引言

 

　　 预应力混凝土管桩包括预应力高强混凝土管桩（简称“PHC桩”）、预应力混凝、土管桩（简称“PC桩”）和预应力混凝土薄壁管桩（简称“PTC桩”）等。由于预应力混凝土管桩具有供应充足、施工速度快、经济性好等优点，因而在工业与民用建筑工程中应用相当普遍。近年来，已有不少地区及不少工程采用预应力高强混凝土管桩作为抗拔桩应用于抗浮设计中，并取得了良好的效益。

 

　　1预应力混凝土管桩抗拔承载力的确定

 

　　 预应力混凝土管桩抗拔承载力应按以下现行规范及规程对抗拔承载力的规定来确定。

 

　　 （1）按建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）5.4.5，5.4.6确定抗拔承载力

 

　　 Nk≤Tgk/2+Ggp

 

　　 Nk≤Tuk/2+Gp

 

　　 a．群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算

 

　　 Tuk=∑λi*qsik*ui*li

 

　　 b．群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算

 

　　 Tgk=ul*∑λi*qsik*li/n

 

　　 式中Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Tgk为群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值；Tuk为群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值；Ggp为群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下取浮重度；Gp为基桩自重，地下水位以下取浮重度；ui为桩身周长；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；λi为抗拔系数；ul为桩群外围周长。

 

　　 （2）按建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）5.8.7确定抗拔承载力

 

　　 N≤fyAs*fpy*Apy

 

　　 式中N为按荷载效应基本组合计算下桩顶轴向拉力设计值；fy、fpy为普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；As、Apy为普通钢筋、预应力钢筋的截面面积。

 

　　 （3）按锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T15-22-2008）5.2.8确定抗拔承载力

 

　　 Rta=Up*∑λi*ξi*qsia*li+0.9Gp

 

　　 式中Rta为单桩竖向抗拔承载力特征值；Up为管桩桩身周长；λi为抗拔摩阻力系数ξi为管桩第i层土的侧阻力修正系数；qsia为管桩第i层土的侧阻力特征值；li为管桩穿越第i层土的厚度；Gp为管桩自重，对地下水以下部分应扣除水的浮力。

 

　　 （4）按锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T15-22-2008）5.2.9确定抗拔承载力

 

　　 Qt≤δpc*A

 

　　 式中Qt为相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向抗拔承载力设计值；δpc为管桩混凝土的有效预压应力值；A为管桩截面面积。

 

　　 （5）按锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T15-22-2008）5.3.2确定抗拔承载力

 

　　 La≥Qt/(fn*Upn)

 

　　 As≥Qt/fy

 

　　 式中La为桩顶填芯混凝土深度，不应小于0.2m；As为管桩内孔连接钢筋总截面面积；Qt为相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向抗拔承载力设计值；fn为填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值；Upn为管桩内孔周长；fy为钢筋的抗拉强度设计值。

 

　　 （6）接桩焊缝确定抗拔承载力

 

　　 N≤lw*he*fwt/1.2

 

　　 式中N为焊缝承受的拉力设计值；he为焊缝有效高度，he=0.7hf；hf为焊缝高度。lw为焊缝计算长度；fwt为角焊缝的强度设计值。

 

　　2预应力混凝土管桩抗拔失效分析

 

　　 预应力混凝土管桩作为抗拔桩使用时，因为设计及施工措施不当，出现抗拔失效的工程事故。预应力混凝土管桩出现抗拔失效的主要原因是，管桩与承台的锚固失效及采用多节桩时管桩接头失效。

 

　　2.1管桩与承台的锚固失效

 

　　 预应力混凝土抗拔桩与承台的连接包括管桩的桩顶填芯混凝土钢筋在承台的锚固和预制管桩的预应力钢筋在承台的锚固两部分。工程事故表明，导致预应力混凝土管桩与承台锚固失效主要情况如下：①当桩顶不截桩时，直接在管桩顶面的端板上焊接普通钢筋并将其锚入承台，导致抗拔失效的主要原因有：桩顶端板的厚度不足，导致端板拉脱失效；锚入承台的普通钢筋，其焊缝（与桩顶端板的焊缝）长度放向与钢筋的受力方向垂直，导致焊缝撕裂失效；桩身预应力钢筋在桩顶端板的锚固失效等。②当桩顶截桩时，桩与承台通过管桩填芯钢筋混凝土连接，填芯混凝土长度不足导致填芯混凝土与管桩之间摩擦力不足而拔出，或填芯混凝土中1号钢筋未做抗拉不足导致桩与承台连接失效。

 

　　2.2多节桩接头失效

 

　　 管桩接桩时，多采用桩顶端板的直接焊接接头或机械快速接头连接，管桩与管桩的连接焊缝或机械快速接头的连接销受腐蚀环境的长期影响而失效，造成接头下节管桩未能起抗拔作用，而上节管桩被拔出。

 

　　3采用预应力混凝土管桩作为抗拔桩的建议

 

　　 应结合工程经验合理使用预应力混凝土管桩。对软土地区工程、深基坑工程及承受较大水平力的基桩，应慎用预应力混凝土管桩。对预应力混凝土管桩的应用提出以下建议：①在民用建筑中不宜采用预应力混凝土薄壁管桩（PTC桩），对软土地区工程（如Ⅳ类场地的工程）、深基坑工程、承受较大水平力的基桩及处在腐蚀环境中的基桩等，严禁采用PTC桩。②预应力混凝土管桩施工中遭遇难进桩的地质层，应采取引孔等措施减少施工送桩对桩端及桩身的损伤。③预应力混凝土管桩作为抗拔桩使用时，建议采取下述可靠的结构措施以确保工程质量。

 

　　 （1）加强桩与承台的连接，采取综合措施（填芯及凿出桩头预应力钢筋等），确保桩头钢筋与承台锚固有效。

 

　　 a、当桩顶截桩时，应将桩头预应力钢筋锚入承台（锚固长度按混凝土规范公式确定，且不小于预应力钢筋直筋的50倍及500mm），并采取钢筋混凝土填芯措施，填芯长度不应小于5D（D为管桩外径。当基桩承受较大拉力时，填芯长度不应小于8D；当基桩不承受拉力时，填芯长度可取3D及1m的较大值）。填芯部分的纵向普通钢筋按承担基桩全部拉力计算，填芯混凝土的纵向钢筋在承台的锚固长度按混凝土规范公式确定，且不宜小于纵向钢筋直径的40倍。填芯混凝土应采用比承台混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土，浇灌前应对管桩内壁进行界面处理。适当长度的填芯钢筋混凝土，不仅可加强管桩与承台的连接，同时还能强化管桩桩顶、提高管桩抗剪承载力。

 

　　 b、当桩顶不截桩时，除应按上述设置填芯钢筋混凝土外，还应在桩头端板焊接厚度不小于10mm厚连接钢板，高度不小于150mm，与承台连接钢筋再与连接钢板焊接，并将其锚入承台（锚固长度按混凝土规范公式确定）。与承台连接钢筋直径可按上述公式确定。

 

　　 （2）采取措施确保多节桩接头的有效性。应按抗拉等强接头设计，焊接质量必须严格控制(分三层满焊)，并采取有效的防腐蚀、防锈处理措施。当设计中无法确保接头防腐、防锈措施的长期有效时（工程设计使用年限内），对接头的焊缝可参考钢桩的做法，留出适当的腐蚀余量（按等比关系对焊缝强度留有足够的余量）。否则，不应采用多节管桩作为抗拔桩使用，必须采用时，只可考虑最上节管桩的抗拔承载力。亦尽量避免桩顶截桩，以避免截桩操作不当影响管桩整体性，从而影响管桩抗拔承载力。

 

　　 （3）对软土地区工程（如Ⅳ类场地的工程）、深基坑工程、承受较大水平力的基桩等，应避免采用预应力管桩。必须采用时，应由地下室外墙、承台侧面的土压力（垂直于水平力作用方向的承台侧壁被动土压力）承担水平力，同时还应在管桩顶部设置填芯钢筋混凝土和在承台下方管桩顶部设置的钢筋混凝土扩大头承台，提高管桩的抗剪承载力。

 

　　 （4）对软土地基上较高的高层建筑（如当房屋高度超过50m时），不宜采用预应力混凝土管桩。

 

　　 （5）桩底持力层顶面起伏较大（＞5%）的地区，应慎用管桩。

 

　　 （6）实际工程中宜选用较大直径D、较大壁厚t（不宜小于80mm）的管桩。管桩的长径比不宜超过60，不应超过80。

 

　　 （7）在桩基础设计乃至地基基础的设计中，如何合理经济解决各种复杂工况下地基基础的设计问题，一直是工程界关注的问题。应重视各种复杂工况下的地基基础问题，对地基基础设计充分应考虑各种复杂工况影响，并采取有效的结构措施，确保工程质量。

 

　　4结束语

 

　　 预应力管桩作为抗拔桩设计和施工中须注意如下几点：

 

　　 (1)考虑各种复杂工况，确定最不利工况下预应力混凝土管桩抗拔承载力。

 

　　 (2)采取合理措施避免预应力混凝土管桩抗拔失效，保证工程质量。

 

　　参考文献：

 

　　[1]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）

 

　　[2]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）

 

　　[3]锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T15-22-2008）

 

　　[4]预应力混凝土管桩（10SG409）