沿海建筑預應力混凝土管樁設計實例

孫舉飛，袁鳴紫

福建省建研工程顧問有限公司，福建 福州 350000

1 工程概況

本工程位于福州市某縣沿海地區(qū)，為一棟中學學生宿舍樓及食堂，宿舍樓地上六層，建筑高度22.1m；食堂地上一層，建筑高度4.1m。食堂與宿舍設縫分開。宿舍樓最大單柱總荷重為3770kN，食堂最大單柱總荷重為840kN。建筑物的場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第三組。

2 場地工程地質情況

場地土層從上至下分別為①層素填土、②層填砂、③層淤泥、④層粉質粘土、⑤層含碎石粉質粘土、⑤-A 層碎石、⑤-B層淤泥質土、⑥層全風化花崗巖、⑦-1 層砂土狀強風化花崗巖、⑦-2 層碎塊狀強風化花崗巖、⑧層中風化花崗巖。

本工程場地位處抗震設防烈度6 度區(qū)，但由于建筑物工程抗震設防類別為重點設防類別（乙類），故須按7 度區(qū)判定飽和粉土及砂土液化。本工程巖土工程勘察報告判定，②層填砂為輕微液化［1］。

場地上層土①～③層均為工程性能較差的軟土，在未地基處理的情況下不適合作天然地基持力層。此三層軟土厚度達8～10m，故不適合淺基礎，可采用樁基。

本工程場地地下水（承壓水）對混凝土結構及其中的鋼筋具微腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

3 樁型選擇

樁基可選擇預制樁及灌注樁。在綜合考慮場地地質情況、建筑物結構特點及柱底力情況，本工程優(yōu)先使用PHC 樁基礎。采用PHC 樁時，樁徑宜采用Φ500 型管樁或Φ600 型管樁。從土層分布可判斷，樁基受力特征為摩擦端承樁，以⑥層全風化花崗巖土層為樁端持力層，樁尖進入持力層2d［2］。根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》5.3.5 及本工程巖土工程勘察報告提供參數(shù)估算單樁承載力特征值平均值Ra，Φ500 管樁為2410kN，Φ600 管樁為3050kN。有效樁長約為45m。

4 預應力混凝土管樁的限制使用情況

預應力混凝土管樁雖然有許多優(yōu)點，但也有使用限制，在以下幾種情形中不宜使用：（1）當管樁接頭位于對鋼結構具強腐蝕性環(huán)境中時，因難以對接頭焊縫或機械式連接接頭進行有效的防腐措施保證接頭的安全性，故對鋼結構具強腐蝕性的場地不宜采用多節(jié)預制管樁。（2）承臺底以下存在較厚的中等或嚴重液化土層，且預制管樁不能穿越液化土層伸入較硬土層一定長度時不宜使用預制管樁。因為在地震的作用下，承臺周邊土層液化嚴重，形成高樁承臺，承臺周邊土無法幫助樁頂承受水平力。特別是小直徑的預制樁，樁身承受水平能力弱，在此情況不應使用。（3）結構高度較高無地下室的建筑，且承臺位于軟弱土層時不宜使用預制管樁。結構高度較高的建筑，往往單樁抗壓承載力較高，承臺位于軟弱土層又無地下室時管樁的單樁水平承載力較低，此時管樁受壓能力遠大于受水平力能力，按受壓配置樁數(shù)時樁身（特別是小直徑樁）可能無法滿足抗剪要求。在未經(jīng)過抗剪承載力驗算并加大管樁填芯長度的情況下不宜采用。（4）樁端持力層為碎卵石、強風化巖、中（微）風化巖等堅硬土層，但持力層以上全部為淤泥（質土）層等軟弱土層時不宜使用預制管樁。以堅硬土層作為持力層時，預制管樁無法進入堅硬土層太深，而持力層以上全都是軟弱土，無法對樁身提供有效的約束，樁身受力相當于自由端極長、約束端極短的懸臂桿件受壓，穩(wěn)定性極差［3］。

以上幾種情形是在使用預制混凝土樁時應特別慎重的情況，當必須使用時，應嚴格驗算并采取措施，保證管樁的安全可靠。對比本工程，場地無強腐蝕環(huán)境；建筑高度＜24m，為多層建筑；承臺以下填砂為輕微液化土層，厚度為1.5m 左右；持力層⑥層全風化花崗巖以上存在厚度達30m 左右的較硬土層⑤層含碎石粉質粘土，對樁身約束較好。本工程不存在前述不宜使用管樁的情形，故可使用PHC 樁，但土質條件復雜，應采取有效措施。

5 中等腐蝕條件下預應力混凝土管樁措施

本工程樁身防腐蝕保護措施可采用：（1）選用壁厚≮125mm 的AB 型及以上的樁，本工程選用PHC600-130-AB 型樁。（2）通過合理配樁保證接頭不處于中等腐蝕環(huán)境下。（3）最頂上一節(jié)管樁樁身混凝土應摻入鋼筋阻銹劑和有效的礦物摻合料；摻量應通過試驗確定，試驗標準為樁身混凝土的氯離子擴散系數(shù)應小于3.0×10-12m2/s；樁身混凝土通電量指標應小于1200 庫侖。（4）PHC 管樁中需摻入磨細摻合料，且管樁預應力棒直徑應≮9mm。（5）最頂上一節(jié)樁樁孔內(nèi)灌滿C35 微膨脹混凝土。

即使管樁接頭未處于中等腐蝕性地下水中，仍處于對鋼結構具有弱腐蝕性的承壓水中，也應采取措施增加接頭的腐蝕裕量。本工程采取的措施包括：端頭板厚度≥18mm，接頭焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離≥14mm。管樁接頭焊接道數(shù)應≮4 道［4］。

6 樁側負摩阻力的影響

本工程樁周存在松散填土層及軟弱土層，且素填土及填砂堆填時間為3～5 年，在地面沒有明顯的附加荷載的作用下，此三層軟土不可能完成自固結，所以應考慮樁側負摩阻力的影響。本工程PHC 樁為端承型樁，除中性點以上樁側阻力不應考慮外還需考慮負摩阻力引起的基樁下拉荷載。本工程設計時中性點深度取軟土層厚度，下拉荷載按JGJ 94-2008 第5.4.4 條計算。在靜載試驗樁處于軟土層的樁身表面未處理時，試樁靜載荷試驗值除考慮上部荷載及下拉荷載外，還應考慮軟土層在計算時不應考慮但在靜載時實際存在的樁側阻力。

7 液化土層的影響

本工程承臺以下存在厚度為1.5m 左右輕微液化土層②層填砂，建筑物為乙類設防，根據(jù)GB50011-2010（2016 版）《建筑抗震設計規(guī)范》應采取部分消除液化沉陷或對基礎及上部結構處理的抗液化措施。本工程PHC 管樁樁端已深入液化深度以下穩(wěn)定土層達三十幾米，已達到全部消除低級液化沉陷。設計時因負摩阻力影響，填砂層樁側阻力未考慮，相當于填砂層液化影響折減系數(shù)為0。PHC管樁樁端2m范圍螺旋箍間距已加密，符合抗震設計規(guī)范要求。

8 其他措施

對于單柱單樁和單柱兩樁處加大地梁截面，使承臺兩側地梁線剛度之和為底層柱線剛度的2 倍。本工程無地下室，單柱下單樁或兩樁短向情況下柱底彎矩無法由管樁自身承受，而需要地梁來平衡，這需要地梁有一定的剛度水平。

本工程無地下室，管樁水平承載力較弱，本工程在布樁時不能僅按受壓控制，還應驗算水平承載力。

本工程存在管樁難以穿越的較硬土層⑤層含碎石粉質粘土、⑤-A 層碎石，且厚度較厚，設計時考慮預引孔措施。

9 結束語

在復雜地質條件下使用預應力混凝土管樁時，應考慮各種不利因素的影響，加強驗算并采取措施。樁基全面施工前應通過試樁驗證措施的有效性，最終確定最合理的樁基方案。