鋼管混凝土管樁在工程中的應(yīng)用

毛永平 季永光

（建華建材科技（廣東）有限公司）

0 引言

鋼管混凝土管樁（以下簡(jiǎn)稱SC 管樁）是采用牌號(hào)為Q235B、Q355B 或Q500B 的鋼板（鋼帶）經(jīng)卷曲成型焊接制成的鋼管內(nèi)澆注混凝土，經(jīng)離心成型，混凝土抗壓強(qiáng)度不低于80MPa，具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。鋼材拉壓強(qiáng)度高、彈塑性好、但易失穩(wěn)屈曲，而混凝土抗壓強(qiáng)度高、抗拉能力弱。離心鋼管混凝土充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，鋼管借助內(nèi)壁混凝土增強(qiáng)其穩(wěn)定性，混凝土借助鋼管的環(huán)向約束作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度大幅度提高。這種新型的管樁充分利用鋼材和混凝土兩種材料的特性，其抗錘擊能力比PHC 管樁好，又能穿透較厚的較硬土層，而樁材的生產(chǎn)成本又較鋼管樁（SP 樁）或鋼管混凝土灌注樁（SCP 樁）節(jié)省，不但有鋼管樁的韌性和較高的抗拉強(qiáng)度，還具有PHC 管樁強(qiáng)度高、價(jià)格合理的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

國(guó)內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：《水運(yùn)工程預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JTS167-15-2019，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》DL/T 5030-1996；寶山鋼鐵股份有限公司編制的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/BGJ019-2005《TSC 管樁（薄壁鋼管離心混凝土管樁）產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》和Q/BGJ020-2005《TSC 管樁（薄壁鋼管離心混凝土管樁）施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》；行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272。SC 管樁在國(guó)內(nèi)主要用于碼頭或海洋平臺(tái)高樁承臺(tái)建設(shè)時(shí)使用800～1200mm的大直徑SC 管樁，而小直徑的SC 管樁在上海寶鋼和天鋼高爐建設(shè)中應(yīng)用。針對(duì)SC 管樁的鋼管與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、抗彎及抗剪的理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、抗震性能等研究很少。

日本為地震頻發(fā)的國(guó)家，SC 管樁是一個(gè)成熟產(chǎn)品，用量在預(yù)制樁基礎(chǔ)中占比為5%左右，而且樁基設(shè)計(jì)一般采用組合樁的形式，從下到上一般采用PHC、PRC 及SC 管樁的組合形式，與承臺(tái)連接的樁采用SC 管樁。SC管樁直徑從400mm 至1200mm 均有應(yīng)用。同時(shí)在日本，對(duì)于SC 管樁根據(jù)采用的混凝土強(qiáng)度不同，分為80MPa 和105MPa 兩種類型。

圖1 鋼管混凝土管樁（SC 管樁）

1 既有成果

同濟(jì)大學(xué)的呂西林院士、寶鋼的王懷忠博士等基于寶鋼的四號(hào)連鑄機(jī)、三熱軋、五冷軋等項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)9組400mm 和600mm 的SC 管樁進(jìn)行粘結(jié)、抗彎實(shí)驗(yàn)和1:3 短柱實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)12 組已施工的樁基進(jìn)行抗壓、抗拔靜力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：①鋼管與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度約為3.44MPa；②彈性抗彎彎矩為行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272 中規(guī)定的極限彎矩值的1.1 倍，抗彎能力被嚴(yán)重低估；③短柱抗壓實(shí)驗(yàn)值為設(shè)計(jì)值的1.5 倍；④抗壓、抗拔靜力實(shí)驗(yàn)值滿足設(shè)計(jì)要求?？商娲O(shè)計(jì)的400 直徑的鋼管混凝土灌注樁，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

合肥工業(yè)大學(xué)的周安教授等對(duì)20 組400 直徑的SC 管樁進(jìn)行鋼管與混凝土的粘結(jié)、抗彎實(shí)驗(yàn)、抗剪實(shí)驗(yàn)、填芯和不填芯構(gòu)件抗震實(shí)驗(yàn)及有限元模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①粘結(jié)實(shí)驗(yàn)中破壞狀態(tài)為混凝土壓碎，鋼管與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度約為4MPa，大于鋼筋混凝土中鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度3.0～3.5MPa，在壓彎或軸壓狀態(tài)下，鋼管和混凝土間不會(huì)產(chǎn)生滑移。依據(jù)文獻(xiàn)《寶鋼工程長(zhǎng)樁理論與實(shí)踐》，管樁打入施工時(shí)鋼管與混凝土之間產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力在0.04～0.05MPa 范圍，該值遠(yuǎn)小于界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，因此SC 管樁的錘擊沉樁施工不會(huì)導(dǎo)致鋼管與混凝土發(fā)生界面粘結(jié)失效；②抗彎實(shí)驗(yàn)時(shí)其撓跨比小于1/250，極限抗彎實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)大于行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272 中規(guī)定的極限彎矩值，實(shí)驗(yàn)值與理論值之比大于1.48，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的極限彎矩制定過于保守，與實(shí)際不相符。破壞形式為變形不收斂，鋼管未出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。③抗剪實(shí)驗(yàn)值的極限值遠(yuǎn)超理論計(jì)算值3 倍以上，破壞形式為局部壓碎。④抗震實(shí)驗(yàn)中，隨著位移分級(jí)加載的增大，鋼管根部拉壓屈服，并產(chǎn)生塑性殘余變形，這種殘余變形在反向加載時(shí)不能恢復(fù)，導(dǎo)致屈曲變形，由于內(nèi)部混凝土的支撐作用，屈曲表現(xiàn)為外凸變形，隨著反復(fù)交替拉壓變形，首先螺旋焊縫撕裂，內(nèi)部混凝土破碎成顆粒狀溢出，樁的抗彎承載力開始明顯下降，最后鋼管橫向疲勞斷裂，抗彎承載力突降，達(dá)到承載力極限。⑤填芯對(duì)于抗震性能幾乎無影響。位移延性系數(shù)為4.2～4.6，極限變形是常規(guī)等徑管樁的3 倍以上。極限承載力是常規(guī)等徑管樁的3 倍以上。

實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用案例表明，SC 管樁具有卓越的抗壓、抗彎、抗震能力，樁身強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的抗錘擊能力和抗變形能力。在廣東省內(nèi)普遍存在的巖溶地區(qū)、上軟下硬、堅(jiān)硬中微風(fēng)化夾層、表層土含拋石等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下可選用，超高層建筑的樁基工程，以及在常規(guī)PHC和PRC 難以滿足的深基坑支護(hù)工程，給設(shè)計(jì)提供更多的選擇。

SC 管樁可單獨(dú)使用，可與其它如PHC 和PRC 等組合使用，等徑或不等徑的組合樁連接大樣如圖2、圖3所示，同時(shí)也可在更大直徑的攪拌樁內(nèi)插入SC 管樁形成勁性復(fù)合樁，使用環(huán)境有如下情況：①表層土含拋石時(shí)，可使用SC 管樁作為最底節(jié)使用，穿透表層土后，再連接其它相對(duì)性價(jià)比更高的預(yù)制樁形成組合樁，SC 管樁和其它樁可等徑或不等徑，充分利用其抗錘擊能力強(qiáng)和穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)；②存在上軟下硬、堅(jiān)硬中微風(fēng)化夾層時(shí)，可全長(zhǎng)使用SC 管樁；③巖溶地區(qū)存在爛樁率高的問題，部分項(xiàng)目采用SC+PHC 組合使用，可有效控制成樁，承載力可保證；④水泥土攪拌樁內(nèi)插入SC 管樁或預(yù)鉆孔后植入SC 管樁，可充分利用更大直徑攪拌樁提供的外側(cè)摩阻力，發(fā)揮SC 管樁樁身強(qiáng)度，提高單樁承載力，減少樁數(shù)或減少SC 管樁直徑，在超高層建筑中有利于樁基的布置。

圖2 等徑SC 和PHC 焊接接樁

圖3 不等徑SC 和PHC 焊接接樁

用于中、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的SC 管樁的鋼管應(yīng)進(jìn)行防腐處理，根據(jù)陸上工程、海港和河港工程的不同使用條件，采取下列防腐措施：①增加鋼管壁厚預(yù)留腐蝕余量；②防護(hù)層保護(hù)，即外壁采用熱噴涂鋅（鋁）加環(huán)氧瀝青油漆封閉，或加覆多層防腐涂層；③水下采用陰極保護(hù)如外加電流或犧牲陽極。④選用耐腐蝕鋼種。

2 工程應(yīng)用

佛山市某養(yǎng)殖廠房項(xiàng)目，建筑場(chǎng)地位于廣東省佛山市三水區(qū)。地處珠江三角洲平原腹地，地貌形態(tài)單一。場(chǎng)地地形起伏變化不大，16.6 ～16.7m，最大高差約0.10m。建筑場(chǎng)地所處區(qū)域地層為下石碳系（C）灰?guī)r，場(chǎng)地未發(fā)現(xiàn)全新世活動(dòng)證據(jù)。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷裂跡象。根據(jù)本次巖土工程勘察工作，未發(fā)現(xiàn)新的構(gòu)造斷裂通過。主要土層分布：①素填土：灰褐色，由粘性土，砂土等，近幾年堆積，濕，松散，平均值4.38m。②粉質(zhì)粘土：灰，可塑～硬塑，含中粗砂，干強(qiáng)度中等，韌性中等，平均值3.70m。③粉質(zhì)粘土：灰，軟塑～可塑，含粉細(xì)砂，干強(qiáng)度中等，韌性中等。平均值6.12m。④微風(fēng)化灰?guī)r：灰，白，較完整，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，呈柱狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。平均值4.17m。

地質(zhì)剖面圖如圖4 所示，因巖層為微風(fēng)化巖層，屬于典型的上軟下硬土層，管樁難以貫入，樁端放置于巖面。本工程初步設(shè)計(jì)時(shí)，管樁選型為PHC500125AB，單樁承載力特征值取值為1600kN，單樁長(zhǎng)度14～20m。因管樁無法嵌入微風(fēng)化層，端阻的取值很低，基本以端承摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，故單樁取值很低。靜壓管樁至巖面，由于巖面的起伏不定，樁長(zhǎng)難以預(yù)估，加壓施工使樁端至巖面時(shí)，樁頭容易出現(xiàn)傾斜而爆裂，導(dǎo)致斷樁，特別是存在的接樁時(shí)的底節(jié)樁出現(xiàn)爆頭的幾率非常高。初期施工時(shí)，斷樁率高達(dá)10%，后經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整：①降低單樁承載力，單樁承載力特征值改為1400kN；②單節(jié)樁的樁頭部分加強(qiáng)；③兩節(jié)樁的底節(jié)采用SC 樁。調(diào)整設(shè)計(jì)方案后，斷樁率降至0.1%。順利完成樁基施工。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖4 地質(zhì)剖面圖

圖5 SC+PHC 組合樁

3 結(jié)論

通過鋼管混凝土管樁的構(gòu)造及國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

⑴SC 管樁的鋼管與混凝土之間具有良好的粘結(jié)性能，施工階段和使用階段的鋼管與混凝土不會(huì)發(fā)生界面粘結(jié)失效；

⑵相對(duì)于管樁，SC 管樁的抗壓性能、抗彎性能和抗震性能卓越。同時(shí)具有良好的抗錘擊能力和抗變形能力；

⑶管樁在特殊地質(zhì)如上軟下硬和巖溶地區(qū)等應(yīng)用時(shí)，樁端遇到堅(jiān)硬巖層或者樁端遇到斜巖傾斜時(shí)出現(xiàn)破損，可采用SC 管樁和PHC 管樁組合樁。巖溶發(fā)育充分時(shí)宜降低單樁承載力。