预应力高强混凝土管桩（PHC桩）在广州某冷轧厂房中的应用探讨

预应力高强混凝土管桩（PHC桩）在广州某冷轧厂房中的应用探讨
徐国防
摘要：本文通过广州某冷轧项目中预应力高强混凝土管桩（PHC桩）的设计实例，总结了预应力高强混凝土管桩单桩竖向抗压承载力特征值取值，以及管桩施工过程中遇到问题的处理。
1. 引言
预应力高强混凝土管桩（简称PHC桩）是采用先张法预应力工艺和离心成型法制作，经过高压蒸汽养护，在工厂制作完成的预制构件。PHC桩20世纪80年代在广东地区开始应用，因其具有承载力高，施工速度快，造价低廉，成桩质量可靠等优点得以迅速推广，广泛运用于各种工程项目。本文结合广州地区某冷轧厂房的工程实例探讨PHC桩单桩竖向抗压承载力特征值取值的方法及需要注意的问题。
2. 冷轧厂房结构体系及地质概况
该冷轧厂房位于广州南沙区，拟建建筑物包括主厂房及公辅用房，均为一层，主厂房为全钢结构，公辅用房为钢筋混凝土框架结构，主厂房跨度30，35，40，45m，轨面高10，13.5，35，65m，占地103020m2。
本工程场地地貌单元属海陆交互相沉积平原区，该场地原为鱼塘及藕塘，原地势低洼，后经人工堆土吹砂填平，现场地地形平坦开阔。根据200个钻孔揭露所取得的地质资料，可将场地内岩土层自上而下划分为第四系人工填土（Qml）、第四系海陆交互相沉积层（Qmc）及燕山期基岩（γ）等三大类。Qmc层各孔均有分布，按其土性、状态及密实度可划分为流塑状淤泥，粉质粘土，粉砂，稍密状中、粗砂，软塑状淤泥质土，中密状中、粗砂，中密状砾砂7个亚层；燕山期基岩在钻孔揭露深度范围内，按其风化程度可划分为强风化、中风化等2个风化岩带。
3. PHC桩的选型及承载力复核
3.1 PHC桩选型
PHC桩生产工艺流程及设备先进，质量可靠，承载力高，它既耐打且穿透力强，甚至部分桩用重锤施打达2000多击而未破损。PHC桩身材料选用高强度混凝土，配之低松弛预应力混凝土专用钢筋，因而桩身具有较高的有效预应力，因此，与其它混凝土相比，PHC桩有相当高的抗弯能力。同时PHC桩混凝土采用离心成型，蒸压养护，故密实性好、强度高，从而其耐久性好。价格经济合理、施工方便亦是PHC桩的优点。PHC桩穿透土层的能力强，对持力层起伏变化大的地质条件适应性强，适用于以人工填土、软土、黏性土、粉土、粉砂、细砂、中砂为覆盖层的地区，持力层一般为粗砂、砾砂、风化岩。
结合本工程工程地质条件，第四系海陆交互相沉积层内淤泥、粉质粘土、淤泥质土承载能力极低，不能作为基础的持力层，上层的中粗砂虽有一定的承载能力但存在软弱的下卧层淤泥质土，而且建（构）筑物的基础根据基础载荷及正常使用功能要求不允许出现过大的沉降，故PHC桩基为本工程理想的基础类型。打桩技术要求见下表,以中密状中粗砂、砾砂层及强风化岩层相结合作为桩端持力层，要求桩端进入持力层≥600mm，桩长约 45 米,具体长度以最后三阵锤贯入度控制。所有管桩桩端在沉桩后需立刻采用微膨胀C30素混凝土密封2.0m, 避免桩管孔内渗水而软化桩尖岩层。桩接头采用焊接连接,焊接完成后需待焊缝冷却3~5分钟后才能继续施打管桩, 管桩接长时接桩处需进行防锈处理。
表1 PHC桩打桩技术指标
图例桩类型桩径×壁厚（mm）单桩竖向抗压承载力特征值Ra(KN) 单桩竖向抗拔承载力特征值Rp（KN）单桩水平承载力特征值Rh(KN) 桩锤（t）冲程（m）最后三阵每阵十锤灌入度（mm）单桩竖向抗压静载试验值（KN）
AB型 600×110 2300 260 60 6 2.3 20 4600
AB型 500×100 1716 214 45 6 1.8 25 3432
AB型 400×95 1000 - - 5 1.8 25 2000
3.2 PHC桩竖向抗压承载力特征值取值
本工程根据地勘报告中典型钻孔提供的各土层承载力参数值对上述各规格的PHC桩的设计单桩竖向抗压承载力特征值进行了理论计算，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）,按土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向抗压承载力特征值时，需考虑软土层（吹填砂、淤泥、淤泥质土）在自重固结下对PHC桩所产生的负摩阻力，综合考虑宜按下式计算：
Ra=qpaAp+up[Σqsiali-Σqsjalj(负摩阻力)] (1)
具体计算结果如下：
表2 单桩竖向抗压承载力理论计算
桩长(m) 持力层岩土类别理论计算单桩竖向抗压承载力特征值Ra(kN) 根据一期工程PHC桩单桩竖向抗压承载力静载试验试桩修正值（kN）
Φ600x110 45 密状中砂及强分化花岗岩 2158 2300
Φ500x100 45 中密状中砂及中密状圆砾 1556 1716
Φ400x95 45 中密状中砂及砾砂 1271 1000
考虑到PHC桩单桩竖向抗压承载力特征值的准确取值还是静载试验结果，本期工程PHC桩的设计单桩竖向抗压承载力特征值参照了广东省建设工程质量安全监督检测总站提供的一期工程同类PHC桩的单桩竖向抗压承载力静载试验试桩报告提供的结论数据取值，后来经本工程桩基验收时所进行的静载试验结果验证，取值是合理的。
由于Φ400X95桩的长径比较大，本工程场地内淤泥层较厚，所以需要考虑桩的受压稳定性及其对承载力的影响，具体计算过程如下：
预制管桩参数：C80混凝土E=3.8x104N/mm4，管桩外径D=400mm，内径d=210mm，设计单桩竖向抗压承载力特征值Ra=1000kN, J=0.05(D4-d4)=0.05(4004-2104)=1.183x109mm4。
桩的换算长度L计算:
桩顶部土层为吹填砂(成分为粉细砂)，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94) 有：

桩上端入土有效长度：支点在承台底，应视为固端。
桩下端为可塑状的粉质粘土，，同理算得
桩下端入土有效长度：支点在粉质粘土面下5.41m处，铰支。换算长L=1.17+32.5+5.41=39.08m
计算长度(一端固定一端铰支)

从稳定角度考虑，单桩竖向抗压承载力特征值Ra= Per/2=903kN<1000kN（尚未考虑淤泥及淤泥质土中间2-2,2-4硬夹层的有利支撑作用）。经综合考虑一期工程中该桩型的承载力取值、本工程中该桩型的使用部位（地坪桩）重要性、一期工程中该桩型的破坏性试验结果，经综合考虑，该桩型的单桩竖向抗压承载力特征值取值为1000kN。
4. 施工中遇到的主要问题
施工单位中国一冶在设备基础基坑支护完成后进行1＃基坑内的土方开挖过程中，由于开挖施工组织不善，造成基坑内土体发生侧移，将部分设备基础工程桩（PHC管桩）挤偏，经对偏移桩进行小应变检测，发现有大量的三类桩，甚至四类桩存在。为了确保工程质量，经设计、监理、业主、施工等几方反复开会协商，并经专家会议讨论分析，最后决定：根据现场实际情况，对1＃基坑西面的三，四类桩采用补桩处理；对1＃基坑东面的三，四类桩采用补强处理，补强方案为在桩内筒中放置钢筋笼，然后浇灌C30微膨胀细石混凝土，最后对补强桩进行大应变检测，验证其承载力是否能达到设计要求。后来经大应变检测，补强桩的承载力能够满足设计要求，补强方案是可行的。
5. 结语
桩型选择要根据地质条件等因素作多方面比较，离不开技术的先进性及经济合理性。在厚层淤泥地区使用PHC桩尤其应注意基坑开挖过程中土体侧移对桩的破坏性侧推力影响，同时对于厚层淤泥地区长径比过大的PHC桩尚需考虑其稳定性，欠固结地区尚需考虑土体自重固结引起的负摩阻力对桩竖向抗压承载力的不利影响，关于本工程的桩基部分设计几点不同于常规之处总结如下：
一．在表层软土且淤泥层较厚的场地，理论计算单桩竖向抗压承载力特征值时需考虑场地土自重固结作用下对桩产生的负摩阻力的不利影响；
二．在淤泥层较厚的场地，理论计算长径比较大的单桩竖向抗压承载力特征值时需考虑桩自身的稳定性对承载力的削弱。防止桩身在淤泥层出现失稳现象。