鋼管混凝土管樁在工程中的應用

毛永平 季永光

（建華建材科技（廣東）有限公司）

0 引言

鋼管混凝土管樁（以下簡稱SC 管樁）是采用牌號為Q235B、Q355B 或Q500B 的鋼板（鋼帶）經卷曲成型焊接制成的鋼管內澆注混凝土，經離心成型，混凝土抗壓強度不低于80MPa，具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。鋼材拉壓強度高、彈塑性好、但易失穩屈曲，而混凝土抗壓強度高、抗拉能力弱。離心鋼管混凝土充分發揮二者的優點，鋼管借助內壁混凝土增強其穩定性，混凝土借助鋼管的環向約束作用，處于三向應力狀態，抗壓強度大幅度提高。這種新型的管樁充分利用鋼材和混凝土兩種材料的特性，其抗錘擊能力比PHC 管樁好，又能穿透較厚的較硬土層，而樁材的生產成本又較鋼管樁（SP 樁）或鋼管混凝土灌注樁（SCP 樁）節省，不但有鋼管樁的韌性和較高的抗拉強度，還具有PHC 管樁強度高、價格合理的優點，技術經濟效益顯著。

國內相關的標準有：《水運工程預制高強混凝土薄壁鋼管樁設計與施工規程》JTS167-15-2019，電力行業標準《薄壁離心鋼管混凝土結構技術規程》DL/T 5030-1996；寶山鋼鐵股份有限公司編制的企業標準Q/BGJ019-2005《TSC 管樁（薄壁鋼管離心混凝土管樁）產品質量驗收規程》和Q/BGJ020-2005《TSC 管樁（薄壁鋼管離心混凝土管樁）施工與質量驗收規程》；行業產品標準《預制高強混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272。SC 管樁在國內主要用于碼頭或海洋平臺高樁承臺建設時使用800～1200mm的大直徑SC 管樁，而小直徑的SC 管樁在上海寶鋼和天鋼高爐建設中應用。針對SC 管樁的鋼管與混凝土的粘結強度、抗彎及抗剪的理論計算實驗驗證、抗震性能等研究很少。

日本為地震頻發的國家，SC 管樁是一個成熟產品，用量在預制樁基礎中占比為5%左右，而且樁基設計一般采用組合樁的形式，從下到上一般采用PHC、PRC 及SC 管樁的組合形式，與承臺連接的樁采用SC 管樁。SC管樁直徑從400mm 至1200mm 均有應用。同時在日本，對于SC 管樁根據采用的混凝土強度不同，分為80MPa 和105MPa 兩種類型。

圖1 鋼管混凝土管樁（SC 管樁）

1 既有成果

同濟大學的呂西林院士、寶鋼的王懷忠博士等基于寶鋼的四號連鑄機、三熱軋、五冷軋等項目的建設，對9組400mm 和600mm 的SC 管樁進行粘結、抗彎實驗和1:3 短柱實驗，同時對12 組已施工的樁基進行抗壓、抗拔靜力實驗，實驗表明：①鋼管與混凝土間的粘結強度約為3.44MPa；②彈性抗彎彎矩為行業產品標準《預制高強混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272 中規定的極限彎矩值的1.1 倍，抗彎能力被嚴重低估；③短柱抗壓實驗值為設計值的1.5 倍；④抗壓、抗拔靜力實驗值滿足設計要求。可替代原設計的400 直徑的鋼管混凝土灌注樁，經濟優勢明顯。

合肥工業大學的周安教授等對20 組400 直徑的SC 管樁進行鋼管與混凝土的粘結、抗彎實驗、抗剪實驗、填芯和不填芯構件抗震實驗及有限元模擬。實驗結果表明：①粘結實驗中破壞狀態為混凝土壓碎，鋼管與混凝土間的粘結強度約為4MPa，大于鋼筋混凝土中鋼筋與混凝土的粘結強度3.0～3.5MPa，在壓彎或軸壓狀態下，鋼管和混凝土間不會產生滑移。依據文獻《寶鋼工程長樁理論與實踐》，管樁打入施工時鋼管與混凝土之間產生的最大剪應力在0.04～0.05MPa 范圍，該值遠小于界面抗剪強度試驗結果，因此SC 管樁的錘擊沉樁施工不會導致鋼管與混凝土發生界面粘結失效；②抗彎實驗時其撓跨比小于1/250，極限抗彎實驗值遠大于行業產品標準《預制高強混凝土薄壁鋼管樁》JG/T 272 中規定的極限彎矩值，實驗值與理論值之比大于1.48，行業標準中的極限彎矩制定過于保守，與實際不相符。破壞形式為變形不收斂，鋼管未出現拉裂現象。③抗剪實驗值的極限值遠超理論計算值3 倍以上，破壞形式為局部壓碎。④抗震實驗中，隨著位移分級加載的增大，鋼管根部拉壓屈服，并產生塑性殘余變形，這種殘余變形在反向加載時不能恢復，導致屈曲變形，由于內部混凝土的支撐作用，屈曲表現為外凸變形，隨著反復交替拉壓變形，首先螺旋焊縫撕裂，內部混凝土破碎成顆粒狀溢出，樁的抗彎承載力開始明顯下降，最后鋼管橫向疲勞斷裂，抗彎承載力突降，達到承載力極限。⑤填芯對于抗震性能幾乎無影響。位移延性系數為4.2～4.6，極限變形是常規等徑管樁的3 倍以上。極限承載力是常規等徑管樁的3 倍以上。

實驗及應用案例表明，SC 管樁具有卓越的抗壓、抗彎、抗震能力，樁身強度高，同時具有良好的抗錘擊能力和抗變形能力。在廣東省內普遍存在的巖溶地區、上軟下硬、堅硬中微風化夾層、表層土含拋石等復雜地質環境下可選用，超高層建筑的樁基工程，以及在常規PHC和PRC 難以滿足的深基坑支護工程，給設計提供更多的選擇。

SC 管樁可單獨使用，可與其它如PHC 和PRC 等組合使用，等徑或不等徑的組合樁連接大樣如圖2、圖3所示，同時也可在更大直徑的攪拌樁內插入SC 管樁形成勁性復合樁，使用環境有如下情況：①表層土含拋石時，可使用SC 管樁作為最底節使用，穿透表層土后，再連接其它相對性價比更高的預制樁形成組合樁，SC 管樁和其它樁可等徑或不等徑，充分利用其抗錘擊能力強和穿透能力強的特點；②存在上軟下硬、堅硬中微風化夾層時，可全長使用SC 管樁；③巖溶地區存在爛樁率高的問題，部分項目采用SC+PHC 組合使用，可有效控制成樁，承載力可保證；④水泥土攪拌樁內插入SC 管樁或預鉆孔后植入SC 管樁，可充分利用更大直徑攪拌樁提供的外側摩阻力，發揮SC 管樁樁身強度，提高單樁承載力，減少樁數或減少SC 管樁直徑，在超高層建筑中有利于樁基的布置。

圖2 等徑SC 和PHC 焊接接樁

圖3 不等徑SC 和PHC 焊接接樁

用于中、強腐蝕環境下的SC 管樁的鋼管應進行防腐處理，根據陸上工程、海港和河港工程的不同使用條件，采取下列防腐措施：①增加鋼管壁厚預留腐蝕余量；②防護層保護，即外壁采用熱噴涂鋅（鋁）加環氧瀝青油漆封閉，或加覆多層防腐涂層；③水下采用陰極保護如外加電流或犧牲陽極。④選用耐腐蝕鋼種。

2 工程應用

佛山市某養殖廠房項目，建筑場地位于廣東省佛山市三水區。地處珠江三角洲平原腹地，地貌形態單一。場地地形起伏變化不大，16.6 ～16.7m，最大高差約0.10m。建筑場地所處區域地層為下石碳系（C）灰巖，場地未發現全新世活動證據。根據鉆探揭露，場區內未發現有斷裂跡象。根據本次巖土工程勘察工作，未發現新的構造斷裂通過。主要土層分布：①素填土：灰褐色，由粘性土，砂土等，近幾年堆積，濕，松散，平均值4.38m。②粉質粘土：灰，可塑～硬塑，含中粗砂，干強度中等，韌性中等，平均值3.70m。③粉質粘土：灰，軟塑～可塑，含粉細砂，干強度中等，韌性中等。平均值6.12m。④微風化灰巖：灰，白，較完整，隱晶質結構，塊狀構造，呈柱狀，巖質堅硬。平均值4.17m。

地質剖面圖如圖4 所示，因巖層為微風化巖層，屬于典型的上軟下硬土層，管樁難以貫入，樁端放置于巖面。本工程初步設計時，管樁選型為PHC500125AB，單樁承載力特征值取值為1600kN，單樁長度14～20m。因管樁無法嵌入微風化層，端阻的取值很低，基本以端承摩擦樁進行設計，故單樁取值很低。靜壓管樁至巖面，由于巖面的起伏不定，樁長難以預估，加壓施工使樁端至巖面時，樁頭容易出現傾斜而爆裂，導致斷樁，特別是存在的接樁時的底節樁出現爆頭的幾率非常高。初期施工時，斷樁率高達10%，后經設計優化調整：①降低單樁承載力，單樁承載力特征值改為1400kN；②單節樁的樁頭部分加強；③兩節樁的底節采用SC 樁。調整設計方案后，斷樁率降至0.1%。順利完成樁基施工。

表1 土層物理力學參數

圖4 地質剖面圖

圖5 SC+PHC 組合樁

3 結論

通過鋼管混凝土管樁的構造及國內外的試驗研究進展進行簡要介紹，結合工程應用進行驗證，得出以下結論：

⑴SC 管樁的鋼管與混凝土之間具有良好的粘結性能，施工階段和使用階段的鋼管與混凝土不會發生界面粘結失效；

⑵相對于管樁，SC 管樁的抗壓性能、抗彎性能和抗震性能卓越。同時具有良好的抗錘擊能力和抗變形能力；

⑶管樁在特殊地質如上軟下硬和巖溶地區等應用時，樁端遇到堅硬巖層或者樁端遇到斜巖傾斜時出現破損，可采用SC 管樁和PHC 管樁組合樁。巖溶發育充分時宜降低單樁承載力。