浅谈预应力管桩设计

摘要：预应力管桩具有承载力高，工业化程度高等特点，同时在施工中易于操作，因此在工程中得到了广泛的应用。本文将以工程实例为依据，详细介绍了该工程基础方案的选择，以及重点阐述预应力管桩的设计过程。希望能对类似工程起到借鉴作用。

关键词：预应力管桩；基础方案；设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1.预应力管桩的优缺点介绍

（1）优点：预应力管桩具有多种不同的规格，抗压承载能力较大，因此在工程中具有较大的灵活性，适应范围广。不仅能够在多层建筑中采用，也能在高层建筑中采用，同时在桥梁、港口以及码头等工程中均能一定的实用性；预应力管桩桩端持力层起伏变化大，地质条件适应性较强；施工较为快捷，工程造价低，工期和质量都能有所保证，并且桩节长度多样化，可灵活进行搭配；施工现场污染较少，符合文明施工要求；工业化生产程度高，成桩质量有保证，承载力较高，穿透力强。

（2）缺点：预应力管桩施工设备较为昂贵，投资大；在施工中会产生震动，对土的扰动较大，会造成一定的环境影响；由于送桩深度受到限制，在基坑开挖之后需要截去较多的余桩，这会造成一定的浪费。管桩的抗剪承载力比较差，在砂层、石灰层、持力层为微风化岩、孤石和障碍物较多的地层容易断桩不宜采用，同时在地下水位较高的地区也不宜采用管桩。

2.工程概况及基础形式选择

本工程为某9层的建筑物，其结构形式采用的是现浇钢筋混凝土框架结构，柱下荷载轴力标准值在4000~5000kN之间。结构的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级。建筑抗震设防分类为丙类, 设计基本地震加速度值为0. 05 g;设计地震分组为第一组;地基基础设计等级为乙级。

经过地质勘察，本工程的场地土层从上到下如表1所示。根据资料显示，本工程施工现场以及一定的范围内并不存在影响工程稳定性的不良地质条件，本工程为Ⅱ类建筑场地。场地土层内的地下水主要为上层滞水为主，水质较好，对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋并不存在腐蚀性，而对刚结构具有弱腐蚀性。

表1 土层地质情况

根据工程地质情况、水位条件以及建筑结构形式和基础埋深要求等因素，当采用天然地基或者人工地基，上部土层为素填土和淤泥，其承载能力较小，在荷载作用下变形较大，因此无法满足位移的要求，同时考虑经济合理的原则，因此最终确定采用桩基础。

根据勘察报告的结果，可以采用的桩型有预应力管桩和沉管灌注桩两种。对两种桩进行比较：预应力混凝土管桩适合在持力层起伏变化较小的地层中采用，包括强风化层、风化残积土层、砂层和碎石土层；单桩承载力较高、同时成桩质量较为稳定；但是不适合在砂层、石灰层、持力层为微风化岩、孤石和障碍物较多的地层中采用，同时在地下水位较高的地区也不宜采用管桩。而沉管灌注桩适宜在持力层起伏变化较大的地层中采用，但是其单桩承载力不高，且成桩的质量较为不稳定；同时对于桩群密集，且为高灵敏度软土是也不适宜采用。综合考虑施工条件，环境因素以及建筑使用要求等，最终决定采用预应力高强度混凝土桩。由于本工程所处的位置对噪音的控制要求较高，如果采用锤击式会产生较大的噪音，不符合文明施工的要求 ，因此本工程预应力管桩的施工采用静压式。

3.预应力管桩设计

3.1持力层的选择

通常情况下，对于预应力管桩的持力层可以考虑强风化岩层、坚硬的粘贴层或者密实的砂层等。一般情况下，管桩可以打入到强风化岩中1~3m，而管桩不能打入到中风化岩，当然更无法打入到微风化岩层中，这是管桩持力层考虑的一个基本常识。管桩穿过覆盖层，进入到持力层一定深度内。在打桩的过程中，持力层会经受较大的挤压作用，这可以有效的提高持力层的承载力，管桩基础的工作特性主要表现为摩擦端承桩或者端承摩擦桩，从而可以充分发挥出管桩自身的高强度性能。当持力层顶面起伏变化较大时，可以根据具体的地质情况灵活的选择桩长。在以下几种情况的土质中是不适合采用预应力管桩：①存在坚硬的夹层；②石灰岩地区；③存在松软层到坚硬地层的突变；④存在较多的孤石和地下障碍物。从本工程的地质情况中，可以看出本工程场地内并不存在以上几种不适应的地质情况，经过分析，本工程最终选择强风化钙质胶结复成分砂砾岩作为预应力管桩的持力层，该层具有一定的厚度，强度高同时压缩性低。

3.2桩基承载特征值的确定

在进行预应力管桩单桩竖向承载特征值的确定，应综合考虑的因素包括桩身的承载能力以及土对桩的支撑能力。管桩桩身竖向承载设计值的计算公式为：R =Afcψc，其中A表示管桩的截面面积；fc表示混凝土轴心抗压强度设计值；而ψc代表工作条件系数，通常情况下可以取为0.7。而进行管桩单桩竖向承载力最大特征值计算时，可以采取的公式为：Ra =R /1. 35。根据场地内地质情况对预应力管桩的规格进行选择，其主要考虑的因此包括柱底最大轴力，剪力、弯矩以及桩中心距等。当在同一个建筑内柱底荷载村存在较大的差别时，可以将其划分为不同的区段，分别对管桩的规格进行确定。因此经过分析本工程主要采用的管桩的规格选定为PHC -A400 - 95、PHC-A500 - 100两种，管桩混凝土的强度取为C80，对应的轴心抗压强度设计值为35. 9N /mm2，将其 代入到如前所述的两个计算公式中，可以得到两种规格的预应力管桩单桩竖向承载力最大特征值为：PHC -A400 95为90981.5*35.9*0.7*10-3/1.35=1693.6kN；PHC-A500 100为125600*35.9*0.7*10-3/1.35=2338kN。

按土的强度确定管桩的单桩竖向承载力特征值应根据以下的原则进行：①单桩竖向承载力特征值应根据静载试验进行确定，桩的试验数量应控制在总装数的1%以上，同时不得少于3根。②对于单桩竖向承载力特征值计算可以按照公式进行估算：Ra =qpaAp +upΣqsiali，其中qpa表示桩端的端阻力特征值；Ap表示桩的横截面面积；up表示表示桩的周长；qsia表示桩侧阻力特征值；li表示土层的厚度。结合表1中土层的厚度，土体的地基承载力特征值以及预应力管桩设计指标等，对单桩竖向承载力特征值进行计算，其计算结果如表1所示。而根据静载试验，其结果如表2所示。

表1不同桩长下单桩竖向承载力特征值

表2建筑物预应力管桩单桩竖向承载力特征值

根据两种情况的最终计算结果以及静载试验的结果，经过分析，本工程单桩竖向承载力特征值采用的是静载试验的所确定的结果。

3.3管桩的布置

在进行桩基设计时，在柱和剪力墙处设置钢筋混凝土桩基承台，并根据荷载的大小以及分布情况进行桩的布置。不同桩基情况，预应力管桩的最小中心距应满足规范要求。根据本工程的具体情况，本工程预应力管桩的最小中心距应为3倍的桩径。在进行桩的布置时，应尽量确保桩群的重心和荷载的合力作用点能够很好的重合在一起。

3.4管桩的入土深度

在本工程中，经过设计计算，预应力管桩的桩端应进入持力层至少在1~3倍的桩径深度内。在进行管桩的施工时，根据管桩入土的方式不同，所采取控制指标也有所不同。本工程采用的是静压桩的方式入土，应以压力值控制为主，以设计桩长控制为辅，其终压力应以单桩承载力为依据。

4.结语

文章通过结合工程实例，系统地探讨了对预应力管桩在工程中设计全过程。针对工程地质的特点，对该地区预应力管桩的单桩承载力特征值计算方法进行了全面的阐述，同时总结出该工程中如何合理地布置管桩等，仅为同行提供参考。

参考文献:

1、 林利城．预应力管桩设计及施工技术分析 [J]．科技信息，2013，（04）：30-31.

2、 谈德明．预应力管桩设计与施工质量控制问题探讨 [J]．科技，2010，（07）28-34.

3、王杰．预应力管桩设计理论及其工程应用研究 [J]．中国新技术新产品，2011，（03）：28-34.