沿海建筑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計(jì)實(shí)例

孫舉飛，袁鳴紫

福建省建研工程顧問有限公司，福建 福州 350000

1 工程概況

本工程位于福州市某縣沿海地區(qū)，為一棟中學(xué)學(xué)生宿舍樓及食堂，宿舍樓地上六層，建筑高度22.1m；食堂地上一層，建筑高度4.1m。食堂與宿舍設(shè)縫分開。宿舍樓最大單柱總荷重為3770kN，食堂最大單柱總荷重為840kN。建筑物的場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)情況

場(chǎng)地土層從上至下分別為①層素填土、②層填砂、③層淤泥、④層粉質(zhì)粘土、⑤層含碎石粉質(zhì)粘土、⑤-A 層碎石、⑤-B層淤泥質(zhì)土、⑥層全風(fēng)化花崗巖、⑦-1 層砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑦-2 層碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑧層中風(fēng)化花崗巖。

本工程場(chǎng)地位處抗震設(shè)防烈度6 度區(qū)，但由于建筑物工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類別（乙類），故須按7 度區(qū)判定飽和粉土及砂土液化。本工程巖土工程勘察報(bào)告判定，②層填砂為輕微液化［1］。

場(chǎng)地上層土①～③層均為工程性能較差的軟土，在未地基處理的情況下不適合作天然地基持力層。此三層軟土厚度達(dá)8～10m，故不適合淺基礎(chǔ)，可采用樁基。

本工程場(chǎng)地地下水（承壓水）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其中的鋼筋具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

3 樁型選擇

樁基可選擇預(yù)制樁及灌注樁。在綜合考慮場(chǎng)地地質(zhì)情況、建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及柱底力情況，本工程優(yōu)先使用PHC 樁基礎(chǔ)。采用PHC 樁時(shí)，樁徑宜采用Φ500 型管樁或Φ600 型管樁。從土層分布可判斷，樁基受力特征為摩擦端承樁，以⑥層全風(fēng)化花崗巖土層為樁端持力層，樁尖進(jìn)入持力層2d［2］。根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3.5 及本工程巖土工程勘察報(bào)告提供參數(shù)估算單樁承載力特征值平均值Ra，Φ500 管樁為2410kN，Φ600 管樁為3050kN。有效樁長(zhǎng)約為45m。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的限制使用情況

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有使用限制，在以下幾種情形中不宜使用：（1）當(dāng)管樁接頭位于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中時(shí)，因難以對(duì)接頭焊縫或機(jī)械式連接接頭進(jìn)行有效的防腐措施保證接頭的安全性，故對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性的場(chǎng)地不宜采用多節(jié)預(yù)制管樁。（2）承臺(tái)底以下存在較厚的中等或嚴(yán)重液化土層，且預(yù)制管樁不能穿越液化土層伸入較硬土層一定長(zhǎng)度時(shí)不宜使用預(yù)制管樁。因?yàn)樵诘卣鸬淖饔孟?，承臺(tái)周邊土層液化嚴(yán)重，形成高樁承臺(tái)，承臺(tái)周邊土無(wú)法幫助樁頂承受水平力。特別是小直徑的預(yù)制樁，樁身承受水平能力弱，在此情況不應(yīng)使用。（3）結(jié)構(gòu)高度較高無(wú)地下室的建筑，且承臺(tái)位于軟弱土層時(shí)不宜使用預(yù)制管樁。結(jié)構(gòu)高度較高的建筑，往往單樁抗壓承載力較高，承臺(tái)位于軟弱土層又無(wú)地下室時(shí)管樁的單樁水平承載力較低，此時(shí)管樁受壓能力遠(yuǎn)大于受水平力能力，按受壓配置樁數(shù)時(shí)樁身（特別是小直徑樁）可能無(wú)法滿足抗剪要求。在未經(jīng)過抗剪承載力驗(yàn)算并加大管樁填芯長(zhǎng)度的情況下不宜采用。（4）樁端持力層為碎卵石、強(qiáng)風(fēng)化巖、中（微）風(fēng)化巖等堅(jiān)硬土層，但持力層以上全部為淤泥（質(zhì)土）層等軟弱土層時(shí)不宜使用預(yù)制管樁。以堅(jiān)硬土層作為持力層時(shí)，預(yù)制管樁無(wú)法進(jìn)入堅(jiān)硬土層太深，而持力層以上全都是軟弱土，無(wú)法對(duì)樁身提供有效的約束，樁身受力相當(dāng)于自由端極長(zhǎng)、約束端極短的懸臂桿件受壓，穩(wěn)定性極差［3］。

以上幾種情形是在使用預(yù)制混凝土樁時(shí)應(yīng)特別慎重的情況，當(dāng)必須使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格驗(yàn)算并采取措施，保證管樁的安全可靠。對(duì)比本工程，場(chǎng)地?zé)o強(qiáng)腐蝕環(huán)境；建筑高度＜24m，為多層建筑；承臺(tái)以下填砂為輕微液化土層，厚度為1.5m 左右；持力層⑥層全風(fēng)化花崗巖以上存在厚度達(dá)30m 左右的較硬土層⑤層含碎石粉質(zhì)粘土，對(duì)樁身約束較好。本工程不存在前述不宜使用管樁的情形，故可使用PHC 樁，但土質(zhì)條件復(fù)雜，應(yīng)采取有效措施。

5 中等腐蝕條件下預(yù)應(yīng)力混凝土管樁措施

本工程樁身防腐蝕保護(hù)措施可采用：（1）選用壁厚≮125mm 的AB 型及以上的樁，本工程選用PHC600-130-AB 型樁。（2）通過合理配樁保證接頭不處于中等腐蝕環(huán)境下。（3）最頂上一節(jié)管樁樁身混凝土應(yīng)摻入鋼筋阻銹劑和有效的礦物摻合料；摻量應(yīng)通過試驗(yàn)確定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為樁身混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于3.0×10-12m2/s；樁身混凝土通電量指標(biāo)應(yīng)小于1200 庫(kù)侖。（4）PHC 管樁中需摻入磨細(xì)摻合料，且管樁預(yù)應(yīng)力棒直徑應(yīng)≮9mm。（5）最頂上一節(jié)樁樁孔內(nèi)灌滿C35 微膨脹混凝土。

即使管樁接頭未處于中等腐蝕性地下水中，仍處于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性的承壓水中，也應(yīng)采取措施增加接頭的腐蝕裕量。本工程采取的措施包括：端頭板厚度≥18mm，接頭焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離≥14mm。管樁接頭焊接道數(shù)應(yīng)≮4 道［4］。

6 樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響

本工程樁周存在松散填土層及軟弱土層，且素填土及填砂堆填時(shí)間為3～5 年，在地面沒有明顯的附加荷載的作用下，此三層軟土不可能完成自固結(jié)，所以應(yīng)考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響。本工程PHC 樁為端承型樁，除中性點(diǎn)以上樁側(cè)阻力不應(yīng)考慮外還需考慮負(fù)摩阻力引起的基樁下拉荷載。本工程設(shè)計(jì)時(shí)中性點(diǎn)深度取軟土層厚度，下拉荷載按JGJ 94-2008 第5.4.4 條計(jì)算。在靜載試驗(yàn)樁處于軟土層的樁身表面未處理時(shí)，試樁靜載荷試驗(yàn)值除考慮上部荷載及下拉荷載外，還應(yīng)考慮軟土層在計(jì)算時(shí)不應(yīng)考慮但在靜載時(shí)實(shí)際存在的樁側(cè)阻力。

7 液化土層的影響

本工程承臺(tái)以下存在厚度為1.5m 左右輕微液化土層②層填砂，建筑物為乙類設(shè)防，根據(jù)GB50011-2010（2016 版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)采取部分消除液化沉陷或?qū)A(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)處理的抗液化措施。本工程PHC 管樁樁端已深入液化深度以下穩(wěn)定土層達(dá)三十幾米，已達(dá)到全部消除低級(jí)液化沉陷。設(shè)計(jì)時(shí)因負(fù)摩阻力影響，填砂層樁側(cè)阻力未考慮，相當(dāng)于填砂層液化影響折減系數(shù)為0。PHC管樁樁端2m范圍螺旋箍間距已加密，符合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

8 其他措施

對(duì)于單柱單樁和單柱兩樁處加大地梁截面，使承臺(tái)兩側(cè)地梁線剛度之和為底層柱線剛度的2 倍。本工程無(wú)地下室，單柱下單樁或兩樁短向情況下柱底彎矩?zé)o法由管樁自身承受，而需要地梁來(lái)平衡，這需要地梁有一定的剛度水平。

本工程無(wú)地下室，管樁水平承載力較弱，本工程在布樁時(shí)不能僅按受壓控制，還應(yīng)驗(yàn)算水平承載力。

本工程存在管樁難以穿越的較硬土層⑤層含碎石粉質(zhì)粘土、⑤-A 層碎石，且厚度較厚，設(shè)計(jì)時(shí)考慮預(yù)引孔措施。

9 結(jié)束語(yǔ)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁時(shí)，應(yīng)考慮各種不利因素的影響，加強(qiáng)驗(yàn)算并采取措施。樁基全面施工前應(yīng)通過試樁驗(yàn)證措施的有效性，最終確定最合理的樁基方案。