南寧地區預應力管樁設計的關鍵技術

馮江泉,施禮德,張海義

(南寧市建筑規劃設計集團有限公司，廣西 南寧 530002)

0 引言

預應力混凝土管樁是體現了當代混凝土技術進步與混凝土制品高新技術水平的一種預制混凝土樁，與其他樁基礎相比較，具有制作工藝簡單、質量容易保證、植樁方便、耐打性能好、造價便宜、檢測方便、施工速度快等優點。近20多年來，預應力混凝土管樁在我國的生產與應用以驚人的速度迅猛發展，在南寧地區也應用得比較多，但是目前預應力混凝土管樁的研究明顯落后于工程應用。南寧地區的工程地質有其特殊性，相應的預應力混凝土管樁在工程實踐中必須有一些注意事項，不然就容易出現工程質量問題。本文是筆者負責的南寧地區的幾個工程具體使用預應力混凝土管樁的關鍵技術的經驗介紹。

1 相思湖畔住宅小區預應力管樁基礎

和思·相思湖畔住宅小區在南寧市西鄉塘區相思湖北路，工程地質情況是場地覆蓋層主要為第四系新近人工雜填土，第四系淤泥質粉質黏土，第四系更新統望高組沖積硬塑粉質黏土、可塑粉質黏土、軟塑粉質黏土、圓礫、軟塑粉質黏土、礫砂；下伏基巖為第三系(古近系)強風化泥巖、中風化泥巖組成。圓礫層是黃色，灰白色，密實，局部地段中密，飽和，成分主要為石英、砂巖、燧石等。低壓縮性且厚度較大，層厚0.80 m～23.50 m，是良好的靜壓樁樁端持力層，見圖1。

圓礫層的樁端阻力極限標準值為qpk=8 000 kPa,粉質黏土的qsik=60 kPa,按照公式(5.3.3-1)[1]。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp。

計算出單樁豎向承載力特征值為770 kN,遠遠小于南寧市的經驗值。預應力混凝土管樁在施工過程中巨大的壓樁力通過樁身作用于樁端土層，極大的改變了該處的力學性能，形成了一個壓力球根。壓力層層向下擠壓，樁端土體反力隨土顆粒密度、壓縮模量、變形模量增大而增大，樁端以下土體及周圍土體層層擠壓密實并重新排列，形成一層超壓密土層包圍在樁端以下，大大的增加了樁端阻力，提高了單樁承載力，在樁身不被破壞的前提下，壓樁力可以加得很大，從而得到的承載力也大[2]，甚至可以按照樁身強度控制設計，比如湖北省地方標準DB 42/489—2008預應力混凝土管樁基礎技術規程的7.4.3條“當樁端持力層為中密及中密以上砂類土、碎石土、硬塑和堅硬的老黏性土、風化巖，且持力層以下的土層承載力不低于持力層承載力時，宜以樁身強度控制設計，可采用壓樁力或貫入度控制樁長。對以樁身強度控制設計的短樁，樁距宜適當加大。”這個設計理念可以取得顯著的經濟效益。本工程采用PHC-400-AB-95預應力混凝土管樁，樁身混凝土強度等級為C80，單樁豎向承載力特征值設計取值為1 200 kN，比規范理論計算值高56%。現在流行的旋挖樁因其機械扭矩大、速度快、鉆透深度可進入硬巖而大受青睞。但是其缺點也是很明顯，在其鉆孔取土的過程就是樁周及樁底土體應力釋放的過程，在巨大的鉆頭旋挖取土過程中甚至增加了樁端持力層的裂隙。這一施工工序降低了樁與土體的摩擦力與端承力，造成了樁承載力低、沉降量大。

筆者負責的望州嶺的某住宅小區使用的就是旋挖樁，后來靜載檢測都不合格，沉降大。旋挖樁的單樁豎向承載力一般高達5 000 kN～10 000 kN，不能像預應力混凝土管樁那樣通過低成本的復壓來提高單樁豎向承載力。本工程的電梯底坑處的預應力混凝土管樁的樁長僅5 m，易受周圍樁施工的影響，后來靜載檢測不合格，通過簡單的復壓就可以了。

靜壓預應力混凝土管樁的靜壓力一般取單樁豎向承載力的2倍～3倍，幾乎就是“所見即所得”了，大大便利了單樁豎向承載力的判斷。當然靜壓樁的單樁極限承載力與施工的終壓力不能完全等同起來，有時候可以等同，大部分情況不能等同，因為兩者是兩個不同性質的力，但是又有一定的聯系，廣東對這兩者的關系的研究花了較大的力氣，得出了兩者之間關系的經驗公式如下列入了廣東省標準DBJ/T 15-94—2013靜壓預制混凝土樁基礎技術規程中：

當6 m≤L≤9 m時，Ra=(0.30～0.40)Pze；

當9 m

當16 m

當L>25 m時，Ra=(0.50～0.58)Pze。

而其他類型的樁都沒有預應力混凝土管樁這種特點。中華人民共和國行業標準JGJ 94—2008建筑樁基技術規范的5.3.1條規定“設計采用的單樁豎向極限承載力標準值應符合下列規定：1)設計等級為甲級的建筑樁基礎，應通過單樁靜載試驗確定；2)設計等級為乙級的建筑樁基礎，當地質條件簡單時，可參照地質條件相同的試樁資料，結合靜力觸探等原位測試和經驗參數綜合應通過單樁靜載試驗確定；其余均應通過單樁靜載試驗確定。”即樁基在未大面積施工前應該先進行單樁靜載試驗。而南寧地區的工程一般設計周期短，往往是設計工程師根據地勘報告使用公式估算單樁豎向極限承載力，然后在樁基施工完后再進行單樁靜載試驗進行驗證復核。這樣就有比較大的風險，像開盲盒一樣，可能不滿足設計要求的單樁豎向極限承載力，而預應力混凝土管樁就沒有這個缺點，在施工第一根管樁時就基本知道該場地的單樁豎向承載力。

2 榮和伍壹華府項目預應力管樁基礎

南寧市榮和江城房地產開發有限公司在南寧市江南區規劃路五富街和宣德路西北側的榮和伍壹華府項目的基礎采用靜壓管樁(型號：PHC-AB500(125)，樁身混凝土強度等級為 C80，單樁豎向承載力特征值為 1 800 kN。樁端持力層為圓礫，局部為強風化泥巖，見圖2，圖3。

南寧的泥巖是“巖不巖、土不土、似巖非巖、似土非土”的介于巖石和土之間的過渡類型，歸屬于軟質巖石類[3]，是典型的脹縮性巖土，含有大量的親水礦物，如蒙脫石、伊利石、綠泥石以及高嶺石，具有顯著的吸水膨脹軟化、崩解性能。樁端持力層為強風化泥巖時就必須特別注意。常規工程措施有樁孔內灌C25混凝土2 m高，阻止水由管樁空腔下滲。但是地下水還是有其他途徑滲入到強風化泥巖中，即：1)壓樁時沿樁身四周滲入；2)巖層起伏，坡面附近的卵石層的水直接滲入樁端持力層；3)部分管樁樁芯中的水有可能沿管樁內壁與封底混凝土的裂隙滲入樁端持力層[4]。采用混凝土填芯法不能完全解決水對管樁持力層軟化的影響。可以引孔加大樁長增加樁側阻力來彌補樁端土軟化承載力下降的缺陷，或者單樁承載力的取值預留一定的富余度，復壓(打)也是一種有效的應對方法。其實不管是預應力混凝土管樁還是常規的鉆孔樁，甚至是勘察時的鉆孔，都要注意孔底有水時軟化樁端持力層的問題。

3 南寧市測繪地理空間大數據中心及北斗衛星公共服務平臺項目預應力管樁基礎

南寧市測繪地理空間大數據中心及北斗衛星公共服務平臺項目位于南寧市五象新區金良路南側、慶顯嶺路北側，地層情況見圖4。

勘察報告推薦“考慮適用性、工期結合經濟性，建議優先考慮采用靜壓預制樁，以②含礫粉質黏土層作為樁端持力層，其有效樁長應根據擬建筑物上部實際荷載進行驗算且不少于6.0 m，并進入持力層一定深度；其次為采用旋挖鉆孔灌注樁，以②含礫粉質黏土、③泥質粉砂巖或④礫巖作樁端持力層，樁端全斷面進入持力層不小于1倍～3倍樁徑，建議樁徑0.8 m～1.50 m。”施工圖設計選用了靜壓管樁(型號：PHC-AB500(125)-L(L為樁長，樁長不小于25 m)，樁身混凝土強度等級為C80，單樁豎向承載力特征值為1 700 kN，要求樁端全截面進入②粉質黏土層不小于 20 m。后來具體施工時因為場地表層為素填土、雜填土，回填時間約為2 a～3 a，回填時未經專門性碾壓，密實度差，評價其均勻性差。重達450 t的靜壓樁機無法施工，改為只有幾十噸的錘擊樁機施工。該工地位于郊區，無環境噪聲問題。在預應力技術，高強度等級混凝土引入管樁之前，預制樁在吊裝運輸過程中因為偶爾產生的拉應力極易產生混凝土裂縫。吊裝時的拉應力約2.1 MPa，C40的ftk=2.39 MPa，很接近混凝土的軸心抗拉強度。常用的預應力混凝土管樁PHC-AB500(125)的混凝土有效預壓應力是6.18 MPa，遠遠大于吊裝運輸過程中產生的拉應力。管樁在生產過程施加預應力，是犧牲了6.18 MPa的抗壓能力，但是C80混凝土的軸心抗壓強度標準值fck=50.2 MPa,僅僅損失了12.3%。預應力技術是先進技術，與混凝土結合后充分發揮了混凝土的抗壓強度等級高的優點，彌補了抗拉強度等級低的缺點。錘擊管樁在施工時在樁頂受到沖擊壓力，壓應力波經樁底反射會形成拉力波從而產生拉應力。該拉應力高達5.0 MPa～5.5 MPa[5-6]。所以在錘擊施工時應該選用混凝土有效預壓應力比較大的型號管樁。

4 南寧巖溶地區使用預應力管樁的技術注意點

在南寧的五象新區、武鳴區、吳圩機場一帶均有巖溶分布。根據2009年11月6日南寧市建設委員會的文件《關于加強預應力混凝土管樁質量管理的通知》(南建管[2009]40號)的規定，建設場地地下有巖溶地區的禁止采用預應力混凝土管樁。中南地區工程建設標準設計圖集20ZG207預應力高強混凝土管樁中“當樁基礎持力層為硬質巖時慎用，為石灰巖時禁用。”但是在工程實踐中，具體問題具體分析，不能一棍子打死，廣東廣西巖溶地區已經有不少使用預應力混凝土管樁的工程實例。一般情況下巖溶地區采用沖孔灌注樁，但沖孔灌注樁施工中遇到的問題不少，掉錘，卡錘。未知的溶洞深度，有的灌幾百包水泥都沒成功,還有數目眾多的超前鉆要求。后來出現了大扭矩的旋挖樁機可以入巖，但是施工速度慢、費用高。如采用靜壓沉樁，樁尖是慢慢接觸巖面的，如果巖面較平坦，靜壓管樁基本不會破損，但石灰巖巖面大多都是起伏不平，如果仍然采用常規的靜壓方法，壓樁的破損率就會達到40%。若采用一些特殊技術和措施，靜壓樁在石灰巖地區就能獲得成功，即從設計理念上講，要采用“小樁多樁”的理念[7]，即單樁的承載力設計值不能太高，一個承臺內布置多樁群樁，這樣即使有一兩根有問題，也不至于影響整個承臺的受力和穩定。另外，樁尖也很有講究，不要采用常用的平底十字型樁尖，應采用H型或井字型帶有多齒的鋼樁尖，增加抓巖能力，減少樁尖遇斜巖時偏斜，這樣容易立住腳跟不打滑。壓樁時，只要體會到樁尖接觸到巖面后就立即停止施壓，“零距離接觸”。當樁施壓好時，可立即在管樁內腔底灌1.5 m～2.0 m 高的加微膨脹劑的C30細石混凝土封底，目的是當樁尖在壓樁至巖面有損壞時，保證樁身(樁端)能有足夠的強度，并按偏心1/4d的偏壓構件驗算樁端強度，保證樁基安全。

5 結語

通過以上幾個南寧地區預應力管樁基礎工程實例，介紹了預應力管樁單樁承載力的取值，泥巖遇水軟化問題，錘擊樁的拉應力問題，巖溶地區使用管樁等關鍵技術經驗，供同行借鑒與參考。