复杂环境下预应力混凝土管桩的设计选用.pdf

2 0 1 1 年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01l N0 5 Ma v 复杂环境下预应力混凝土管桩的设计选用 周 军文， 鲁 良辉 ( 常州工学院土木与建筑工程学院 ， 2 1 3 0 0 2 ) 摘要 ： 介 绍了预应 力混凝 土管桩 的分类 ， 根据 不同的地 质条件 和管桩的 实际受力特 点 ， 对桩 身进行 了详 细的 受力分析， 提 出可靠的选桩依据 。 关键词 ： 水平 力； 预 应力混凝 土管桩 ； 设 计选 用 Ab s t r a c t ： T h e c l a s s i fi c a t i 0 n o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e s i s i n t r o d u c e d ． Ac c o r d i n g t o d i f f e r e n t g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s i n a c t u a l 0 f p i l e s ，t h e d e t a i l s t r e s s a n a l y s i s o n t h e p i l e b o d y i s c a r r i e d o u t ， a n d a r e l i a b l e b a s i s f o r s e l e c t i n g p i l e s i s pr o po s e d． Ke y wo r d s： Ho r i z o n t a l f o r c e ； P r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e s ； De s i g n a n d S e l e c t i o n 中图 分 类 号 ： TU5 2 5 文 献标 识码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7( 2 01 1) 0 5 - 2 9 - 0 2 0前 言 预应力混凝土管桩具有施工进度快 、 干作业 、 噪 音低 、 造价省等众多特点 ， 故在地质条件允许及抗 震烈度小于 7度的地 区， 目前大多数工程优先选择 采用预应力混凝土管桩Ⅲ 。但是在很多设计过程中， 由于没有充分考虑地质条件和施工工艺的要求 ， 使 得使用预应力混凝土管桩存在失误 ， 出现 了很多的 质量事故。 1 预 应 力混凝 土管桩 的分 类和特 点 先 张 法预 应力 混凝 土 管 桩( 简 称 预应 力 管桩 ) 是空心圆柱形构件 ， 按其桩身混凝土强度等级可分 为预 应 力混凝 土管 桩 ( P C桩 ) 和 预应 力 高 强混 凝 土 管 桩 ( P HC桩 ) 。前 者 混 凝 土强 度 不低 于 C 6 0 ， 后 者 混 凝 土 强度 不 低 于 C 8 0 。管 桩 的外 径 一 般 为 3 0 0 - 1 0 0 0 m m， 桩壁 厚度 为 7 0 ～ 1 3 0 m m。视桩 径 、 设 计承 载 力大 小 而不 同 ， 一般 随着 桩 径增 加 ， 壁 厚 也会 增 加 。 预 应 力混 凝 土 管 桩 桩 型 按 桩 身混 凝 土有 效 预 应 力 值 的大 小 ，又 可 以依 次 分 为 A 型 、 A B型 、 B型和 C ( 使用较少 ， 一般不作介绍) 型， C型管桩 的有效预应 力值最大 。根据设计和施工经验 ， 预应力管桩适宜 用在基岩埋藏较深、 桩端持力层较厚 的强风化岩或 全 风化 岩 、 坚硬 黏 性土 层 、 密 实碎 石 层 、 沙 土 和粉 土 场 地 。对 于土 层 中含有 较 多难 以清 除 的孤 石 、 障 碍 物 ， 含有 不适 宜 做持 力 层 且管 桩 又难 以贯 穿 的坚 硬 夹层 ， 管桩难以贯入的岩面上无适合作桩端持力层 的土层 ， 持力层较薄且持力层的上覆土层较松软等 情况 下则不 适宜 使用 预应力 管桩 。除上 述几 种主要 管桩 以外 ， 还 有 一种 先 张法 薄壁 预 应 力混 凝 土 管桩 ( F F C桩 ) ， 其壁厚一般 为6 0 - 8 0 ra m， 桩外径为 3 5 0 ~ 6 0 0 m m， 混凝土强度不低于 C 6 0 ， 仅有 A型桩 ， 适用 于工业 与民用建筑物 、构筑物等的底 承台桩基础 ， 主要考 虑 承受 竖 向 压力 ， 抗 震 设 防烈 度 不超 过 7度 的地区， 一般认为 F F C桩是 P C桩的一种 ， 只是技术 指标低一点 ， 但在经济上比 P C桩更便宜[2 J 。 2 考虑水平力作用下管桩的设计选用 管 桩 在使 用 过程 中 ， 一 般 是 不考 虑 水 平荷 载作 用 的 。但 是在 实 际施 工 过程 中 ， 由于地 基 的不均 匀 开 挖 ， 或 者施 工 机械 的压 力 等 ， 都会 产 生 水平 力 ， 因 而对 管 桩 不利 。 在桩 基施 工 过程 中 ， 已施 工 完 的桩 受到两方面的作用 ， 一方面 ， 作用于土层上的施工 机械对土层产生压力 ， 并将压力传给已施工完的管 桩 ； 而且 ， 施工 中的桩 由于挤土效应 ， 对 已施工完的 桩产生压力 ，如图 1所示 ， A桩是正在施工的桩 ， B 桩是已施工完 的桩 ， q 。 为施工机械本身荷载对 B桩 产 生 的 压 力 ， q 为 由 于 A桩 挤 土 产 生 对 B桩 的 压 力 ； 另 一 方 面 ， A 桩在 施 工 的过 程 中 ， 周 围的 土体 会 产 生 隆起效 应 ， 因此 B桩靠 近 A桩 的一侧 受 到土体 向上 的拉 力 ， 在 拉 、 压 的双 向应力 状 态 下 ， B桩 很 容 易产生水平裂缝， 甚至是断裂。因此在设计时 ， 需要 考虑 施 工 时 的水平 荷 载对 管 桩 的影 响 ， 宜 选 用预 应 力较大的 A B型和 B型桩。 如福建厦门某工程 ， 为高 层结构 ， 设有一层地下室。为了考虑经济性 ， 采用 了 P HC A型桩 ， 桩基施工 完毕后 ， 经低应变动测 ， 部分 桩为 I、 Ⅱ类桩 ， 但在挖土施工时采用一侧开挖至 基 坑 底 部 ， 全 部 开 挖 完 工 后 检 测 发 现 Ⅲ 、 Ⅳ类 桩 达 到 3 0 ％P 1 。 一 29 — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 5期 混凝土与水泥制 品 总第 1 8 1 期 桩 端 持 力层 图 1 管桩施工受力分析 3底部有较厚坚硬隔层时管桩的设计选用 所 谓 隔层 ， 有 些 是 极 密 实 的砂 层 ， 有 些 是 密 实 的卵石层 ， 当地基土层中存在有较厚 而密实的砂隔 层 时 ， 管 桩一 般 很难 穿 透此 层 ， 因此 ， 需 采 用加 大 压 桩 力 的方 法进 行 压桩 。一方 面 ， 管 桩底 部 处在 隔 层 面上 ， 上面用压桩机 固定 ， 其受力分析如图 2所示 ， 当压桩力越大 ，由管桩弯曲而产生的附加偏心距 e 就越大 ， 管桩承受 的弯矩越大 ， 使得管壁受拉而产 生横向裂缝 ； 另一方面 ， 因为加大了压桩力 ， 甚至达 到其极限强度 ， 易造成桩身破碎 。因此 ， 设计时宜选 用 P HC桩 ， 选 用 A B型 和 B型桩 ， 且 为大 直 径 厚壁 的管桩 ， 而不 宜采用 P C桩 或 P T C桩 。 这样 既可 以提 高桩身的强度 ， 又可以减少桩身的弯 曲。如苏州某 工程 ， 设计时为了节省投资 ， 设计 了 0 3 0 0 m m的小 口径 P C桩 ， 分为三节桩 ， 需要穿透一层密实但厚薄 不 均 的粉 砂 层 ， 沉 桩 时压 力 不 均 匀 ， 部 分 压 力 达 到 了其结构强度的极限值 ，使部分管桩桩身上部碎 裂 ， 最后只能大量补桩从而造成了经济损失。 一 3O— P P 硬隔层 图 2 管 桩计算简 图 4考虑拉 力 的抗拔桩 设计 选用 在江浙沿海一带 ， 由于是 冲击平原 ， 陆地 的海 拔高度比较低 ，而且设计洪水水位相对 比较高 ， 在 设计单层地下车库时 ， 必须用抗拔桩来抵抗水 的浮 力 。 由于此 时 只考虑桩 的抗拉 作用 ， 因此 ， 在设计 抗 拔 桩 时 ， 一 方 面 要 考 虑 管桩 桩 身 的抗 裂 强度 ， 另 一 方面，要考虑管桩桩身受到土体作用的侧摩阻力 ， 管桩 设计 时须满 足下 列要求[ 2 - 3 1 ： Ⅳ≤M ∑A g 姒 + G ( 1 ) N~<o -p A o + 讥 A D ( 2 ) Ⅳ表示每个管桩承受的浮力 ， 表示桩身周长 ， A 表 示抗 拔 系数 ， 9 表示 管 桩第 i 层 土 的极 限侧 阻 力标准值 ， Z 表示管桩穿越第 i 层土的长度 ， C 表示 管桩 自重 ， 表示混凝 土的法向预压应力 表示 混凝土的抗拉强度标准值 ， A 管桩横截面面积， 受 拉 区混凝土塑性影响系数 ， T = 2 — 0 ． 4 D ／ D 2 ， 其中 D 、 分别 为 预应 力 管 桩 的 内径 和 外径 尺 寸 。由公 式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 可 知 ， 浮 力 产 生 的 拉 应 力 由管桩 的 预压 应 力 和混 凝 土的 抗拉 强度 共 同承 担 ，由于． 比较小 ， 而且提高． 值 比较 困难 ， 相对来说提高管桩的有效 预 应 力 就 比较 容 易 ， 所 以在设 计 抗 拔 桩 时 ， 一 般 选 用 预应力 较 大的 A B型或 B型管 桩 。 5结语 在 进行 预 应力 混凝 土 管桩 设 计 选用 时 ， 要 充分 了解 设计 场地 的地质 情 况和 管桩 的施 工 工艺 ， 选 择 桩型时 ， 除了满足竖 向承载力的要求外 ， 还必须 了 解 施 工过 程 中可 能产 生 的附加 外 力 ， 以及 附加 外力 对桩身可能产生的不利影响， 在满足安全性的条件 下 ， 充分考虑工程的经济性 。 参 考文 献 ： 【 1 】 吴学锋． 软土地基 中预应力混凝 土管桩的选用与施工【 J 】 ． 施 工技术 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ． 【 2 ] 徐至钧 ， 李智宇 ， 等． 预 应力混凝土 管桩设计施工 及应用 实例I J J ． 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】 J G J 9 4 — 2 0 0 8 ． 建筑桩基 技术规范【 s ] ． 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 】 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 2 ． 混凝土结构设计规 范【 S 】 ． 北京 ： 中国建筑 工 业 出 版社 ， 2 0 0 2 ． 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 — 0 2 — 2 1 作者简介 ： 周军文 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 讲师 。 通讯地址 ： 常州市通江南路 2 9 9号 联 系电话 ： 1 3 9 2 1 0 3 5 9 6 1 E - ma i l ： z h o u j w@c z u ．o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m