探析高强预应力管桩在多高层建筑基础设计中的应用

探析高强预应力管桩在多高层建筑基础设计中的应用

摘要：经过近几年的实践，高强度预应力混凝土管桩（ＰＨＣ）以其桩身混凝土强度高，适应性广，耐冲击性能好，穿透力强，具有承载力高，抗弯抗裂性能好，施工快捷、方便，质量稳定可靠，耐久性好等优点，而被广泛应用于高层建筑基础。

关键词：桩 预应力 基础设计

一、前　　言
　　经过近几年的实践，高强度预应力混凝土管桩（ＰＨＣ）以其桩身混凝土强度高，适应性广，耐冲击性能好，穿透力强，具有承载力高，抗弯抗裂性能好，施工快捷、方便，质量稳定可靠，耐久性好等优点，而被广泛应用于高层建筑基础。
二、工程概况
　　增城市妇幼保健院门诊大楼，占地面积约550平方米，呈“▃”字形，共计九层。首层楼高5.0米，为侯诊大厅；二～九层为各门诊科室，层高二层3.5米，天面层设有水池、洗衣房。结构采用框架结构。该建筑物按规范规定为二级建筑物，抗震等级为三级，抗震设防烈度为6度。场地为旧房拆除地，并已清理成平整的场地。
三、场地工程地质状况
　　通过钻探揭露，场区上部为第四系覆盖土层，下伏为震旦系片麻岩风化层。第四系覆盖土层由人工堆积，冲积和残积层组成，厚度可达30－40米，土质均匀。
地层由上至下分别为：
　　（１） 杂填土：灰白色，湿，软弱，由粉土堆填，属高压缩性土，工程性能差，层厚4.6米。
　　（２） 粘土：砖红色，花斑状，可塑，质纯，粘滑。属中压缩性土，工程性能差，层厚1.3~4.9米。
　　（３） 细砂：土黄色，饱水，松散，含大量粉粘粒。层厚6.1~7.0米。　　　　　　　　　　　　　　
　　（４） 粉质粘土：灰色，粘滑，软塑，为冲击土。属中压缩性土，工程性能差，层厚1.2～2.5米。　
　　（５） 粉砂：灰黑色，松散，饱和，总体略软弱，局部为粉土。属中压缩性土，工程性能差，层厚1.7～4.7米。
　　（６） 砾砂：土黄色，饱水，中密－密实，含细砾石：0.2－0.5厘米大小，呈次圆次棱角形，成分以石英、硅质岩为主，含量差别大（10%－ 70%）。可作为多层建筑桩端持力层，层厚7.3~11.9米。
　　（７） a、砂质粘性土：灰褐色，稍湿－湿，以硬塑为主，上部较软，往下渐硬，底部近风化花岗岩，原岩结构清晰，含砂量不大，含亲水矿物，遇水易软化、膨胀。为较为理想的桩端持力层，层厚大于4.1米。b、ZK2钻孔揭露为砂质粘性土：褐黄色，稍湿－湿，硬塑－坚硬。花岗岩全风化形成的未经搬运的残积土。底部为全风化岩。为较为理想的桩端持力层，该层未揭示。
　　本场地地貌简单，地形平坦，无不良地质现象，属二类场地；场地水对混凝土无侵蚀性。地基各土层承载力参数列于表１。
表1
土 层 号 岩 土 名 称 预应力混凝土管桩 标　　贯
N63.5
qsk (kPa) qpk (kPa)
②-1 粘土 20 11.00
②-2 细砂 20 4.80
③ 粉质粘土 30 16.50
④ 粉砂 50 31.30
⑤ 砂砂 38 2600 41.60
⑥ 砂质粘土 35 2500 17.30
⑦ 全风化花岗岩 80 2800 57.00
四、基础方案
　　（１） 本工程选用高强预应力混凝土管桩（ＰＨＣ），直径为D=400，壁厚为125，C80高强预应力混凝土管桩桩身容许承载力为［Ｒ］＝1800kPa，承载力标准值Rk=1800kN，桩长约17~20米，以冲积沙砾层为桩端持力层，桩端进入持力层1.0米。接桩采用焊接，桩头锚入承台内100，在桩头内插入4Ф22,长2.0米，其中1.0米。锚入桩内并浇C30混凝土封堵。
　　（２） 单桩承载力的确定：高强预应力混凝土管桩单桩竖向承载力是按桩身额定强度来确定，利用经验公式进行估算，通过现场静荷载试验确定。管桩因管桩外径、壁厚、混凝土强度等级等因素而承载力不同。桩身额定强度，上海《地基基础设计规范》DBJ08-11-89采用了美国UBC和ACI的计算公式形式，桩身结构强度按下式验算：
σ≤(0.20～0.25)R－0.27σpc
式中σ　　 桩身垂直压应力，单位同R；
　　　　　　R 边长为20cm的混凝土立方体试块的极限抗压强度；
　　　　　 σpc 　桩身截面上混凝土有效预加应力。
　　　　　 我国管桩生产厂家流行的算式是套用日本和英国的公式，即
　　　　　　　　　　Rb＝1/4(fc－σpc )·A
式中Rb管桩桩身额定承载力；
　　　　　　　　　 fc　　　管桩桩身混凝土设计强度，如C80时，取fc＝80Mpa；
　　　　　　　　　 σpc　　桩身有效预压应力；
　　　　　　　　 　 A　　　桩身有效横截面积。
　　　　　 广东建设实业集团公司副总工王离高工提出了华南地区管桩单桩竖向承载力标准值的经验公式：
　　　　　　　　　　Rk=100NAp UpΣqsiLi
式中Rk 管桩竖向承载力标准值；
　　　　　 N　 　桩端处强风化岩的标贯值；
　　　　　 Ap　 桩尖（封口）投影面积；
　　　　　 Up　 　管桩桩身外周长；
　　　　　 Li　 　各土层划分的各段桩长；
　　　　 qsi　　 桩周土的摩擦力标准值，按GBJ7-89规范附录十五所列数值的上限（高值）取用，强风化岩的qs值取150kPa。
公式适用范围：（１）管桩桩尖必须进入N≥50的强风化层，当N＞60时，取N=60；（２）当计算出来的Rk大于桩身额定承载力 Rb 时，取Rk为额定承载力Rb 。由于管桩单桩竖向承载力设计值在3500kN以下，因此多数工程都是以静荷载试验来确定其承载力。 单桩承载力根据广东省《预应力管桩基础技术规程》（征求意见稿）估算。
　　　按照该规程公式：
　　　　　　　　　　Rk=rsusqsiLi rpqpAp
　式中Rk 单桩承载力标准值（kN）；
　　　　　 rs　 　 桩周土摩擦力调整系数；
　　　　　 us　 　 桩身周长（m）；
　　　　　 qsi　 　 桩周土摩擦力标准值(kN/m2)；
　　　　　 Li　 　 各土层划分的各段桩长(m)；
rs　 　 桩端土承载力调整系数；
qp　 　 桩端土承载力标准值(kN/m2)；
　　　　 Ap　　 桩身横截面积(m2)。
（３） 由于工期较紧，而且附近有已完成的相似的基础工程可参考，
　　所以采用按照华南地区经验公式计算所得的单桩竖向承载力Rk=1800kN作为本工程所采用的单桩承载力。在打桩过程中采用PDA应变作为辅助观察，以有效的控制桩的贯入度，进而保证质量。由于该工程地处城区，又是医院，不适宜进行打入式施工，故采用YZY-240静力压桩机入桩施工，以桩长为主、按设计

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