行单桩静载荷试验，以便测定静压法送桩的压力。根据静载试验结果对设计进行验证，必要时调整桩基设计［5-7］。

5.1 试验介绍

单桩静载荷试验，按规范采用堆载慢速维持荷载法(见图2)，将总荷载分级加到单桩上，同时观测分级荷载作用下的桩体沉降量，绘制静载荷荷载—沉降曲线(Q—s)、沉降—时间对数曲线(s—lgt)，确定单桩承载力特征值。

图2 堆载法试验示意图

试桩静载荷试验使用JCQ-503全自动静力试桩测试系统，最大加荷值至7 700 kN，第一级预压，第二级正式加载。

5.2 试验结果

因试验结束后，实验桩还将作为工程桩使用，所以试验加载未达到极限破坏，达到设计单桩极限承载力标准值即停止加载，检测结果对比见表1。

表1 试验检测结果对比表

5.3 试验成果分析

根据国内外各专家学者的研究成果，结合昆明地区静压管桩的实例应用，经过详细对比分析各计算数据及检测成果，得出如下认识:

1)根据JGJ 106-2003［6］中相关规定，当出现下列情况之一时，可终止加载:a.某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。注:当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40 mm时，宜加载至桩顶总沉降量超过40 mm。b.某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定标准。c.已达到设计要求的最大加载量。

2)经过实测静压沉桩全过程，静压桩力随着管桩入土深度及进入土层的性质、厚度而实时变化，静压桩力并不是随着入土深度而逐步增加，而是根据各土层性质而不断实时变化，在穿透硬土夹层时，静压桩力不断增加，由此可见，选择合适的桩端持力层非常重要，该持力层不但要求承载力较高，而且要求保证一定的厚度。

3)静压沉桩终压力和管桩设计承载力极限值是不同的概念，但也存在一定的关系。本工程桩端进入粉质黏土层时，桩的终压力是单桩极限承载力的1.13倍～1.36倍。当桩端不能通过较坚硬的夹层时，如泥质粉砂岩，其终压力是单桩承载力的1.6倍～1.8 倍。

4)在实际施工中，由于土层中的坚硬夹层或较厚砂层对静压施工非常不利，一旦不能穿越夹层就将造成废桩。地质土层的不均匀，部分管桩进入持力砂层的深度较大，采用静压和锤击均无法达到设计标高，造成了截桩现象，这需要在管桩设计中给予重视，桩长和进入持力层深度需结合地质土层情况综合确定，以达到最佳的经济效果。