PHC管樁在地震高烈度區(qū)房建工程的應用與研究

湯紅梅

(中鐵十一局集團建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽 441057)

0 引言

預應力混凝土管樁是從20世紀80年代末在我國開始應用較多的一種預制樁型。由于該樁型具有工藝簡單、單樁承載力高、質量可靠、施工速度快、檢測方便等優(yōu)點，因而在工程中得到了相當廣泛的應用［1，2］。同時由于樁材本身混凝土強度高、軸向有預壓應力、樁抗彎性能好、駁接方法為兩端剛性較好的鋼材對焊，接口處強度大于樁身強度，因此，預應力混凝土管樁被認為是抗震型樁材。

昆明地區(qū)的高層建筑多以樁基作為基礎形式，對于地震烈度為8度的昆明地區(qū)的PHC管樁的應用，國家相關標準沒有明確規(guī)定，只是在有的圖集中提到當管樁在抗震設防烈度為7度以上的地區(qū)時，需進行抗震驗算［3］。

正因為PHC管樁屬于抗震型樁材，其在昆明房建基礎的應用非常廣闊。經(jīng)調(diào)查分析，PHC管樁的使用在樁基中的比例大概在8%左右，說明PHC管樁基礎在昆明房建工程中具有非常大的應用空間。

1 工程概況

昆明市西北片區(qū)保障性住房項目位于昆明市筇王路與西三環(huán)交叉位置。本工程17號～19號，21號住宅樓地上34層、地下3層，高度98.5 m;20-1號住宅樓地上33層，地下 2層，高度86.15 m;20-2號住宅樓地上25層、地下2層，高度77.75 m;整體停車庫為地下2層。本工程為框架—剪力墻結構，抗震等級為一、二級，結構主體基礎采用高強度預應力管樁(管)A型，樁徑500 mm，壁厚為125 mm，樁身混凝土強度不低于C80，單樁豎向承載力特征值大于2 100 kN。

2 工程地質及水文地質

本工程位于昆明市西北邊，屬于滇池湖積盆地沉積地貌。場地大部分地段經(jīng)過人工回填，局部經(jīng)過整平，建設場地總體上場地地形相對較平緩、開闊，場地整體上由北向南傾斜，場地鉆孔孔口標高介于 1 904.50 m ～1 916.68 m，高差12.18 m。

①1雜填土:主要由褐紅色、灰黃色的粘性土以及碎石、磚塊組成，結構松散，稍濕。一般厚度為0.60 m～7.20 m，層厚變化比較大。

①2耕土:主要由灰色、褐黃色粘性土及其少量植物根系組成，結構松散，濕。一般厚度為0.40 m～1.20 m。

②粉質黏土:褐黃色、淺黃色，可塑～硬塑狀，稍濕～濕，局部含少量礫石，干強度及韌性中等。一般厚度為0.50 m～6.30 m。

③含礫粉質黏土:褐黃色、淺黃色，可塑狀態(tài)為主，局部軟塑狀態(tài)，含礫石約15%～20%，礫石粒徑0.5 cm～3 cm，大者5 cm，亞圓形為主;干強度及韌性中等。一般厚度為5.10 m～17.20 m。

⑧泥質粉砂巖:褐紅、褐黃色、灰白色，砂泥質結構，薄層狀構造，巖質較軟。一般揭露厚度為1.50 m～13.30 m。

3 地震高烈度區(qū)管樁的施工控制

從相關單位做的管樁實體抗剪試驗及管樁在云南應用的實例來看，管樁樁身的抗剪強度滿足抗震要求。但地震時，作用在管樁樁基礎上的外力受許多不確定因素的影響，管樁的內(nèi)力分布及變形也是相當復雜的，因此，本工程管樁應用時，從以下幾個方面進行加強。

3.1 增加樁身鋼筋構造

就管樁樁身來說，其抗剪強度與管樁的混凝土強度、混凝土強度的預壓應力、縱向鋼筋的性能、螺旋箍筋的配筋率等有關。我國的管樁相關規(guī)范標準中對鋼筋構造做出相關規(guī)定，但對地震高烈度區(qū)的規(guī)定并不詳細。

根據(jù)相關研究［4］，地震時由于管樁在承臺附近的剪力、軸力、彎矩均最大，因此，管樁在地震區(qū)應用時加強管樁的螺旋配筋，尤其是最上一節(jié)管樁上部的螺旋配筋對提高管樁的抗震性能非常有利。

因此本工程增配管樁的螺旋箍筋及采用高均勻延伸率的預應力縱向筋。

3.2 加強樁端與地下室底板的連接構造

對于房建工程，地震時作用在上部結構上的水平及豎向地震作用最終是通過地梁或板、地下室傳給樁基。因此加強地下室與管樁的連接，增強整個結構的整體性和整體剛度，能提高單樁的抗震能力。

3.3 嚴格控制樁頂周圍土體的回填質量

因管樁環(huán)形截面的最大剪應力要比實心圓樁的大很多，即空心管樁的抗剪能力低于實心圓樁。因此，將最上節(jié)管樁的管孔部分填實，對上部結構的地震力向樁基傳播中起到結構剛度漸變而達到結構整體抗震性能的漸變效果。

管樁為擠土摩擦樁，密實土體除了本身承載部分地震水平力外，同時能夠限制樁身的側向變形。當水平荷載加大，樁的變形加大，表層土逐漸產(chǎn)生塑性屈服，從而使水平荷載向更深處的土層傳遞。

從有關的試樁情況來看，樁土變形主要在樁的上部，因此認真做好承臺周圍填土的夯實工作，有利于提高管樁的抗震能力。

4 管樁的施工工藝

4.1 樁機的選擇

因單樁設計承載力特征值為2 100 kN，因此管樁終壓力控制為特征值的 2.0倍 ～2.4倍，本工程選用兩臺靜力壓樁機(ZYC700B-B型、ZYC700BD-B型)，并準備足夠的配重鐵。

4.2 工藝流程

管樁的施工技術包括壓樁、接樁、送樁、終壓、截樁。其施工工藝流程一般包括:對管樁樁位進行測量以便準確定位，選配適宜樁機并安裝就緒，吊管樁，對中，焊接管樁的樁尖并壓第一節(jié)管樁，重復焊接接樁并壓下一節(jié)管樁，最后完成全部的終壓截樁。具體如圖1所示。

圖1 PHC管樁施工工藝流程

4.3 施工質量控制

靜壓管樁的應用發(fā)展較快、使用較多，施工工藝比較成熟，但施工中還是遇到很多問題，需引起重視并采取合理措施加以防范及處理，具體為:

1)嚴格控制“爆樁”。其主要原因為:樁身質量缺陷如尺寸不規(guī)范、強度達不到要求或養(yǎng)護期不夠等;地質問題如場地回填土存在大塊建筑垃圾等;施工不規(guī)范如壓樁力超過樁身極限承載力等。施工應對措施:加強對進場管樁的檢查驗收;對層厚大、密實度高的砂層，可采取錘擊、封閉樁尖、增加樁機噸位、原位引孔等措施;加強安全文明施工教育等。

2)嚴格控制橫向位移或樁身上浮。主要原因為:樁遇到大塊堅硬障礙物，把樁尖擠向一側。兩節(jié)樁或多節(jié)樁施工時，相接的兩樁不在同一軸線上，產(chǎn)生彎曲;樁間距較小，在沉樁時土被擠到極限密實度而向上隆起，相鄰的樁被浮起。施工應對措施:施工前應對樁位下的障礙物進行清理，對樁構件要進行檢查;接樁時要保證上下兩節(jié)樁在同一軸線上;規(guī)劃好施工線路等。

3)控制管樁終壓。黏土層和砂土中管樁施工時，從各自的壓樁阻力曲線分析，靜壓樁的終壓力與極限承載力是不同的，施工前需試樁來確定技術參數(shù)。

4)控制擠土效應。靜壓樁施工時樁周土體結構受到擾動，產(chǎn)生擠土效應，施工時間控制不當易造成土體固結。通過控制布樁密度，控制沉樁速率，設置土體的排水措施，加強周邊建筑物的監(jiān)測，控制施工停歇時間等來控制施工質量。

5)控制管樁的剪切破壞。其主要破壞原因為:成樁后樁周受力環(huán)境變化產(chǎn)生的剪應力超過管樁承受范圍。如單側超載引起的側向剪切破壞，地下水位常年波動變化產(chǎn)生的滲流力破壞等，施工土體擾動時的土的側向流動沖擊力等。主要通過控制堆載、地下水的流動及地下水攜帶土體流動來控制樁的剪切破壞。

5 現(xiàn)場試樁試驗

本工程在正式施工前進行了試樁試驗，在樁基施工區(qū)域采用靜壓法施工試樁6根，進行單樁靜載荷試驗，以便測定靜壓法送樁的壓力。根據(jù)靜載試驗結果對設計進行驗證，必要時調(diào)整樁基設計［5-7］。

5.1 試驗介紹

單樁靜載荷試驗，按規(guī)范采用堆載慢速維持荷載法(見圖2)，將總荷載分級加到單樁上，同時觀測分級荷載作用下的樁體沉降量，繪制靜載荷荷載—沉降曲線(Q—s)、沉降—時間對數(shù)曲線(s—lgt)，確定單樁承載力特征值。

圖2 堆載法試驗示意圖

試樁靜載荷試驗使用JCQ-503全自動靜力試樁測試系統(tǒng)，最大加荷值至7 700 kN，第一級預壓，第二級正式加載。

5.2 試驗結果

因試驗結束后，實驗樁還將作為工程樁使用，所以試驗加載未達到極限破壞，達到設計單樁極限承載力標準值即停止加載，檢測結果對比見表1。

表1 試驗檢測結果對比表

5.3 試驗成果分析

根據(jù)國內(nèi)外各專家學者的研究成果，結合昆明地區(qū)靜壓管樁的實例應用，經(jīng)過詳細對比分析各計算數(shù)據(jù)及檢測成果，得出如下認識:

1)根據(jù)JGJ 106-2003［6］中相關規(guī)定，當出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載:a.某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍。注:當樁頂沉降能相對穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時，宜加載至樁頂總沉降量超過40 mm。b.某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達到相對穩(wěn)定標準。c.已達到設計要求的最大加載量。

2)經(jīng)過實測靜壓沉樁全過程，靜壓樁力隨著管樁入土深度及進入土層的性質、厚度而實時變化，靜壓樁力并不是隨著入土深度而逐步增加，而是根據(jù)各土層性質而不斷實時變化，在穿透硬土夾層時，靜壓樁力不斷增加，由此可見，選擇合適的樁端持力層非常重要，該持力層不但要求承載力較高，而且要求保證一定的厚度。

3)靜壓沉樁終壓力和管樁設計承載力極限值是不同的概念，但也存在一定的關系。本工程樁端進入粉質黏土層時，樁的終壓力是單樁極限承載力的1.13倍～1.36倍。當樁端不能通過較堅硬的夾層時，如泥質粉砂巖，其終壓力是單樁承載力的1.6倍～1.8 倍。

4)在實際施工中，由于土層中的堅硬夾層或較厚砂層對靜壓施工非常不利，一旦不能穿越夾層就將造成廢樁。地質土層的不均勻，部分管樁進入持力砂層的深度較大，采用靜壓和錘擊均無法達到設計標高，造成了截樁現(xiàn)象，這需要在管樁設計中給予重視，樁長和進入持力層深度需結合地質土層情況綜合確定，以達到最佳的經(jīng)濟效果。

6 結語

混凝土管樁與其他樁基礎相比，具有制作工藝簡單、質量容易保證、施工方便且速度快、檢測方便等特點，在昆明地區(qū)已經(jīng)得到廣泛應用。經(jīng)過研究理論分析方法，并結合本工程預應力混凝土管樁的工程實例應用，可得出相關結論如下:

1)昆明市西北片區(qū)保障性住房項目采用PHC管樁基礎，具有樁基礎承載力高、沉降變形小及樁身質量好的特點。

2)在城區(qū)建筑選用PHC管樁基礎時，應采用靜壓法送樁，其施工時振動及噪聲小，對周邊生活環(huán)境污染小，施工質量也能得到有效控制，因此PHC管樁基礎應是城區(qū)地基處理的一種新興可行的基礎處理方式。

3)昆明地區(qū)預制管樁施工在樁端為粉質黏土層時，樁的終壓可取單樁極限承載力的1.13倍～1.36倍左右，樁端為硬夾層時，樁的終壓可取單樁極限承載力的1.6倍～1.8倍左右。

4)當用于抗震設防烈度大于7度的地區(qū)時，可選用A型樁。

5)地震高烈度區(qū)預制管樁施工時通過加強樁身構造、控制樁周土體回填等方式能有效的增加建筑物的抗震能力。

［1］龔曉南.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］楊志武，劉國亮，楊雄健.靜壓預應力管樁施工中的常見問題分析與防治［J］.山西建筑，2009，35(8):116-117.

［3］陳 鈺，劉 彬，盧 巖.靜壓預應力管樁的施工工藝及質量控制［J］.山西建筑，2011，37(1):67-68.

［4］阮起楠.預應力混凝土管樁［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2000.

［5］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.

［6］JGJ 106-2003，建筑基樁檢測技術規(guī)范［S］.

［7］JGJ 94-2008，建筑樁基技術規(guī)范［S］.