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摘要：预应力混凝土管桩作为抗拔桩并不多见，尤其在我国北方广大地区。本文以广东佛山市南海区松岗污水处理厂二期工程为实例，对预应力混凝土管桩作为抗拔桩的设计作了介绍，结果表明，管桩作为抗拔桩在实际工程中是可行的。
关键词：污水处理池；管桩；抗拔
1．导言
先张法预应力混凝土管桩由于工艺简明，质量可靠， 施工快捷方便, 造价低廉,在我国南方沿海各省得到广泛应用，成为目前新建建筑物中常见的几种桩基础之一。预应力混凝土管桩一般情况下是按照抗压桩设计，但在遇到地下水位较高的工程中, 就需要采用其他措施来解决抗浮问题。而采用预应力混凝土管桩用作抗拔桩的工程例子并不多见。由于预应力混凝土管桩在经济指标方面具有明显的优势, 如果能实现用管桩作为抗压桩兼作抗拔桩, 则会大大节约投资, 并有效缩短工期。
本文以佛山市南海区松岗污水处理厂二期工程为依托，对预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩进行了实例分析，并对预应力混凝土管桩的抗拔性能进行了分析计算并做现场试验介绍，以期为类似工程提供借鉴。
2．工程概况
松岗污水处理厂二期工程设计规模3万吨/天，采用氧化沟工艺，主要盛水构筑物有二沉池、氧化沟、污泥池等。其中二沉池为圆形盛水构筑物，直径42米，底板底埋深4.1米，且地质条件极差，淤泥层较厚，是桩基设计中的难点。
根据勘察钻孔，场地地下水水位较高（相对稳定水位埋深为0.20m左右），考虑拟建场地邻近河道，抗浮设计水位宜取至设计地坪高程，场地地基土自上而下主要是人工填土、淤泥、淤泥质土、粉砂、中砂层等，其中淤泥、淤泥质土层厚6米左右，给桩基设计带来较大困难。
由于二沉池直径大、埋深深、水池内部无隔墙，且地下抗浮设计水位高，仅靠四周池壁和底板自重无法满足抗浮要求，扣除水池自重后作用于水池底板的水浮力为22.5KN/m2，因此需设置抗拔桩以满足抗浮要求。若采用增加配重等其他抗浮措施，则底板太厚，投資过大且施工困难。考虑到本工程构筑物荷载的特点，并本着节约投资的原则，本工程采用预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩。当水池内满水时，管桩主要以承受压力为主，当池内无水时，管桩主要以承受拔力为主，这样既满足了地基处理要求又满足了抗浮要求。
鉴于该类工程实例较少, 实测管桩抗拔承载力的数据也不多。下面将简要介绍该工程管桩抗拔承载力的计算及桩和承台的连接节点，管桩作为抗压桩的计算及其他验算从略。
3．预应力管桩抗拔承载力的分析计算
3.1 按管桩侧摩阻力及管桩自重计算
根据文献[3]第5.2.8条提供的公式进行预估单桩竖向抗拔承载力特征值，最终单桩竖向抗拔承载力特征值应由成桩后的竖向抗拔静荷载试验确定。该公式为：
Rτa= Up∑λi·ξsi·qsia·li +0.9Gp
式中 Rτa——单桩竖向抗拔承载力特征值(KN)；
Gp——管桩自重(KN)， 对地下水位以下部分应扣除水的浮力；
qsia——管桩第i层土(岩)的侧摩阻力特征值(KPa)；
Up——管桩桩身外周长(m)；
li——管桩穿越第i层土(岩)的厚度(m)；
λi——抗拔摩阻力折减系数，如无试验数据时可按本规程表5.2.8取值；
ξsi——管桩第i层土(岩)的侧阻力修正系数值，可按本规程表5.2.3-1取值。
具体计算过程略，经计算
Rτa=142 KN
按管桩侧摩阻力及管桩自重计算得单桩竖向抗拔承载力特征值取为 142 KN。
3.2 桩身承载力控制（一）
管桩基础的单桩竖向抗拔承载力特征值除应符合本规程5.2.7条规定外，尚应符合下列规定：
Qt≤σpc·A
Qt—— 相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向拔力设计值(KN)；
σpc ——管桩混凝土的有效预压应力值(KPa)，可按本规程式（3.0.12）计算；
A——管桩截面面积(m2)。
经计算σpc·A=678 KN
3.3 桩身承载力控制（二）
根据文献[1]第5.8.7条钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定：
式中：——荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值；
、——普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；
、——普通钢筋、预应力钢筋的截面面积。
经计算N≤1147 KN
3.4 桩头与承台的连接确定抗拔承载力
管桩作为抗拔桩时，除应充分重视桩身抗拉强度的验算外，还应十分注意管桩接头和桩顶锚固连接的质量。管桩与承台连接时，应采用桩顶填芯混凝土中埋设连接钢筋的连接方式，填芯混凝土应为无收缩混凝土，其强度等级不应低于C30。根据文献[3]第5.3.2条抗拔桩的桩顶填芯混凝土深度和连接钢筋总公称截面面积应按下列公式计算：
La≥
AS≥
La——桩顶填芯混凝土深度（mm），不应少于2.0m；
AS——管桩内孔连接钢筋总公称截面面积(mm2)；
Qt—— 相应于荷载效应基本组合时单桩竖向拔力设计值(KN)；
fn——填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值，宜由现场试验确定。当缺乏现场试验资料时，C30的掺微膨胀剂的填芯混凝土fn可取0.30~0.35 N/mm2；
Upn —— 管桩内孔圆周长（mm）
fy——钢筋的抗拉强度设计值（N/mm2）。
经计算 La=1050 mmAS=500 mm2
抗拔管桩应将管桩的纵向预应力钢筋全部锚入承台，这样破桩头费时费力费钱，而且浪费了近一米的桩长，而且人工破桩头对桩身质量不利，另一方面施工强度很大，C60的混凝土要人工凿近一米，十分费时费力，本工程采用机械截桩到设计标高，桩芯用内掺微膨胀剂的钢筋混凝土填充，外加剂的掺量应根据现场试验确定。桩顶填芯混凝土深度与连接钢筋的长度相同，一般的做法是用2~3mm厚的钢板做成一个圆形的托盘，托盘的作用是挡住填芯混凝土不下落到桩底，托盘的直径应比管桩内径小20mm左右，然后将连接钢筋的钢筋笼垂直焊在托盘上。填芯混凝土的施工质量与整个管桩基础的质量密切相关，一定要保证质量。
3.5 裂缝控制计算
由于管桩作为抗拔桩使用，管桩必然在水面以下工作，所以应严格限制管桩在工作状态下出现裂缝，既在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力。
根据文献[1]第5.8.8条对于抗拔桩的裂缝控制计算应符合下列规定：
对于严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力，应符合下式要求：
(5.8.8-1)
式中 ——荷载效应标准组合下正截面法向应力；
——扣除全部应力损失后，桩身混凝土的预应力；
经验算裂缝满足要求。
3.6 最终抗拔承载力的确定
经计算向上水浮力作用在每根管桩上的水浮力为119KN，因而在实际工程中取管桩抗拔承载力为120KN,均小于按前四项设计取用的抗拔承载力。
3.7 管桩的接头
管桩作为抗拔桩时，宜采用机械啮合接头，因为目前采用的电焊焊接接头，焊接质量不能完全得到保证，加上电焊接头经重锤打击后，容易产生开裂，降低抗拉强度，因此，应优先采用机械啮合接头。
4. 结语
（1）本工程将预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩。当水池内满水时，管桩主要以承受压力为主，当池内无水时，管桩主要以承受拔力为主,为建设单位节省了大笔的工程费用。
（2）桩顶可用机械截桩, 大大地缩减了人工剃桩头钢筋的工期, 而且有效地保护了桩身不被凿坏, 采用桩芯内插筋与桩承台的连接构造形式, 桩芯混凝土应选用具有微膨胀性能的混凝土浇筑, 桩芯浇筑长度和外加剂掺量可根据抗拔承载力和试验数据进行调整, 来达到最佳经济和工期效果。
本工程桩基施工完成后进行了抗压和抗拔静载荷试验，单桩竖向承载力完全满足设计及规范要求，目前本工程已投入使用一年有余，运行情况良好。
关键词：污水处理池；管桩；抗拔
1．导言
先张法预应力混凝土管桩由于工艺简明，质量可靠， 施工快捷方便, 造价低廉,在我国南方沿海各省得到广泛应用，成为目前新建建筑物中常见的几种桩基础之一。预应力混凝土管桩一般情况下是按照抗压桩设计，但在遇到地下水位较高的工程中, 就需要采用其他措施来解决抗浮问题。而采用预应力混凝土管桩用作抗拔桩的工程例子并不多见。由于预应力混凝土管桩在经济指标方面具有明显的优势, 如果能实现用管桩作为抗压桩兼作抗拔桩, 则会大大节约投资, 并有效缩短工期。
本文以佛山市南海区松岗污水处理厂二期工程为依托，对预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩进行了实例分析，并对预应力混凝土管桩的抗拔性能进行了分析计算并做现场试验介绍，以期为类似工程提供借鉴。
2．工程概况
松岗污水处理厂二期工程设计规模3万吨/天，采用氧化沟工艺，主要盛水构筑物有二沉池、氧化沟、污泥池等。其中二沉池为圆形盛水构筑物，直径42米，底板底埋深4.1米，且地质条件极差，淤泥层较厚，是桩基设计中的难点。
根据勘察钻孔，场地地下水水位较高（相对稳定水位埋深为0.20m左右），考虑拟建场地邻近河道，抗浮设计水位宜取至设计地坪高程，场地地基土自上而下主要是人工填土、淤泥、淤泥质土、粉砂、中砂层等，其中淤泥、淤泥质土层厚6米左右，给桩基设计带来较大困难。
由于二沉池直径大、埋深深、水池内部无隔墙，且地下抗浮设计水位高，仅靠四周池壁和底板自重无法满足抗浮要求，扣除水池自重后作用于水池底板的水浮力为22.5KN/m2，因此需设置抗拔桩以满足抗浮要求。若采用增加配重等其他抗浮措施，则底板太厚，投資过大且施工困难。考虑到本工程构筑物荷载的特点，并本着节约投资的原则，本工程采用预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩。当水池内满水时，管桩主要以承受压力为主，当池内无水时，管桩主要以承受拔力为主，这样既满足了地基处理要求又满足了抗浮要求。
鉴于该类工程实例较少, 实测管桩抗拔承载力的数据也不多。下面将简要介绍该工程管桩抗拔承载力的计算及桩和承台的连接节点，管桩作为抗压桩的计算及其他验算从略。
3．预应力管桩抗拔承载力的分析计算
3.1 按管桩侧摩阻力及管桩自重计算
根据文献[3]第5.2.8条提供的公式进行预估单桩竖向抗拔承载力特征值，最终单桩竖向抗拔承载力特征值应由成桩后的竖向抗拔静荷载试验确定。该公式为：
Rτa= Up∑λi·ξsi·qsia·li +0.9Gp
式中 Rτa——单桩竖向抗拔承载力特征值(KN)；
Gp——管桩自重(KN)， 对地下水位以下部分应扣除水的浮力；
qsia——管桩第i层土(岩)的侧摩阻力特征值(KPa)；
Up——管桩桩身外周长(m)；
li——管桩穿越第i层土(岩)的厚度(m)；
λi——抗拔摩阻力折减系数，如无试验数据时可按本规程表5.2.8取值；
ξsi——管桩第i层土(岩)的侧阻力修正系数值，可按本规程表5.2.3-1取值。
具体计算过程略，经计算
Rτa=142 KN
按管桩侧摩阻力及管桩自重计算得单桩竖向抗拔承载力特征值取为 142 KN。
3.2 桩身承载力控制（一）
管桩基础的单桩竖向抗拔承载力特征值除应符合本规程5.2.7条规定外，尚应符合下列规定：
Qt≤σpc·A
Qt—— 相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向拔力设计值(KN)；
σpc ——管桩混凝土的有效预压应力值(KPa)，可按本规程式（3.0.12）计算；
A——管桩截面面积(m2)。
经计算σpc·A=678 KN
3.3 桩身承载力控制（二）
根据文献[1]第5.8.7条钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定：
式中：——荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值；
、——普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；
、——普通钢筋、预应力钢筋的截面面积。
经计算N≤1147 KN
3.4 桩头与承台的连接确定抗拔承载力
管桩作为抗拔桩时，除应充分重视桩身抗拉强度的验算外，还应十分注意管桩接头和桩顶锚固连接的质量。管桩与承台连接时，应采用桩顶填芯混凝土中埋设连接钢筋的连接方式，填芯混凝土应为无收缩混凝土，其强度等级不应低于C30。根据文献[3]第5.3.2条抗拔桩的桩顶填芯混凝土深度和连接钢筋总公称截面面积应按下列公式计算：
La≥
AS≥
La——桩顶填芯混凝土深度（mm），不应少于2.0m；
AS——管桩内孔连接钢筋总公称截面面积(mm2)；
Qt—— 相应于荷载效应基本组合时单桩竖向拔力设计值(KN)；
fn——填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值，宜由现场试验确定。当缺乏现场试验资料时，C30的掺微膨胀剂的填芯混凝土fn可取0.30~0.35 N/mm2；
Upn —— 管桩内孔圆周长（mm）
fy——钢筋的抗拉强度设计值（N/mm2）。
经计算 La=1050 mmAS=500 mm2
抗拔管桩应将管桩的纵向预应力钢筋全部锚入承台，这样破桩头费时费力费钱，而且浪费了近一米的桩长，而且人工破桩头对桩身质量不利，另一方面施工强度很大，C60的混凝土要人工凿近一米，十分费时费力，本工程采用机械截桩到设计标高，桩芯用内掺微膨胀剂的钢筋混凝土填充，外加剂的掺量应根据现场试验确定。桩顶填芯混凝土深度与连接钢筋的长度相同，一般的做法是用2~3mm厚的钢板做成一个圆形的托盘，托盘的作用是挡住填芯混凝土不下落到桩底，托盘的直径应比管桩内径小20mm左右，然后将连接钢筋的钢筋笼垂直焊在托盘上。填芯混凝土的施工质量与整个管桩基础的质量密切相关，一定要保证质量。
3.5 裂缝控制计算
由于管桩作为抗拔桩使用，管桩必然在水面以下工作，所以应严格限制管桩在工作状态下出现裂缝，既在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力。
根据文献[1]第5.8.8条对于抗拔桩的裂缝控制计算应符合下列规定：
对于严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力，应符合下式要求：
(5.8.8-1)
式中 ——荷载效应标准组合下正截面法向应力；
——扣除全部应力损失后，桩身混凝土的预应力；
经验算裂缝满足要求。
3.6 最终抗拔承载力的确定
经计算向上水浮力作用在每根管桩上的水浮力为119KN，因而在实际工程中取管桩抗拔承载力为120KN,均小于按前四项设计取用的抗拔承载力。
3.7 管桩的接头
管桩作为抗拔桩时，宜采用机械啮合接头，因为目前采用的电焊焊接接头，焊接质量不能完全得到保证，加上电焊接头经重锤打击后，容易产生开裂，降低抗拉强度，因此，应优先采用机械啮合接头。
4. 结语
（1）本工程将预应力混凝土管桩作为抗压桩兼作抗拔桩。当水池内满水时，管桩主要以承受压力为主，当池内无水时，管桩主要以承受拔力为主,为建设单位节省了大笔的工程费用。
（2）桩顶可用机械截桩, 大大地缩减了人工剃桩头钢筋的工期, 而且有效地保护了桩身不被凿坏, 采用桩芯内插筋与桩承台的连接构造形式, 桩芯混凝土应选用具有微膨胀性能的混凝土浇筑, 桩芯浇筑长度和外加剂掺量可根据抗拔承载力和试验数据进行调整, 来达到最佳经济和工期效果。
本工程桩基施工完成后进行了抗压和抗拔静载荷试验，单桩竖向承载力完全满足设计及规范要求，目前本工程已投入使用一年有余，运行情况良好。