管桩的应用和研究现状分析

1、管桩的应用和研究现状分析1«_汛-* 刖5管桩作为一种地基处理及桩基础形式从上个世纪初产生到现 在已经得到了很大的发展，在各种建筑基础中得到广泛地应用， 并发挥着巨大的作用。从国外管桩的发展来看，从1920年澳大利 亚发明了离心法制作混凝土制品、1925年日本引进这种技术用于 钢筋混凝土管桩，在1962年开发预应力混凝土管桩(pc管桩)，到 现在已有八九十年的历史，目前管桩已朝着全面取代传统实心桩 方向发展。我国是1944年开始生产混凝土离心(rc)管桩，到so 年代末期研究成功预应力抽筋管桩，即采用后张法对桩身混凝土 施加预应力。近15年，我国生产的预应力混凝土管桩无论从产品 性能

2、和产量上都达到了世界前列，呈现出布局面广，产品品种、 规格齐全，生产技术成熟，配套应用技术趋完善等特点。据资 料反映，2004年福建省实际利用预制高强混凝土管桩就达2500 万米。为了更合理利用管桩这一技术、有效地推广使用管桩，对 管桩进行研究是极为必要的。管桩的种类分为：钢管桩、预制混凝土管桩及钢管混凝土管 桩。钢管桩及钢管混凝土管桩具有高强度、抗冲击疲劳性能好、 贯入能力强、便丁割接、质量可靠、运输方便、沉桩速度快及挤 土影响小等优点，但造价高，约为预应力混凝土管桩的3-10倍。 因此，一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工和质量难以保证、或工期紧迫等情况下使用，或者是一些重要的特种工程的

3、基 础上，如海上钻井平台，港口平台等工程中使用。预制混凝土管 桩之所以得到迅速发展和广泛的应用，主要是由于具有以下优点: （a）施工工期短，施工方便、不受季节限制，工业化生产：（b）对施 工场地无污染，若采用静压式施工更无噪音，符合绿色环保施工 要求；（c）经济效益可观，同样的地基处理效果（竖向承载力及水平 承载力）所使用的混凝土比实心桩节省30%60%且抗腐蚀能力 强，工作性能同钢管桩基本相似。（d）对持力层起伏变化较大的地 质条件适应性强，一般情况下，软土、粘性土、粉土、砂土及全 风化岩体等地层条件均可采用。因此像高层建筑、码头工程、桥 梁工程、高速公路、铁道工程等除必须采用钢管桩的特殊基

4、础外, 在工程屮钢管桩已大部分被预制混凝土管桩所代替。现在我国预 制混凝土管桩使用量已经相当可观。2管桩的承载特性及承载力分析2. 1管桩的承载特性管桩的底桩端部的桩尖（靴）形式主要有十字型、圆锥型和开口 型。前两种属于封口型。采用封口型桩尖的管桩其承载力主要由 桩周的侧摩阻力及桩端的端阻力组成；采用开口型桩靴的管桩则 在沉桩过程屮桩身下部1/3 1/2桩长的内腔被土体充塞，挤土效 应较弱（与沉管桩、静压实心混凝土桩比），对周围建筑物及环境影 响小，具有较高的环保性能。但是内腔土塞却为管桩提供了内侧 摩阻力，使得管桩的承载力的组成变得更为复杂。影响管桩承载 特性的因素很多，比如桩侧土性、桩端土

5、性、桩径、开口管桩的 壁厚、人土深度、施工顺序等。预制混凝土管桩通常只具备开口 桩的功效。2. 2管桩的受力分析2. 2. 1管桩的竖向承载性状和单桩极限承载力确定管桩 竖向承载力的方法很多，最可靠的方法是静力载荷试验法，目前 比较常用的公式有两类：一是以土的物理力学指标和人量的试桩 资料为依据，经统计分析建立桩侧和桩端阻力与土类指标之间的 关系；另一类是以十.的力学性能指标如土的标准贯入击数为依据, 我国、欧洲及美国apirp2a的地基基础规范均采用第一类公式。 其表达式为+心式中：r单桩轴向极限承载力；r桩尖土的极限端阻力强度；' 桩身穿过第,层土的长度；/第i层土的桩侧极限摩阻力

6、强度；ij桩身横截面周长；a桩端横截面积。由于各地地质条件不同，地质结构比较复杂，桩的类型又多, 沉桩工艺也多种多样，很难用单一形式的公式来反映工程实际。从文献进行的破坏荷载试验得知，当桩顶竖向受压时，桩身 上部首先产生垂直应力和弹性变形，并向桩身下部传递，自上而 下逐步建立摩阻力，桩身处于弹性压缩阶段。当荷载较小时，变 形量较小，桩基基本没有发生位移，桩端阻力为零。随荷载增加, 当垂直应力传递到桩端时，桩端土逐步压缩，桩土相对变形加大, 桩侧摩阻力进步发挥。在加荷载最后阶段，随着桩端阻力的不 断增加，桩顶部位侧阻力首先达到极限（摩阻力趋于定值），并向下 逐步扩大极限阻力的分布范围，在此过程中

7、相对于荷载增量，作 为抗力的摩阻力增量所占比例愈来愈小，而桩端阻力增量所占的 比例则愈来愈大。最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展。桩因 急剧下沉而失效，桩端土的刺入破坏先于桩身强度破坏。此时桩 所承受的荷载就是桩的极限承载力。2. 2. 2管桩的水平承载性状和单桩极限承载力随着我国工程技术的迅速发展，大陆架浅海石油的勘探和开 发技术的进步以及陆上高层建筑的发展，使得这些管桩不仅要承 受巨大的竖向载荷，还要承受巨大的水平载荷。而桩在侧向载荷 作用分析是工程中非常重要但却尚未圆满解决的问题。文献采用 卧式千斤顶施加水平力试验来测泄单桩水平载荷，施加的水平荷 载分级一般取预估水平极限荷载的1/10-

8、1/15,每级荷载施加一 后，恒载4min测桩的水平位移值，然后卸载至零，停2min测出 桩的残余水平位移值，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次 便完成一级荷载的试验观测。多级加荷后，出现下列情况之一时 可停止试验：1）桩身折断；2）水平位移超过40nmi或达到设计要求 的水平位移允许值。当桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力使 桩顶水平位移超过20-30mm,或桩侧土体破坏的前一级水平荷 载，即是单桩水平极限承载力标准值。2. 2. 3影响管桩承载力的因素2. 2. 3. 1 偏斜偏斜桩是指随着桩周土的水平运动，桩与土之间产生的水平 压力导致桩身产生水平挠曲和弯矩，致使桩偏斜的被动桩。预应

9、力管桩偏斜后，其极限承载力要低于铅宜桩的极限承载力。偏斜 预应力管桩的承载力减少程度不仅与其偏斜的程度有关，且与其 所处的土层性质、入土桩长、桩与承台布置等均有一定的关系。当遇到超过偏斜限量值的桩时，无论其是否发生裂缝，均应 进行纠偏扶止处理，将其倾斜度控制在允许的范围内。较浅的（一 般2-3m）可以将桩倾斜反向土方挖除后扶正；较深的可以用钻孔 取土、高压水冲取土等方式将桩倾斜反向一侧土取出后扶正。然 后对纠偏扶正的桩进行检测，看其是否在纠偏施工屮发生异常情 况，如无异常可进行下步施工。2. 2. 3. 2 裂缝浅部裂缝一般裂缝位置多发生在深度46m,也有的在 3ni以内，出现这种情况多数是桩

10、裂缝部位的下部有相对比较坚便 的土层。深部裂缝一裂缝位置发生在8-10m,出现此种情况多是 地基土上部软土层较厚。裂缝的存在势必影响到桩基竖向永久性 受荷特性，为确保桩基工程的安全使用，需对桩基进行加固处理。 如接桩、补桩，一定情况下还需经计算确定。2. 2. 3. 3 偏心载竖向荷载的偏心是预应力混凝土管桩产生弯曲荷载的重要原 因，荷载的偏心也势必影响桩的竖向承载力。预应力混凝土管桩 基础常采用柱下多桩承台，严格地讲，承台下大多数桩都处于偏 心承载状态，对于偏心承载桩如何对桩的承载能力做出正确的评 估，桩在正常使用极限状态下所能承受的偏心距临界值是多少， 竖向荷载偏心距与桩的承载能力有何关系

11、，这是预应力混凝土管 桩基础设计要特别考虑的问题。文献根据材料力学原理和现行钢筋混凝土结构设计规范的规 定，提出预应力混凝土管桩在偏心荷载（或在桩顶水平位移）作用下 内力与位移的计算方法，包括纯弯状态下桩身抗裂弯矩临界值； 在轴心力和弯矩共同作用下桩身抗裂弯矩的极限值；桩顶允许承 载力与竖向力偏心距（或桩顶水平位移）之间的相互关系式等。3管桩设计施工屮的问题及质量控制3. 1 挤土效应在沉桩过程中，土体向四周排挤，使周围的土受到严重的扰 动，主要表现为径向位移，桩尖和桩周一定范围内的土体受到不 排水剪切以及很大的水平挤压，产生较大的剪切变形，形成具有 很高孔隙水压力的扰动重塑区，降低了土的不排

12、水抗剪强度，促 使桩周邻近土体会因不排水剪切而破坏，由于群桩施工中的迭加 作用，会使已打入桩和邻近管线产生较大侧向位移和上浮。桩群 越密越大，土的位移也越大。施工遇到挤土效应采取的防治措施是：合理安排沉桩顺序、 控制每日打桩的数量，减少孔隙水压力的迭加：采用先开挖基 坑后沉桩的施工工序，可减少地基浅层软土的侧向位移和隆起， 有利于降低沉桩所引起的超静孔隙水压力，从而减少地基深层土 体变位。在场地设置袋装砂井或塑料排水板，创造排水条件以 降低孔隙水压力。预钻孔辅助沉桩。3. 2浮桩浮桩现象是静压管桩挤土效应的一种表现形式。该问题表现 得很隐蔽，并且往往是等到压桩工程完工后做静载检测时才发现, 而

13、此时桩机可能已退场。此时再来处理就非常被动。比较好的处 理措施是：提前选取有代表性的桩进行测量监控，在桩施工结束 后应立即用水准仪测量记录其桩顶标高，并在整个施工过程中定 期复测，通过比较来检查桩身是否有上浮现象。如果发现有上浮 现象，则需采取前面提过的控制压桩速率、重新调整压桩路线或 钻孔取土等措施，减少挤土效应进而控制桩身上浮现象。如果采 取上述措施后仍不能解决桩身上浮现象，则可采用复压的补救方 法进行处理。3. 3沉桩达不到设计要求沉桩达不到设计的最终控制要求主要原因是：勘探点不够 或勘探资料粗糙，对工程地质情况不明，尤其是对持力层起伏标 高不明，导致设计考虑持力层或选择桩长有误。设计持

14、力层选 择不当，预应力管桩持力层宜选择强风化层，以达到较高承载力。 但当强风化层埋深较深时，考虑到桩长限制，不得已选择全风化 层作持力层时，承载力将受较大影响，特别是全风化层有遇水易 软化特点，地下水可能通过桩管内从桩尖渗入，大大降低桩端承 载力。设计对单桩承载力预估不准，导致实际桩长与压桩力不 匹配。桩身断裂致使不能继续施压。防治措施为首先详细探明工程地址地质情况，必要吋应作补 勘，正确选择持力层或标高；施工采用合适吨位桩机；根据工程 地质条件，合理选择桩的施工方法及打桩顺序，避免断桩，确保 桩身质量。科学设计，通过试桩确定合理终压标准。3. 4断桩断桩是预制混凝土管桩施工中常常遇到的问题，

15、其产生的主 要原因主要有：使用了厂家生产的未经检验的不合格的桩； 桩尖碰到地下障碍物管桩被蹩断：管桩施工中垂直度没有控制 好；管桩市软弱土层突然进入硬土层，桩机压力迅速升高，桩 身受到瞬间冲击力而引起；基坑施工中，由于软土推挤隆起， 基坑壁侧向移动造成断桩。施工中若发现有断桩，就要采取补强加固方案处理。对预应 力管桩浅层断桩可采用接桩。对深层断桩的接桩（包括部分错位桩 纠偏后接头）要抽干桩内积水，确认桩的倾斜在允许范围内，放人 钢筋笼，钢筋笼应伸到断桩下3m,用高等级混凝土灌注。接桩后 要进行承载力检测。当断桩处错位，无法复原时，应重新补桩。 对工程事故应分析问题的原因、补桩的可能性和对已施工桩的影 响，考虑其它可利用条件以及经济和丁期等要求。4结语管桩