預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土靜壓管樁在建筑工程中應(yīng)用分析*

羅森林 陳先軍 魏世輝

(1阜陽市建筑工程施工圖審查有限責(zé)任公司；2阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系安徽阜陽 236000)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(以下簡稱“PHC樁”)是在工廠流水作業(yè)預(yù)制而成的一種薄壁空心的樁體，在我國各類工業(yè)與民用建筑工程中得到了廣泛地應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)打樁施工工藝，靜壓法施工產(chǎn)生的噪聲、振動較小[1-2]，比較適合在城市已建成區(qū)域的工程建設(shè)。目前對靜壓PHC樁在實(shí)際工程的應(yīng)用已有很多研究成果，主要有預(yù)應(yīng)力靜壓管樁在工程中的應(yīng)用[3]，預(yù)應(yīng)力管樁建筑樁基技術(shù)在建筑中的應(yīng)用[4]，預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)計若干問題探討等[5]。阜陽市是皖北平原的代表性城市，文章結(jié)合皖北平原的工程地質(zhì)特點(diǎn)，分析了靜壓PHC樁的適用范圍和在建筑工程應(yīng)用中幾個熱點(diǎn)問題。

1 PHC樁在建筑工程中適用范圍的分析

PHC樁目前大多采用靜壓施工，由于施工進(jìn)度較快、效率高、擾民少、污染少，在各類土木工程中應(yīng)用廣泛。一般可以應(yīng)用于樁側(cè)以填土、軟土和粘性土為主的土層，比如在安徽北部、河南南部的平原地區(qū)建筑工程應(yīng)用較常見，是主流的樁型。如果遇到中間有較厚的砂層、粉砂夾層、硬粘土層或是密實(shí)砂層，可能難以貫入，此時可以通過分析勘察報告中鉆孔的土層標(biāo)貫值N和土層厚度情況，當(dāng)N大于28以上就可以考慮引孔施工，孔徑可取管樁外徑的0.65～0.75倍，以減少可能出現(xiàn)的施工斷樁現(xiàn)象。如果是樁端持力層的標(biāo)高起伏變化較大的工程，則不應(yīng)使用PHC樁。

2 PHC樁在建筑工程應(yīng)用中的幾個熱點(diǎn)問題分析

(1)能否通過增加樁長的方式提高摩擦型PHC樁的單樁承載力特征值Ra的問題。根據(jù)樁基規(guī)范的計算公式單樁豎向承載力極限值Quk= 樁極限側(cè)阻力Qsk+樁極限端阻力Qpk，設(shè)計人員往往通過增加樁長的方式來提高Ra。早期的樁基研究假定Qpk、Qsk同步發(fā)揮，但是近年來的研究表明并非如此。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)高大釗的研究[1]，隨著樁的長徑比l/d增大，Qpk對Quk的貢獻(xiàn)變?。划?dāng)l/d達(dá)100時，樁極限端阻力Qpk的發(fā)揮接近0，這也糾正了以往“樁越長，承載力越高”的片面認(rèn)識。因此可以推斷：平原地區(qū)的PHC管樁(通常15～40m之間)， 樁極限端阻力Qpk的貢獻(xiàn)會很小，主要是樁極限側(cè)阻力Qsk發(fā)揮作用，屬于典型的摩擦型樁。除非是為了減小沉降而將樁支承在深部堅硬土層上，其他時候依靠增大樁長的辦法來提高單樁承載力特征值是不合理的，會造成浪費(fèi)。

(2)PHC樁如何用于建筑工程抗拔樁的問題。PHC樁由于存在接樁焊接接頭處質(zhì)量不易控制、側(cè)壁提供的抗拔側(cè)阻力不高等問題，應(yīng)優(yōu)先用于抗壓樁而慎用于抗拔樁。為解決這個難題，可以使用樁側(cè)縱橫向帶肋的異形PHC樁[6](見圖1、圖2)，其研究成果已經(jīng)獲得2020年華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。與同樁徑、樁長的普通PHC樁相比，異形PHC樁的抗拔承載力提高30～66%；同時螺鎖式連接取消了樁端板，可節(jié)約95%端板鋼材，近4年來已經(jīng)在烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國際會展中心、長豐縣和宿州市光伏發(fā)電項目等國內(nèi)多項工程中應(yīng)用，成效顯著。

圖1 異形PHC樁實(shí)物圖

圖2 螺鎖式連接接頭

(3)關(guān)于樁基檢測試樁的問題。單樁靜載荷試驗(yàn)?zāi)壳叭允谴_定單樁承載力特征值Ra的重要手段之一，可靠性較好，優(yōu)于高應(yīng)變檢測等其他估算方法。理論上應(yīng)該先進(jìn)行場地試樁。

根據(jù)試樁結(jié)果調(diào)整勘察報告中參數(shù)估計的Ra值。但民用住宅類工程工期緊張，往往是施工完畢后再直接檢測Ra值是否滿足設(shè)計要求，一旦發(fā)現(xiàn)檢測的數(shù)據(jù)低于設(shè)計值，就只有設(shè)法采取補(bǔ)樁措施?？辈靻挝粸榱吮苊獬霈F(xiàn)這樣情況，往往在勘察報告中提出比較保守的樁基參數(shù)指標(biāo)，同時檢測單位在試驗(yàn)加載時一般只加載到單樁承載力特征值的2倍即停止加載，這樣造成樁基工程設(shè)計安全度過大而存在浪費(fèi)。新加坡規(guī)定，一般場前試樁至少加載至單樁承載力特征值的3倍[2]。對此，一方面建設(shè)單位應(yīng)先進(jìn)行試樁后，再進(jìn)行工程樁的全面施工；另一方面檢測單位在做試驗(yàn)樁加載時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況適當(dāng)提高最大加載量。

3安徽某工程PHC樁和異形PHC樁抗拔試驗(yàn)對比分析

某高層住宅小區(qū)工程位于安徽北部平原地區(qū)，抗浮設(shè)計水位取室外地坪下1m，純地下室部分采用管樁作為抗拔樁。試樁時建設(shè)單位選用了縱橫向帶肋的異形PHC樁(簡稱：S1- S4)4組和普通PHC樁(簡稱：D1)1組進(jìn)行對比分析，設(shè)計樁長23m，外徑500mm，樁身混凝土等級是C80，設(shè)計要求單樁抗拔承載力不小于690KN。試驗(yàn)過程按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)中的慢速維持荷載法的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其豎向抗拔荷載-位移曲線見圖3，抗拔靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖3 異形PHC樁豎向抗拔荷載-位移曲線

由圖 3、表1可知，5組試樁的荷載-位移曲線均呈緩變型，各級荷載下的上拔位移量變化均勻；當(dāng)上拔荷載在580KN以下時，荷載-位移曲線均近似呈直線。異形PHC樁的的最大上拔荷載明顯大于普通PHC樁，當(dāng)其縱橫向的肋、節(jié)數(shù)增加時，豎向抗拔極限承載力也得以提高。說明異形PHC樁由于樁側(cè)凸凹的特殊構(gòu)造，使得受力性狀發(fā)生變化(見圖4)，大大提高樁側(cè)阻力，該例中編號S4的異形PHC樁抗拔極限承載力相對于普通PHC樁提高達(dá)43.1%。

圖4 普通管樁與異型樁承載機(jī)理對比

表1 抗拔靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

4某高層建筑采用PHC樁的應(yīng)用分析

4.1工程概況

阜陽市某高層住宅樓樁基工程采用PHC樁，建筑高度99.2m，層數(shù)34層，選用PHC-500(125)AB型樁，混凝土等級是C80，樁長33m(3節(jié)樁)，采用靜力壓樁施工方式，灌芯混凝土長度取為2m。樁基設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 樁基設(shè)計參數(shù)表(單位：KPa)

4.2 PHC樁基設(shè)計

比較當(dāng)PHC樁端位于第7層、第8層和第9層時三個方案的情況：方案一：樁端在第7層土，單樁承載力特征值Ra=2100 KN，樁長33米，共需要布樁97根；方案二：樁端在第8層土， Ra=2450 KN，樁長37米，共需要布樁88根；方案三：樁端在第9層土， Ra=2900 KN，樁長41m，共需要布樁82根。以上三個方案的PHC樁基均可以滿足承載能力和沉降驗(yàn)算的要求，從經(jīng)濟(jì)性和適用性考慮，宜選用樁長較短的方案，一方面是前面所述的超長樁在摩擦型樁基里面，樁端阻力發(fā)揮很小，很不經(jīng)濟(jì)；另一方面考慮PHC樁接頭宜少，總樁長宜控制3節(jié)樁以內(nèi)，因此選用方案一。該工程PHC樁施工前在代表部位試樁3根，并適當(dāng)提高了最大加載量至2.48倍單樁承載力特征值Ra。施工時終壓控制條件：原則上采用樁長和終壓力進(jìn)行雙控，根據(jù)勘察報告的參數(shù)得出Ra取值為2100KN，終壓力擬取值為5200KN(取2.48倍Ra)。試樁結(jié)果表明：3個試樁點(diǎn)的s-lgt曲線，接近水平直線，各級荷載對應(yīng)的斜率很??；Q-S曲線上，樁頂總沉降量為23.78mm，曲線未出現(xiàn)陡降段。根據(jù)試樁結(jié)果，取Ra=2500KN，同時優(yōu)化了原設(shè)計方案，總樁數(shù)從97根減少到88根。

4.3樁基檢測結(jié)果分析

隨機(jī)抽檢3根基樁(30#、59#、94#)進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，3根基樁加載的最大荷載是5200KN，單樁承載力特征值2500KN，樁頂最大沉降量分別是11.78mm、11.91mm，10.57mm。其中30#的單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)Q-S曲線見圖6，曲線未出現(xiàn)陡降段；s-lgt曲線見圖5，各級荷載對應(yīng)的斜率很小。表明承載能力的富裕度還較大。同時該工程還對全部88根工程樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測，經(jīng)分析均為Ⅰ類樁，基樁樁身的混凝土波速在4000～4348m/s之間，平均值4164m/s，樁身完整性符合設(shè)計和規(guī)范要求。

圖5 30#樁的S-lgt曲線

圖6 30#樁的Q-S曲線

5結(jié)論

文章從 PHC樁在建筑工程中適用范圍、增加樁長的方法對提高摩擦型PHC樁的單樁承載力特征值不合理、異形PHC樁可以應(yīng)用于建筑工程抗拔樁、樁基檢測試樁的建議等幾個方面來分析探討PHC樁基應(yīng)用情況，并分析阜陽市某高層住宅樓樁基工程設(shè)計的實(shí)例，為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)參考的依據(jù)。綜上，筆者認(rèn)為：①摩擦型PHC樁不宜用單純增加樁長來提高單樁承載力特征值Ra，除非是為了減小沉降而將樁支承在深部堅硬土層上；②縱橫向帶肋的異形PHC樁能夠大幅度提高抗拔承載力，并在多項工程中成功應(yīng)用；③在做試驗(yàn)樁加載時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況適當(dāng)提高最大加載量，以便得到合理的Ra值。