预应力混凝土管桩在高层建筑中的应用

     摘  要：阐述预应力混凝土管桩及其特点，说明预应力混凝土管桩是高层建筑中一种较好的桩基础之一，分析预应力混凝土管桩基础设计、施工的有关要求。
    关键词：预应力混凝土管桩  优缺点  设计  施工

    1 预应力混凝土管桩的概述
    预应力混凝土管桩是近二十年来发展起来的一种新型的桩基形式，是采用高强混凝土和高强度的预应力混凝土用钢棒，在工厂用离心法和预应力预制而成。预应力混凝土管桩包括高强预应力混凝土管桩（代号PHC），预应力混凝土管桩（代号PC），预应力混凝土薄壁管桩（代号PTC）。预应力混凝土管桩按外经分为300mm、400mm、500mm、550mm、600mm、800mm和1000mm等规格。建筑中应用最广泛的为高强预应力混凝土管桩，预应力混凝土薄壁管桩仅能用于临时建筑。常用的管桩外经为300mm、400mm、500mm、600mm等规格。预应力混凝土管桩按桩身混凝土有效预压应力值分为A型、AB型、B型和C型，各种型号管桩均有其相应的抗弯性能指标。

    2 预应力混凝土管桩的优缺点
    2.1 实践证明，预应力混凝土管桩有如下优点
    2.1.1 单桩承载力高
    预应力混凝土管桩桩身混凝土强度高，尤其是高强预应力混凝土管桩，桩身混凝土强度可高达80Mpa，并可打入密实的沙层及强风化岩层，由于挤压作用，管桩承载力要比同样直径的沉管灌注桩或钻孔灌注桩高。
    2.1.2 抗弯抗裂性好
    采用高强度钢棒和预应力工艺，与普通混凝土预制桩相比具有较强的抗裂性和较强的抗弯性刚度，在运输吊装过程中及施打过程中均能保持桩身完好。
    2.1.3 符合环保要求
    运输吊装方便，接桩快捷，施工现场整洁文明。
    2.1.4 成桩质量可靠，施工速度快，工效高，工期短。
    缩短工期是预应混凝土管桩的最大优势，预应力混凝土管桩不需要等待28天龄期，成桩后即可作桩基检测。
    2.1.5 适应性广
    可用于工业与民用建筑工程基础，大型设备基础，桥梁和码头的基础及挡土墙等，尤其是其桩身混凝土强度高，对各种地质地层有较强的穿透能力。
    2.1.6 单位承载力造价便宜，经济效益好。
    因预应力混凝土管桩单桩承载力比同直径的沉管灌注桩和钻孔灌注桩高，并可拼接，管桩长度与沉管灌注桩和人工挖孔桩相比受施工机械和地质条件的限制较少。衡量桩基的经济效益，以每米造价或以单方混凝土造价对比都是不科学的，应以单位承载力（每吨或每千牛）的造价作对比。虽然预应力混凝土管桩每米造价比沉管灌注桩高，但其单桩承载力高，结果每吨承载力造价比沉管灌注桩经济，虽然预应力混凝土管桩单方混凝土造价比人工挖孔桩和钻孔灌注桩高，但每吨承载力的造价在正常情况下还是比人工挖孔桩和钻孔灌注桩便宜。
    2.2 预应力混凝土管桩也有它的缺点和局限性
    2.2.1 采用锤击法施工，包括简式柴油锤、液压锤、高频锤等，都伴有震动剧烈或噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响。采用静压法施工，无震动、无噪音，但挤土作用依然存在。
    2.2.2 有些工程地质条件不适合使用预应力混凝土管桩，如含孤石或障碍物较多且不易清除的土层；桩端以上存在难以穿透的坚硬隔层的地区；石灰岩地区；硬质岩残积土及强风化层很薄且其上为松软土层的地区。

    3.预应力混凝土管桩的发展
    预应力混凝土管桩虽然有许多优点和长处，但在八十年代末以前推广步伐较慢，一方面是工艺技术条件收到限制，同时也有社会经济体质等诸多因素，造成预应力混凝土管桩发展较慢。八十年代末直到九十年代，才在我国华东、华南特别是广东地区由于受到港澳地区应用预应力混凝土管桩的影响，预应力混凝土管桩得到迅速发展。九十年代末到现阶段，预应力混凝土管桩在国内各省均得到迅速推广。
    随着人们近二十年来的工程实践，不断总结、积累预应力混凝土管桩使用中的丰富经验，解决了预应力混凝土管桩的许多工艺技术等问题，如接桩和截桩等问题，便得预应力混凝土管桩的使用技术越来越成熟。
    今天，随着社会经济建设突出猛进的发展，经济体制的改革，经济观念的更新，预应力混凝土管桩特别是高强预应力混凝土管桩广泛应用于工业与民用建筑、铁路、公路、码头、港口等工程建设中。从国内各省的应用情况来看，以工业与民用建筑用量最大。预应力混凝土管桩既适用于多层建筑，也适用于高层建筑。特别是近些年来，全国各地高楼大厦的建设如雨后春笋，高强预应力混凝土管桩更是在10层到30层高层建筑中得到大量应用，倍受业主方的青眯。目前，高强预应力混凝土管桩已经成为10层到30层高层建筑的常用桩基础之一。

    4、预应力混凝土管桩基础的设计
    4.1 分析预应力混凝土管桩的适用性
    设计方要根据工程的岩土工程详细勘察报告，判断地质情况是否适合采用预应力混凝土管桩。考虑采用预应力混凝土管桩时沉桩振动、噪音及挤土效应对周边环境的影响等因素，确定预应力混凝土管桩的适用性。
    4.2 预应力混凝土管桩基础的一般规定
    设计人员要根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体形的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常适用的程度，将桩基设计按规范的有关规定确定合理的设计等级。
    预应力混凝土管桩基础应按规范的有关规定进行承载能力和稳定性计算。预应力混凝土管桩作为抗拔桩使用时，应满足规范的有关规定。抗拔预应力混凝土管桩宜采用AB型、B型或C型PHC桩或PC桩。侵蚀性环境中采用预应力混凝土桩作抗拔桩时，应采用闭口桩尖，且桩全长灌芯，抗拔钢筋通长设置。
    预应力混凝土管桩基础应合理选用管桩的最小中心距。管桩间距大小会影响管桩的承载力。预应力混凝土管桩的最小中心距应符合规范的有关规定。国内有些省市发布了预应力管桩混凝土管桩基础的地方标准，对预应力混凝土管桩的制作、设计、施工作了很详细很有经验的规定。其中管桩的最小中心距也作了相应规定。目前，在高层建筑中，大面积的预应力混凝土管桩群被广泛应用，打桩引起的土体上涌现象很明显，沉桩中挤土效应对邻近桩承载力及桩身结构的影响的因素，不能忽视，群桩的桩距应大于少桩的桩距。有些地方规程中规定少桩时管桩的最小中心距为3.5D，群桩时为4.0D，摩擦桩为4.5D，我个人认为这是有实践经验的，也是很有必要的。桩最小中心距加大虽然导致承台面积增大，配筋增加，但实际设计中，综合各种因素考虑预应力混凝土管桩的最小中心距合理采用最小中心距是设计人员不能忽视的。
    预应力混凝土管桩与承台的连接应符合规范的有关规定。受压预应力混凝土管桩与承台连接采用插筋时，插入管桩顶填芯混凝土长度不宜少于1.2M，宜采用热轧带肋钢筋作连接钢筋，配筋率按桩外径实心截面计算不应小于0.6%。钢筋锚入承台内的长度应满足GB50010中钢筋锚固长度的要求。填芯采用补偿收缩混凝土，强度等级不应低于C30且不应低于承台和承台梁的混凝土强度等级。
    预应力混凝土管桩的接头数应符合规范的有关规定。不宜利用截桩余下的部分作接长使用。预应力混凝土管桩上下节拼接可采用端板焊接连接、法兰连接或机械接头连接，接头应确保管桩内纵向钢筋与端板能有效传力，接头连接强度应大于管桩桩身强度。
    预应力混凝土管桩接桩处理时，受压桩接桩时外包混凝土应延伸至桩顶以下一倍桩经且不小于0.5m，混凝土强度等级应经计算确定且不应低于C30，外包混凝土外径不得小于桩径加300mm，外包混凝土纵向钢筋配筋率不宜小于0.6%，箍筋可采用中8@100mm。除采取上述措施外，管桩内孔尚应采用强度等级不低于C30混凝土灌芯，灌芯深度不小于1.2m（自接桩处算起），配筋及构造应符合有关标准的要求。对于抗拔桩及受水平力较大的预应力混凝土管桩，接桩时应进行专门的计算。
    预应力混凝土管桩基础基抗挖土应分层进行，高差不应过大，软土地区的基抗开挖，应采用小型机械配合人工分层均衡进行，高差不应超过1.0m。
    4.3 桩尖的选择
    预应力混凝土管桩桩尖应根据场区地层和布桩情况设置，可采用闭口型或开口型桩尖。当桩端位于饱和砂类土或遇水易软化的土层时，以及桩具有抗拔功能时，应选用闭口桩尖，且在桩端浇注1.2m厚度以上的补偿收缩混凝土或中粗砂拌制的水泥砂浆，混凝土强度等级不宜低于C20，水泥砂浆强度等级不宜低于M15。闭口型桩尖分为平底型、平底十字型及锥形等，视沉桩需穿过的土层性质、打（压）桩力的大小而选用合适的桩尖。桩尖钢板厚度不宜小于16mm，且应满足沉桩过程对桩尖的刚度和强度要求。
    4.4 预应力混凝土管桩的承载力
    预应力混凝土管桩的承载力由桩身结构竖向承载力设计值和单桩承载力特征值决定。其中桩身结构竖向承载力设计值可以查国家建筑标准设计图集03SG409确定。预应力混凝土管桩的单桩竖向抗压或抗拔承载力特征值在初步设计时，根据岩石工程勘察报告，土的物理指标与承载力参数之间的经验关系估算，再结合规范有关参数及本地区经验综合选定。完成管桩的单桩竖向承载力特征值的选定后，设计人员必须仔细根据国标图集03SG409中各种规格桩的相关参数选用合理规格桩及桩型。选定桩型后进行工程桩施工之前的试桩，根据试桩的单桩竖向静载荷试验确定单桩竖向抗压承载力特征值或单桩竖向抗拔承载力特征值。工程桩不得用作抗拔静载荷试验的试桩。工程桩施工后，单桩竖向承力特征值最终以单桩竖向静载荷试验为准。
    当工程地质情况较好的情况下，单桩竖向载力特征值往往可以达到预应力混凝土管桩桩身结构竖向承载力，也就是说单桩竖向承载特征值在工程地质情况较好的情况下，通常根据预应力混凝土管桩桩身结构竖向承载力来确定，在实际设计中，为了充分发挥预应力混凝土管桩桩身结构竖向承载力的作用和取得较好的经济效益指标，一般也是这样设计的。

    5．预应力混凝土管桩的施工
    5.1 施工机具
    根据设计文件、岩土工程勘察报告、施工场地周边环境情况，选择适宜的沉桩机械。对采用锤击法施工，打桩锤宜选用简式柴油锤、液压锤、高频锤，不宜采用自由落锤打桩机，根据单桩竖向承载力，桩的规格，入土深度等因素，并遵循重锤低击的原则综合考虑后选用。采用静压法沉桩时，静压桩机宜选用液压式桩机。可选用顶压式或抱压式，桩机的型号，最大压桩力必须满足桩身力学参数和设计要求。桩机总量不小于最大压桩力的1.2倍（不含静压桩机大履和小履的重量）。PTC桩不宜采用抱压式沉桩。
   5.2 沉桩
   预应力混凝土管桩沉桩过程中，沉桩顺序综合考虑下列原则：宜从中间向四周进行；按桩的入土深度，宜先深后浅；按管桩的规格，宜先大后小；按高层建筑塔楼与裙房的关系，宜先高后低。桩间距较密时宜采用跳打。
沉桩时，管桩的倾斜率应严格控制，第一节管桩起吊就位插入地面时的倾斜率不得大于0.5%。静压法施工沉桩速度不宜大于2m/min。沉桩时宜将每根桩一次性连续施工到底，尽量减少中间停歇时间，避免在接近设计深度时进行接桩。对采用闭口桩尖的管桩，当第一节桩插入土层后应及时在管桩内孔灌注符合规范有关要求的混凝土或水泥砂浆。
    5.3 接桩
    工程中应根据试桩的沉桩试验及地层结构合理配置桩段，尽量减少接桩。接桩工艺及质量是预应力混凝土管桩质量的控制因素之一。一根桩的接头数应符合规范的有关规定。接桩可采用端板焊接连接、法兰连接或机械头连接。接头连接强度应大于管桩桩身强度。当管桩需要接桩时，其入土部分桩段的桩头宜高出地0.5-1.0m。
    焊接接桩应符合现行标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81，《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205中二级焊缝有关规定。焊缝层数不得小于两层，内层焊渣必须清理干净后方能施焊外层；焊缝应饱满连续，焊好的桩接头应自然冷却后才可继续施工，自然冷却时间不应少于1min；不得用水冷却或焊完即施工。桩身接头焊接外露部分宜作防锈处理。
    5.4 送桩
    当桩顶沉至接近地面需要送桩时，应测出桩的垂直度并检查桩顶质量，合格后立即送桩。锤击沉桩的最后贯入度应参考同一条件下的桩不送桩时的最后贯入度予以修正；静压沉桩到达预定油压值后的稳压时间不少于3min，稳压时如油压值上升，可以停止沉桩。
    送桩深度应符合规范有关规定，送桩超深时，应采取有效的技师措施。
    5.5 截桩
    管桩顶高于桩顶设计标高，需要截桩时。截桩宜采用锯桩器，严禁采用大锤横向敲击截桩或强行扳拉截桩。应确保截桩后管桩的质量。截桩时应保留桩身全部预应力钢筋，预应力钢筋可以斜线形或斜折线形埋入承台内，锚入承台内的锚固长度应符合规范的有关规定，桩头的锚固构造应符合规范的有关要求。

    6.检验与检测
    预应力混凝土管桩运到工地后，应进行管桩的规格，型号、质量的全面检查，并应符合有关标准的规定。工程桩施工前，应按规范的有关规定进行单桩竖向静载荷试验，并实压至破坏，试桩数量应符合规范有关规定。工程桩应进行桩位的验收检测。桩位偏差应符合规范有关规定。工程桩应进行单桩竖向抗压承载力的验收检验，其检验应符合规范的有关规定。工程桩应进行桩身完整性的验收检测，其检测方法及数量应符合规范有关规定。

    7.结语
    通过近二十年来预应力混凝土管桩在高层建筑中的应用证明，采用预应力混凝土管桩可以大幅度缩短施工工期，可以降低土建的工程费用。目前，预应力混凝土管桩工艺技术已经相当成熟。预应力混凝土管桩尤其是高强预应力混凝土管桩是高层建筑中一种较好的桩基础之一，可以给业主方带来良好的经济效益和社会效益，它将会有更新的发展。