论文部分内容阅读
[摘要]：本文就预应力管桩的分类，工程应用中发现的问题以及单桩承载力的计算等几个方面对预应力管桩作简单介绍。
[关键词]：软基处理；预应力管桩；单桩承载力；
中图分类号：TU47 文献标识码：A
近年来，采用预应力管桩进行软基处理在绍兴地区的公路项目中得到了广泛的应用，特别是采用预应力管桩基础解决桥头跳车问题。预压力管桩应用于软基处理主要有以下三个优点：首先，预应力管桩单桩承载力较高，便于运输；其次，预应力管桩基础施工完成后工后沉降小，质量容易控制；最后，预应力管桩施工速度快，工效高，工期短。由于预应力管桩存在很多其它软基处理方法无可比拟的优点，因此近几年在绍兴地区得到了广泛的推广。
1 预应力管桩分类及特点
预应力管桩根据施加预应力的先后可分为：先张发预应力管桩和后张法预应力管桩。后张法预应力管桩又可以根据不同的标准分为若干类：根据混凝土强度等级可分为高强预应力管桩(代号PHC)和预应力管桩(代号PC)，两种预应力管桩主要区别在于钢筋型号和混凝土标号；根据有效预压应力值高低预应力管桩又可分为：A类、AB类、B类和C类，简单讲就是预应力筋数量及直径不同；根据桩尖形式的不同又可以分为开口桩和闭口桩。
预应力管桩与其它桩基相比具有以下特点：
1)单桩承载力高，比一般的素混凝土桩、粒料桩高很多；
2)工厂标化生产，产量大，质量稳定，特别适用于工期较紧的项目；
3)运输便利，方便施工，施工质量也能较好保证；
4)抗压能力出色，但钢筋含量较少，抗拔与抗弯类的工程需谨慎使用。
2 预应力管桩的设计施工注意事项
预应力管桩的施工方法很多,目前就公路项目来说主要采用锤击法和静压法，两者之间又以锤击法居多，静压法主要适用于市区或者施工条件受限区域。
绍兴地区软基分布广泛，很多区域除地表硬壳层之外底下几米到几十米的范围内均为淤泥质土。淤泥质土含水量极高，孔隙比大，属于高压缩性土，地基基本承载力允许值在60kPa左右。如果软土厚度超过一定范围时，出于工程经济方面考虑应对软基处理方案进行比选。根据浙江省内工程经验，当软基处理深度在20m范围以内的用预应力管桩进行软基处理比较经济；当软基深度超过20m范围时，一般情况下是采用轻质路堤进行软基处理比较经济。
虽然预应力管桩与其它传统的软基处理方式相比具有很多优势，如施工速度快，质量容易保证，适宜工厂化生产，工期较短等。但是预应力管桩的应用，同其他任何软基处理方案一样都有其局限性。软基处理方案的选用需要考虑多方面的因素,包括公路的自身因素、场地和环境因素、工程地质因素、施工、工期及经济因素等，其中工程地质因素是诸多因素中最主要的一个。同样预应力管桩对工程地质条件也存在适用性问题。以下列举几种情况用预应力管桩不适用的情况:
1)孤石和障礙物多的地层不宜应用；在有孤石和地下障碍物的区域内施打,管桩不能全部沉至同一持力层，当桩尖接触到孤石或地下障碍物时,桩身会偏离原位或大幅度倾斜。
2) 有坚硬夹层时不宜选用或慎用；所谓夹层，有些是密实的砂层，有些是密实的圆砾层，有些是钙或硅质胶结的砾石、碎石层。如果这些夹层厚度大且无软弱下卧层时，可以考虑作为预应力管桩的持力层。但若隔层厚度只有1 ～ 2m，其下又为软弱土层，那么预应力管桩必须穿过这个夹层，但这个夹层又很坚硬，很难穿越。
3)石灰岩(岩溶)地区不宜选用；石灰岩不能作为管桩的持力层，除非石灰岩上面存在可作管桩持力层的其他岩土层。大多数情况下，石灰岩上面的覆盖土层属于软土层，而石灰岩是水溶性岩石几乎没有强风化岩层，基岩表面就是新鲜岩面；在石灰岩地区，溶洞、溶沟、溶槽、石笋、漏斗等“喀斯特”现象相当普遍，在这种地质条件下采用预应力管桩，常常会发生工程质量事故。
以上介绍了预应力管桩的适用地质状况，下面来简单介绍下预压力管桩在施工过程中需要注意的事项：
1)桩机就位：打桩机就位时，应对准桩位，垂直稳定，确保管桩在施工中不发生倾斜、移动；
2)桩锤的选择：预应力管桩施工时，对桩锤的选择非常关键，若锤太轻，不能顺利将管桩送入土中，并且锤击次数过多容易造成桩身破坏；若桩锤太重，也会使桩身受损；
3)打桩:打桩宜采用重锤低击的施打方法，使打桩过程对预应力管桩桩身的影响降低到最低程度，同时承载力又能达到设计要求；
4)打桩的顺序：预应力管桩的施打可采取中间向两边对称施打，或中间向四周施打，若施打的管桩规格不一，应根据管桩的规格，宜采用先粗后细、先深后浅的顺序进行施打。
5)收锤标准:即停止施打的控制条件。收锤标准应由最后贯入度、桩长、总锤击数及最后1m锤击数、桩端持力层性质以及桩尖进入持力层深度等进行综合判断。目前绍兴地区内采用的以桩长控制为主，贯入度控制为辅的双控收锤标准。
3 单桩承载力的计算
预应力管桩单桩承载力的确定是预应力管桩设计过程中的重要一部分。要确定单桩承载力必须首先具备两个条件，即预应力管桩长度与工程地质报告，两者缺一不可。
1)桩长的确定。首先桩长一般应以能够穿透软土层为基础；对于巨厚软土层(大于30m)，桩长未能穿透时，应满足达到最危险滑弧面以下3m的深度，并应验算软弱下卧层的承载力。其次，桩端进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于2倍桩径；砂性土不宜小于1.5倍桩径；碎石类土，不宜小于1倍桩径。若持力层以下有软弱土层，该持力层的最小厚度不得小于10倍桩径。最后，桩长的具体取值应满足路堤沉降及稳定性要求。
2)单桩承载力计算公式
预应力管桩的单桩承载力主要包括侧摩阻力Qsk和端承力Qpk两部分，因此Ru可以按以下公式计算：
Ru=Qsk+Qpk=uskili+qpk(Aj+λpAp1)
li ——中性点以下的分层厚度；
qski——桩侧阻力标准值；
qpk——极限端阻力标准值；
Aj ——空心桩桩端净面积，Aj=π(d2-d12)/4；
Ap1——空心桩敞口面积，Ap1=πd12/4；
λp——桩端土塞效应系数，当hb/d＜5时，λp=0.16hb/d，当hb/d≥5时，λp=0.8；
hb ——桩端进入持力层深度；
d ——管桩外径；
u ——管桩的周长；
d1 ——空心桩内径，对闭口桩为0。
关于中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可以参考下表确定：
持力层性质 黏性土、粉土 中密以上砂 砾石、卵石 基 岩
中性点深度比
ln/l0 0.5～0.6 0.7～0.8 0.9 1.0
注：①ln、l0——分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度；
②当桩周土层计算沉降量小于20mm时，ln应按表列值乘以0.4～0.8折减。
下面通过一个工程实例来介绍公式如何应用的问题：
工程地质资料如左图，首先根据地质资料确定③11为持力层，管桩采用公路工程最常用的PC-400-A-95型，桩尖为开口型钢桩尖，根据桩端进入持力层的深度的规定，对于黏性土、粉土不宜小于2倍桩径即80cm，假定管桩进入持力层的深度为3倍桩径即120cm,那么预应力管桩长度为16m；其次根据上文表格确定中性点的位置，查表发现ln/l0取值范围为0.5至0.6，假定中性点深度比为0.5，那么中性点以下的分层厚度为16*0.5=8m；然后计算桩侧摩阻力和端承力。桩侧摩阻力Qsk=π*0.4*(11*6.8+30*1.2)=139.2kPa，端承力Qpk= qpk(Aj+λpAp1)，在这个公式中需要注意两个问题：①实际设计过程中开口桩由于存在土塞效可以按照闭口桩计算，公式可以简化为Qpk= qpkAj；②qpk极限端阻力标准值的取值应根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)表5.3.5-2选取。为了便于取值补充一个条件，即③11持力层液性指数Ll=0.43，经查qpk=2300～3300kPa，假定qpk=2300，那么Qpk=2300*π*0.4*0.4/4=289.0kPa；最后将两部分相加得到预应力管桩单桩承载力估算值Ru=Qsk+Qpk=139.2+289.0=428.2kPa。
4 结束语
预应力管桩在公路软基处理应用中因其质量可靠，施工速度快，工期容易保证，工后沉降较小等优点已经广泛应用于绍兴及周边区域，但是在实际应用过程中由于参建各方的多方面的原因还存在着不少亟待解决的问题。这需要我们广大技术人员通过不断的努力，不断的积累工程经验去解决，努力提高预应力管桩在公路软基处理应用中的技术水平。
参考文献：
[1]黄苏宁 预应力混凝土管桩基础设计应注意的问题，2006，林业科技情报；
[2]朱应铭 浅谈预应力管桩在软土地基中的应用，2005，广东建材；
[3]《浙江省公路软土地基路堤设计要点》，人民交通出版社；
[4]《公路路基设计规范》，人民交通出版社。
[关键词]：软基处理；预应力管桩；单桩承载力；
中图分类号：TU47 文献标识码：A
近年来，采用预应力管桩进行软基处理在绍兴地区的公路项目中得到了广泛的应用，特别是采用预应力管桩基础解决桥头跳车问题。预压力管桩应用于软基处理主要有以下三个优点：首先，预应力管桩单桩承载力较高，便于运输；其次，预应力管桩基础施工完成后工后沉降小，质量容易控制；最后，预应力管桩施工速度快，工效高，工期短。由于预应力管桩存在很多其它软基处理方法无可比拟的优点，因此近几年在绍兴地区得到了广泛的推广。
1 预应力管桩分类及特点
预应力管桩根据施加预应力的先后可分为：先张发预应力管桩和后张法预应力管桩。后张法预应力管桩又可以根据不同的标准分为若干类：根据混凝土强度等级可分为高强预应力管桩(代号PHC)和预应力管桩(代号PC)，两种预应力管桩主要区别在于钢筋型号和混凝土标号；根据有效预压应力值高低预应力管桩又可分为：A类、AB类、B类和C类，简单讲就是预应力筋数量及直径不同；根据桩尖形式的不同又可以分为开口桩和闭口桩。
预应力管桩与其它桩基相比具有以下特点：
1)单桩承载力高，比一般的素混凝土桩、粒料桩高很多；
2)工厂标化生产，产量大，质量稳定，特别适用于工期较紧的项目；
3)运输便利，方便施工，施工质量也能较好保证；
4)抗压能力出色，但钢筋含量较少，抗拔与抗弯类的工程需谨慎使用。
2 预应力管桩的设计施工注意事项
预应力管桩的施工方法很多,目前就公路项目来说主要采用锤击法和静压法，两者之间又以锤击法居多，静压法主要适用于市区或者施工条件受限区域。
绍兴地区软基分布广泛，很多区域除地表硬壳层之外底下几米到几十米的范围内均为淤泥质土。淤泥质土含水量极高，孔隙比大，属于高压缩性土，地基基本承载力允许值在60kPa左右。如果软土厚度超过一定范围时，出于工程经济方面考虑应对软基处理方案进行比选。根据浙江省内工程经验，当软基处理深度在20m范围以内的用预应力管桩进行软基处理比较经济；当软基深度超过20m范围时，一般情况下是采用轻质路堤进行软基处理比较经济。
虽然预应力管桩与其它传统的软基处理方式相比具有很多优势，如施工速度快，质量容易保证，适宜工厂化生产，工期较短等。但是预应力管桩的应用，同其他任何软基处理方案一样都有其局限性。软基处理方案的选用需要考虑多方面的因素,包括公路的自身因素、场地和环境因素、工程地质因素、施工、工期及经济因素等，其中工程地质因素是诸多因素中最主要的一个。同样预应力管桩对工程地质条件也存在适用性问题。以下列举几种情况用预应力管桩不适用的情况:
1)孤石和障礙物多的地层不宜应用；在有孤石和地下障碍物的区域内施打,管桩不能全部沉至同一持力层，当桩尖接触到孤石或地下障碍物时,桩身会偏离原位或大幅度倾斜。
2) 有坚硬夹层时不宜选用或慎用；所谓夹层，有些是密实的砂层，有些是密实的圆砾层，有些是钙或硅质胶结的砾石、碎石层。如果这些夹层厚度大且无软弱下卧层时，可以考虑作为预应力管桩的持力层。但若隔层厚度只有1 ～ 2m，其下又为软弱土层，那么预应力管桩必须穿过这个夹层，但这个夹层又很坚硬，很难穿越。
3)石灰岩(岩溶)地区不宜选用；石灰岩不能作为管桩的持力层，除非石灰岩上面存在可作管桩持力层的其他岩土层。大多数情况下，石灰岩上面的覆盖土层属于软土层，而石灰岩是水溶性岩石几乎没有强风化岩层，基岩表面就是新鲜岩面；在石灰岩地区，溶洞、溶沟、溶槽、石笋、漏斗等“喀斯特”现象相当普遍，在这种地质条件下采用预应力管桩，常常会发生工程质量事故。
以上介绍了预应力管桩的适用地质状况，下面来简单介绍下预压力管桩在施工过程中需要注意的事项：
1)桩机就位：打桩机就位时，应对准桩位，垂直稳定，确保管桩在施工中不发生倾斜、移动；
2)桩锤的选择：预应力管桩施工时，对桩锤的选择非常关键，若锤太轻，不能顺利将管桩送入土中，并且锤击次数过多容易造成桩身破坏；若桩锤太重，也会使桩身受损；
3)打桩:打桩宜采用重锤低击的施打方法，使打桩过程对预应力管桩桩身的影响降低到最低程度，同时承载力又能达到设计要求；
4)打桩的顺序：预应力管桩的施打可采取中间向两边对称施打，或中间向四周施打，若施打的管桩规格不一，应根据管桩的规格，宜采用先粗后细、先深后浅的顺序进行施打。
5)收锤标准:即停止施打的控制条件。收锤标准应由最后贯入度、桩长、总锤击数及最后1m锤击数、桩端持力层性质以及桩尖进入持力层深度等进行综合判断。目前绍兴地区内采用的以桩长控制为主，贯入度控制为辅的双控收锤标准。
3 单桩承载力的计算
预应力管桩单桩承载力的确定是预应力管桩设计过程中的重要一部分。要确定单桩承载力必须首先具备两个条件，即预应力管桩长度与工程地质报告，两者缺一不可。
1)桩长的确定。首先桩长一般应以能够穿透软土层为基础；对于巨厚软土层(大于30m)，桩长未能穿透时，应满足达到最危险滑弧面以下3m的深度，并应验算软弱下卧层的承载力。其次，桩端进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于2倍桩径；砂性土不宜小于1.5倍桩径；碎石类土，不宜小于1倍桩径。若持力层以下有软弱土层，该持力层的最小厚度不得小于10倍桩径。最后，桩长的具体取值应满足路堤沉降及稳定性要求。
2)单桩承载力计算公式
预应力管桩的单桩承载力主要包括侧摩阻力Qsk和端承力Qpk两部分，因此Ru可以按以下公式计算：
Ru=Qsk+Qpk=uskili+qpk(Aj+λpAp1)
li ——中性点以下的分层厚度；
qski——桩侧阻力标准值；
qpk——极限端阻力标准值；
Aj ——空心桩桩端净面积，Aj=π(d2-d12)/4；
Ap1——空心桩敞口面积，Ap1=πd12/4；
λp——桩端土塞效应系数，当hb/d＜5时，λp=0.16hb/d，当hb/d≥5时，λp=0.8；
hb ——桩端进入持力层深度；
d ——管桩外径；
u ——管桩的周长；
d1 ——空心桩内径，对闭口桩为0。
关于中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可以参考下表确定：
持力层性质 黏性土、粉土 中密以上砂 砾石、卵石 基 岩
中性点深度比
ln/l0 0.5～0.6 0.7～0.8 0.9 1.0
注：①ln、l0——分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度；
②当桩周土层计算沉降量小于20mm时，ln应按表列值乘以0.4～0.8折减。
下面通过一个工程实例来介绍公式如何应用的问题：
工程地质资料如左图，首先根据地质资料确定③11为持力层，管桩采用公路工程最常用的PC-400-A-95型，桩尖为开口型钢桩尖，根据桩端进入持力层的深度的规定，对于黏性土、粉土不宜小于2倍桩径即80cm，假定管桩进入持力层的深度为3倍桩径即120cm,那么预应力管桩长度为16m；其次根据上文表格确定中性点的位置，查表发现ln/l0取值范围为0.5至0.6，假定中性点深度比为0.5，那么中性点以下的分层厚度为16*0.5=8m；然后计算桩侧摩阻力和端承力。桩侧摩阻力Qsk=π*0.4*(11*6.8+30*1.2)=139.2kPa，端承力Qpk= qpk(Aj+λpAp1)，在这个公式中需要注意两个问题：①实际设计过程中开口桩由于存在土塞效可以按照闭口桩计算，公式可以简化为Qpk= qpkAj；②qpk极限端阻力标准值的取值应根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)表5.3.5-2选取。为了便于取值补充一个条件，即③11持力层液性指数Ll=0.43，经查qpk=2300～3300kPa，假定qpk=2300，那么Qpk=2300*π*0.4*0.4/4=289.0kPa；最后将两部分相加得到预应力管桩单桩承载力估算值Ru=Qsk+Qpk=139.2+289.0=428.2kPa。
4 结束语
预应力管桩在公路软基处理应用中因其质量可靠，施工速度快，工期容易保证，工后沉降较小等优点已经广泛应用于绍兴及周边区域，但是在实际应用过程中由于参建各方的多方面的原因还存在着不少亟待解决的问题。这需要我们广大技术人员通过不断的努力，不断的积累工程经验去解决，努力提高预应力管桩在公路软基处理应用中的技术水平。
参考文献：
[1]黄苏宁 预应力混凝土管桩基础设计应注意的问题，2006，林业科技情报；
[2]朱应铭 浅谈预应力管桩在软土地基中的应用，2005，广东建材；
[3]《浙江省公路软土地基路堤设计要点》，人民交通出版社；
[4]《公路路基设计规范》，人民交通出版社。