海陆交互相沉积层地质条件下 PHC桩的设计及应用

朱剑晖

珠海金港市政建设有限公司

摘要：随着我国经济和社会的日益发展，高强度预应力混凝土管桩以其单桩承载力高、生产周期短、施工方便快捷等特点被应用到国内的各个行业，如工民建、道路桥梁、水利水电及市政行业。但是，随着高强度预应力管桩工程应用的增多，相应也出现了各种各样的工程问题，例如管桩桩端未进入设计持力层导致承载力不足，压桩过程中桩体偏移、垂直度不满足规范要求，管桩连接节点质量差或者桩头构造不合理，导致抗拉拔承载力不足，打桩过程中出现爆桩或者桩身受损等问题。

本论文在总结以往常见的工程问题基础上，以珠海高栏港区石化园区工业污水处理厂一期工程为背景，结合项目建设场地的工程地质情况，提出海陆交互相沉积层地质条件下高强度预应力管桩的设计要点、主控因素、施工常见问题及处理措施。设计上着重从管桩的适用条件、单桩承载力折减、稳定系数的计算以及负摩阻区段的确定、耐久性等方面进行阐述。施工上重点介绍沉桩方式的选用、沉桩辅助措施、打桩顺序、收锤标准等内容。针对常见的设计问题、施工问题、检测问题提出解决方案。

关键词：高强度预应力管桩，海陆交互相沉积，压屈稳定，收锤标准。

1 高强度预应力管桩概述

混凝土管桩可分为后张法预应力管桩和先张法预应力管桩。 先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。其中桩身混凝土强度等级为C80及以上的管桩为高强度预应力混凝土管桩，简称PHC管桩。常用桩径300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、1000mm、1200mm。按桩身混凝土有效预压应力分为A型、AB型、B型和C型。

2国内研究现状

从管桩在国内的发展历程看，我国在1944年开始生产混凝土离心管桩，简称RC管桩，20世纪60年代研制出混凝土预应力管桩（PC管桩），1969年开始批量生产，70年代研制出后张法预应力悬滚离心混凝土管桩（雷蒙特桩），20世纪80年代开始研制PHC桩，广东省在1984年开始研制和应用，1987年上海交通部第三航务工程局混凝土预制品厂从日本引进了PHC管桩的制造技术和设备。同时，广东省有的厂家参照英国BS标准和日本JIS标准，主要生产设备从国外引进，软件以国内为主开发了PHC管桩。1987年开始，我国研制具有自主知识产权的PHC管桩。从管桩性能研究看，许旭堂^[1]的研究表明桩径是影响单桩承载力的主要因素，随着桩径的增大，复合桩桩顶的沉降值减小^[2]。王铁成、王文进^[3]通过对加入填芯的PHC管桩进行低周往复加载试验，对比普通的PHC管桩，发现其延性、承载力、耗能均有显著提升。而在低周往复加载试验中，增加轴压比和预应力钢筋的应力，会提高管桩的极限承载力和刚度，但会降低延性^[4]。王威^[5]通过研究填芯PHC管桩，发现填芯对管桩的抗剪有显著提升，同时也对抗裂弯矩和极限弯矩有所提升。刘东辉^[6]通过侧嵌式管桩研究发现，在竖向荷载、水平荷载作用下以及桩周土体作用对侧嵌式管桩较普通管桩承载力有显著提高。

本论文根据实际工程，重点阐述深厚软弱土交替分布地质条件下的PHC设计、施工、检测重要控制因素，为同类工程提供设计参考。

一、项目概况和地质条件

1.1、工程概况

拟建项目场地位于珠海市南水镇，高栏港经济区石化基地工业园区内，石化六路东南侧、平湾二路西南侧地块内。拟建污水处理厂总规模9万m³/d，一期规模2.5万m³/d。主要处理构筑物有事故池、均质池、中和池、A/O池、二沉池、污泥回流井、反应池进水井、混凝池、脉冲澄清池、脉冲澄清池污泥池、观察池、巴氏计量渠、消毒池、加药间、存留池、生化污泥浓缩池、化学污泥浓缩池、污泥浓缩脱水机房、鼓风机房变配电间、臭气处理装置、初期雨水池等。主要附属建筑物有综合楼、污泥脱水车间、鼓风机房及配电间、加药间及仓库等。

1.2、岩土工程条件

1.2.1 地质构造

项目场地地形平坦开阔，地表无基岩出露。依据钻探揭露，场地基岩埋藏深，基岩面起伏较小。依据珠海地区的区域地质资料和地质构造图，区域上存在马骝洲—大门岛断裂、 三灶岛—高栏岛断裂、西江断裂、泥湾门断裂构造。根据勘探成果，在钻孔控制范围内仅见基岩风化裂隙发育，未见断裂构造痕迹。

1.2.2 地层及工程特性

根据钻探揭露，场地内埋藏的地层主要有人工填土层、第四系海陆交互相沉积层，下伏基岩为泥盆系凝灰岩。场地内发育的地层按自上而下的顺序依次描述如下：

1 人工填土（Q^ml）（1）（（1）为地层编号，下同）：为填石：青灰、灰黑～灰黄色，以块石、碎石为主组成。块石含量约80～90%，一般粒径20～60cm，最大粒径超过100cm，成分以微风化变质砂岩和花岗岩为主，棱角状。由10～20%中粗砂、碎石及少量黏性土填充。表层约60cm稍压实，呈稍密状。其下呈无序堆填松散状。堆填时间3-5年 。各孔均遇到该层，层厚0.70~8.20米。

2 第四系海陆交互相（Q^mc）沉积层：该套地层由淤泥（2-1）、黏土（2-2）、淤泥质土（2-3）、黏土（2-4）、淤泥质土（2-5）、粉质黏土（2-6）及中砂（2-7）组成，描述如下：

1）淤泥（2-1）：淤泥：灰～深灰色，含有机质和少量粉细砂，局部含贝壳碎屑。具臭味。光泽反应较光滑，细腻，摇振反应无。呈饱和、流塑状。各钻孔均遇到该层，层厚6.80～14.50米。

2）黏土（2-2）：灰黄、黄褐色。土质较纯，湿，可塑状。稍有光泽，干强度中等，韧性高。各钻孔均遇到该层，层厚0.50～5.00米。

3）淤泥质土（2-3）：灰黑色，局部含少量腐木屑和粉细砂，具腐味臭。光泽反应较光滑，细腻，摇振反应无。呈饱和，流塑状。各钻孔均遇到该层，层厚1.60～20.70米。

4）黏土（2-4）：灰黄、褐红、黄褐色。土质较纯，湿，可塑状。稍有光泽，干强度中等，韧性高。各钻孔均遇到该层，层厚1.80～22.50米。

5）淤泥质土（2-5）：深灰、灰黑色，含少量粉细砂，局部呈韵律性薄层状，具腐味臭。光泽反应较光滑，细腻，摇振反应无。呈饱和，流塑状。局部夹薄层黏性土或中砂。各钻孔均遇到该层，层厚1.20～27.80米。

6）粉质粘土（2-6）： 黄褐、灰白、灰黄、灰绿色。局部含较多石英质中细砂，湿，可塑状，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。仅钻孔ZK1、ZK2、ZK5、ZK6、ZK7、ZK10、ZK13、ZK16、ZK19～ZK24、ZK38、ZK40、ZK50～ZK53、ZK56～ZK59共25孔遇到该层，层厚2.00～21.40米。

7）中砂（2-7）：灰、灰褐、灰白、灰黑色，含黏性土，局部含少量石英质砾石，饱和，中密状，局部稍密状。级配较差。除钻孔ZK19～ZK24外，其余各孔均遇到该层，层厚1.00～5.60米。

3 泥盆系（D_2g）凝灰岩:：灰白、粉红、浅紫色，主要组成矿物为石英、长石及黏土矿物，凝灰结构，层状构造。本次勘察揭露到的凝灰岩根据风化程度不同可分为全风化、强风化凝灰岩二带，现分述如下：

1）全风化凝灰岩（3-1）：粉红、灰白、浅紫色，绝大部分矿物风化呈土状，可见残余结构，岩芯呈坚硬土柱状，合金钻具易钻进。为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。局部地段见中风化凝灰岩夹层。除钻孔ZK10、ZK11外，其余各孔均遇到该层，层厚1.10~10.50米。

2）强风化凝灰岩（3-2）：粉红、灰白、浅紫色，大部分矿物成分已显著风化，裂隙极发育，岩芯呈半岩半土状。岩块用手可折断。合金钻具可钻进。为软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。各钻孔均钻至该层，揭露厚度4.70~25.60米，层厚不详。

1.3、水文地质条件

勘察期间测得地下水的稳定水位埋深为1.65～2.20m。受季节及潮汐等影响，地下水年变化幅度1.00-2.00m。场地地下水主要赋存在第四系沉积层的孔隙和基岩风化带风化裂隙中。场地地形较平坦，已经人工填土平整。场地表层地下水主要靠大气降水的渗入补给，下部地下水主要为地下侧向迳流补给。场地表层地下水主要为蒸发和垂直下渗排泄，下部地下水主要以侧向地下径流方式排泄至邻区为主。

场地地下水主要赋存中砂（2-7）中，此外强风化岩层中也赋存基岩裂隙水

各岩土层地下水特征见表1-1。

表1-1

二、PHC桩设计

2.1 桩基方案的确定

由上述地层分布情况可知，建筑场区属于海陆交互相沉积地质，淤泥质土最大厚度27.8m，层底最大埋深47.7m，天然地基强度差，压缩模量低，沉降变形比较大，天然地基无法作为基础持力层，需对地基进行处理或者采用桩基础方案。此种软土常用堆载+真空预压进行处理，但是场地上部杂填土平均厚度约5m左右，含较多碎石和块石，密封处理难度大，施工周期也比较长，不满足该项目的进度要求。

深基础方案有灌注桩和PHC桩可供选择，管桩的适用条件：

1 用于非抗震地区及地震设防烈度不超过8度地区的低承台桩基础。

2 不宜用于下列地质条件

1. 土层中含有不易消除的孤石和障碍物；

2. 含有不宜作为持力层且管桩又难以贯穿的坚硬夹层；

3. 基岩面上没有合适持力层的岩溶地层；石灰岩地区不宜应用；

4. 非岩溶地区基岩面上的覆盖层为淤泥等松软土层，其下直接为中风化岩层或微风化岩层或中风化岩层上只有较薄的强风化岩层；

5. 桩端持力层为遇水易软化且埋藏较浅的风化岩层；

6. 对管桩的混凝土、钢筋及钢构件有强腐蚀作用的岩土层（含地下水）。

本工程地质条件和地震烈度均在适用范围之内，管桩方案可行。管桩与灌注桩的经济技术对比见表2-1。

表2-1 桩基方案技术经济对比

综合以上经济技术对比以及当地的经验，本工程选用PHC桩方案。

2.2 管桩设计主控内容

PHC桩设计的主要内容包括；桩端持力层的确定，管桩选型，单桩承载力的确定，桩基的平面布置，桩身强度及稳定性验算，桩体的耐久性设计。

1桩端持力层的确定及管桩选型

本工程地震设防烈度为7度，基本地震动峰值加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类。根据地勘报告地层剖面图，淤泥质土下的中砂层和全风化凝灰岩层厚度均比较薄，不能作为桩端持力层，其下强风化凝灰岩未揭穿，厚度较大，可作为桩端持力层。根据建构筑物底板埋深，最大桩长约62m，按长径比控制在100左右，选用桩径600的管桩，考虑耐久性，适当预留安全储备，选用B型管桩。

2 单桩承载力的确定

本工程建构筑物桩基均为低承台桩，桩顶埋深不小于1.8m，水平承载力不是主控因素。本工程重点考虑竖向抗压及抗拔承载力，由于未做试桩试验，无试桩资料，单桩竖向抗压承载力采用经验参数法，采用广东地标锤击式预应力管桩基础技术规程式5.2.3进行计算，个别构筑物埋深约4.8m，位于地下水位以下，构筑物自重不满足抗浮要求，需要利用管桩的抗拔承载力进行抗浮设计，抗拔承载力采用广东地标锤击式预应力管桩基础技术规程^[14]式5.2.8进行计算，桩体抗拉强度从管桩图集查得。

3 桩基的平面布置

场地土层软土比较厚，透水性比较差，为减小打桩过程中的挤土效应，保证施工质量，设计时结合单桩承载力尽量采用大间距布桩，规范规定的群桩最小间距为4d，本设计基本按7d布桩，个别受力较大的地方按4d布置。

4 桩身强度验算

桩身强度从管桩图集查得，并考虑成桩工艺系数，PHC桩取0.7。由于淤泥质土等软弱土交替分布，安全起见，选取最厚段淤泥层计算稳定系数，参照桩基规范5.8.4条压屈长度计算方法，对模型进行简化处理，见图2-2。分别取中间段和最底部区段进行计算，取最大计算长度。其中，软土影响折减系数和水平抗力系数的比例系数均取规范低值。折减系数取1/3，m值取4.5MN/m⁴，经计算得压屈稳定系数为0.72。分别按^[15]桩基规范5.2.1、5.8.2、5.8.4进行承载力及稳定性验算。

本工程无大面积填土，地下水位常年在地表人工填土范围内，其下各土层的含水量和孔隙率均处于稳定状态，结合相邻已建厂区的管桩设计经验，负摩阻区段取人工填土层进行计算。

抗拔工况分别按整体破坏和非整体破坏进行验算，桩身裂缝控制等级为一级，按管桩图集6.4.2条进行验算。

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图2－2 管桩计算长度简化模型

5桩体的耐久性

本工程地处沿海地带，地下含水丰富，地下水和土对桩体混凝土的腐蚀等级为微腐蚀，对钢筋的腐蚀等级为弱腐蚀。为提高桩体的耐久性，管桩混凝土抗渗等级不小于P12，加大保护层厚度，保护层厚度不小于40mm，管桩混凝土内掺加钢筋阻锈剂，端板和焊缝均加厚2mm，接头部位涂抹防腐蚀耐磨涂层。桩底和桩头采用C35微膨胀混凝土灌芯处理。管桩接头数量不超过3个，接头采用机械咬合式接头。

三、 施工及检测

3.1、施工主控因素

施工主要从打桩顺序、引孔措施、锤击方式、沉桩速度、收锤标准等方面进行控制。

本工程场地条件比较开阔，周围无临近的已建建筑物，采用从中间向四周进行的打桩顺序，以减小挤土效应。浅层的人工填土含有较多的碎石和块石，采用冲击成孔或者预钻成孔等措施穿透浅层的人工填土层。采用重锤低击沉桩方式，此方式获得的动能大，桩锤对桩头冲击力小，回弹也小。锤击能量大部分都可以用来克服桩身与土的摩阻力和桩尖的阻力，桩能很快的打入土中，且桩头不易损坏。再加上落距小，锤击频率可提高，打桩效率也高。场地弱透水土层较厚，适当控制沉桩速度，有助于孔隙水压力的消散，减少对浮桩和地面隆起，应根据现场打桩实际情况，合理确定每天各个打桩区域的沉桩数量。对于收锤标准，原则是确保桩底能进入设计持力层，并达到设计要求的嵌入长度。以地勘报告建议的最后贯入度进行控制，最后3阵击每阵击贯入度小于2cm~4cm作为终桩依据。并结合PDA打桩分析仪进行辅助措施，当桩尖接近持力层时，在桩头外安装传感器，启动PDA继续锤击，根据土层的恢复系数和瞬时阻力验证收锤标准。

3.2、检测重点项目

本工程根据地层的平剖面分布状况，结合建构筑物平面布置情况，将桩基按相同的地质条件、设计条件进行区域划分，按区域进行桩身完整性和承载力检测，桩身完整性采用低应变法进行检测，检测数量为相同条件总桩数的20%，且不小于10根，每个柱下承台不小于1根。单桩承载力采用静载试验进行检测，检测数量为相同条件下总桩数的1%，且不小于3根。该项目检测结果，承载力均满足要求，完整性检测结果为Ⅰ类桩比例67%，Ⅱ类桩比例33%。

图3－1 62m长管桩承载力检测结果

图3－2 60m长管桩承载力检测结果

结束语：本文结合实际工程对海陆交互相沉积层地质条件下PHC桩的设计和应用进行了阐述，为沿海地区的管桩工程设计和施工提供参考。

1 沿海地区普遍存在深厚的淤泥土或淤泥质土，桩身压屈稳定和负摩阻是主控因素，稳定系数可根据桩基规范5.8.4条计算，对于交替分布的软土层可分段简化计算模型，取包络值。负摩阻区段可根据场地土的自重固结情况和上部荷载情况具体分析。

2 根据场地土层条件、建构筑物的平面布置，以及周围已建建筑物的距离，合理选择打桩顺序、沉桩方式和速度、引孔和减震措施，减少挤土效应、地面隆起和浮桩，保证管桩的施工质量。

3 合理确定收锤标准。地勘报告一般会提供收锤标准的建议，但是收锤标准受锤重、管桩规格及长度、收锤时间、地质条件等因素的影响较大，建议从最后贯入度、桩入土深度、每米锤击数、最后1米锤击数、桩端持力层及桩端进入持力层深度考虑，采用PDA打桩分析仪作为辅助措施，进行定性定量分析，准确确定收锤标准。

4 建构筑物的桩基检测可按相同地质条件和设计条件进行区域划分，按区域进行桩身完整性检测和承载力检测，桩身完整性常采用高应变或低应变法，承载力检测建议采用静载试验。

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