２０１２年第５期江苏水利 预应力管桩在水利工程中的应用 刘倩怡王星梅王鑫 ０引言 江苏省常见的不良土质主要是 海淤土、淤土、淤泥质土，地基处理主 要解决地基承载力不足和压缩变形 问题，因此，在工程设计中，需根据其 特点采取最优工程措施处理这些不 良土质。常见的地基处理方式有：钢 筋混凝土灌注桩、沉井、深层水泥搅 拌桩、真空预压、换填法、碎石桩或砂 桩挤密法、压密注浆、预制沉桩（含管 桩、方桩等）。其中，成品预应力管桩 是我省最近几年在建筑行业兴起的 一种地基处理方法，它具有桩身强度 高、耐久性好、成桩工艺可靠、有一定 的抗弯能力、工期方便、快速、造价 低、施工现场文明而洁净、设计选用 范围广等优点。由于水利工程地基的 复杂性，目前管桩在水利行业应用还 不多见，仍处于探索阶段。本文结合 管桩在建筑行业应用的经验与教训， 以淮安市里运河防洪楚州控制工程 为例，着重从工程水文地质特性、管 桩相关技术参数、施工工艺特点、质 量可靠性、施工工效、造价、对周边环 境影响等方面，分析预应力混凝土管 桩与深层水泥搅拌桩、沉井等其它地 基处理方式相比所具有的优缺点，进 一步阐明预应力混凝土管桩在水利 工程中作为地基处理方式的适用条 件、设计要点、施工要点，以实现大中 型水利工程地基稳定设计合理、质量 安全可靠、施工高效、投资较省，为其 他大中型水利工程设计提供参考。 １ 管桩在建筑和水利工程中应用分 析对比 １．１预应力管桩特性 管桩按施工工艺分为后张法预 应力管桩和先张法预应力管桩；按强 度和壁厚分为预应力混凝土管桩（ｐｃ 管桩）、预应力混凝土薄壁管桩（ＰＴＣ 管桩）及高强度预应力混凝土管桩 （ＰＨＣ管桩）；每种管桩按抗弯性能和 管壁厚常分为Ａ型、ＡＢ型、Ｂ型三 种。先张法预应力管桩是采用先张法 预应力工艺和离心成型法制成的一 种空心简体细长混凝土预制构件。ＰＣ 桩的混凝土强度不得低于Ｃ５０混凝 土，薄壁管桩强度等级不得低于 Ｃ６０，ＰＨＣ桩的混凝土强度等级不得 低于Ｃ８０。我省各地均新建了相当数 量的管桩厂，各县区都能方便购买到。 管桩规格较多，一般有ｄＰ３００ ｍｍ 中６００ ｍｍ、ｑｂ８００ ｍｍ、中１０００ ｍｍ等规 格，市场上使用较多的是以 ４００ ｍｍ、 ５ｏ０ ｍｍ、中６００ ｍｍ为主，管桩 壁厚７０～１３０ ｍｍ，预应力混凝土用钢 棒（ｐｃ）。目前，管桩的技术标准主要 有：《预应力混凝土管桩基础技术规 程》（ＤＧＪ３２／ＴＪ１０９—２０１０）、《先张法 预应力混凝土管桩》（ＧＢ１３４７６— ２００９）、江苏省预制桩标准图集《先张 法预应力混凝土管桩》苏（Ｇ０３— ２００２）、《预应力混凝土管桩》图集 ０３ＳＧ４０９等。 １．２管桩在建筑工程中应用情况 由于预应力管桩具有成桩工艺 可靠、施工速度快、经济性好等优点， 目前在建筑工程中应用较广，但主要 是在中低层建筑中应用较多，而在高 层建筑或特殊地基（如坡地、液化或 软弱地基）中使用存在不少问题，因 为在房建结构设计中将管桩顶部大 多数嵌固在建筑物底板内并且桩较 长（一般４０ ｍ、５０ ｍ），因此存在着抗 拔能力和抗剪切破坏能力差、管桩焊 接质量和接头连接质量不易保证等 缺点。 １．３管桩在水利工程中应用情况 以淮安市里运河防洪控制楚州 控制工程（以下简称楚州控制工程） 为例。 １．３．１楚州控制工程地基处理方式 的选择 （１）土质情况。根据淮安市里运 河防洪控制工程楚州控制工程地质 勘探报告，站（闸）址处土质如图１ 地质剖面图所示，地基持力层主要 为５层淤泥质粉质粘土，厚度５ ８ ｍ， 处理范围较大，包括闸站身、上下游 翼墙。 重粉 砂壤土 质粘土 砂壤土 图１楚州控制工程地质剖面图 （２）地基处理方案比较。根据本 工程特点，选择钢筋混凝土灌注桩、 深层水泥搅拌桩、沉井、真空预压、换 填法、预制混凝土管桩等６种方案进 行比较，如表１。 由表１可知，由于楚州控制地基 ■目目霸置２０１２年第５期江苏水利 表１ 地基处理方案比较 ●胃嘲闰■］＼＼类别 质量 对周边环境 施工 方案＼ 适用条件 可靠性 施工工艺 影响 工效 造价 钢筋混凝 承受垂直力、水平 土灌注桩 力成熟适合不塌孑Ｌ的 较高 泛 ，应用广 有泥浆污 ，染 一般 较高 土质 深层水泥 复合地基，只受垂 搅拌桩 直力不太成熟适合含水量 较差 业队伍施工 ，专 ，有污染 较慢 最省 不太高的土质 沉井 能承受各种荷载，基底面积太大不 较高 复杂，有风险 干法下沉 较慢 较高 适合 有影响 真空预压 适合粘性土 略差 不太成熟，专 基本无影 固结 较高 业队伍施工 响 最慢 换填法 适合换填深度３ ｍ 以下的土层 略差 成熟，泛 应用广 大开挖有 有影响 一般 较省 预应力混 复合地基，承受垂 直力和较小的水 较高 成熟，应用广 采用静压 较快 较省 凝土管桩 平力 泛 无影响 处理深度较大、范围大、紧邻堤防和 地震等水平荷载。 城区、工期紧，加之文件（淮建办 一般大中型水利工程水文地质 ［２００９］１２５号）规定在永久工程中禁 条件较复杂，水利工程中水工建筑物 止使用水泥搅拌桩和粉喷桩，楚州控 常常用来挡水、引排水等防洪、发电、 制工程等级为大Ⅱ型水利工程，地基 灌溉、排涝，水工建筑物常常四面环 处理不适合采用沉井、真空预压、换 水或面水背坡，承受较大的水压力、 填法、深层水泥搅拌桩。考虑楚州控 土压力、地震等水平荷载，建筑物基 制工程工期、重要性、周边环境等因 础设计既要验算地基抗滑、抗渗等水 素以及管桩具有质量可靠、工效快、 平向稳定，又要验算地基竖向稳定。 造价低等优点，推荐采用预应力钢筋 １．４．２建筑和水工建筑物管桩基础 混凝土管桩进行地基处理。 计算模式分析 １．３．２管桩设计 （１）建筑工程管桩基础计算模式 楚州控制工程闸站底板下采用 静压ＰＨＣ—ＡＢ４００（９０）一１０、１２型桩， ‘ ： 一。 即为中４Ｏ０ ｍｍＡＢ型桩，壁厚９０ ｍｍ， 物蚺 混凝土为Ｃ８０，桩长１０ ｍ和１２ ｍ，间 ｄ 一 距为１８０ ｃｍｘ１８０ ｅｍ，桩顶设２０ 素混凝土垫层 。Ｉ ｃｍ１０％水泥土和１０ ｃｍ素混凝土褥 １０％水泥土碍銎层一 可。』 ｌ 垫层，桩端持力层为７层粉质粘土， 闸站及翼墙复合地基承载力最大设 ４ １ ８ 计值为１３０ ｋＰａ。管桩设计样图见图 ２所示。 浇灌Ｃ２５混凝土 １．４建筑和水利工程地基设计分析 １．４．１建筑和水利工程地基受力分析 管桩 中低层建筑工程一般基础四周 基本上是平地，即便楼前后有高差， 所有承受的水平土压力也不大，建筑 ８＠２０ 与托板焊接 物基础四周被均匀水压的地下水包 ４ｍｉｌｌ厚圆薄钢ｊ 围，没有水头差，只承受浮托力而不 受渗透压力，因此中低层建筑承受的 水平荷载较小，基础设计主要承受竖 向垂直荷载。高层建筑基础设计则既 要考虑竖向垂直荷载，又要考虑风、 图２楚州控制工程基础处理管桩样图 中低层建筑管桩基础主要承受 竖向垂直荷载，管桩设计其顶部大都 嵌固于建筑物底板内，并且桩一般都 较长，可看成刚性桩，其计算模式如 同普通钢筋混凝土预制桩。 （２）水工建筑物管桩基础计算模 式 ①管桩基础采用复合地基计算 模式 在已建和在建的水利工程地基 处理中管桩桩长一般较短，不需接 桩，桩质量有保证，并且管桩顶部没 有嵌固在建筑物底板内，管桩是作为 复合地基来处理，水平力是依靠基底 摩擦力来承担。计算模式参照深层水 泥搅拌桩复合地基计算公式［Ｉ 确定 管桩置换率、单桩允许承载力，同时 注意合理确定桩间土折减系数，一般 取０．３～０．７。 ②管桩单桩承载力计算 管桩单桩承载力计算方法与预 制钢筋混凝土沉桩相同，但是在计算 管桩单桩允许承载力时，对于较短的 管桩应考虑桩底空心对单桩承载力 的影响，桩端承载力计算时应扣除管 桩空心截面，对于长桩桩底空心可忽 略不计。另外要注意管桩桩长不但由 地基允许承载力决定，同时还由基底 沉降量和沉降差控制，需要综合确定 合适桩长。 ③管桩顶褥垫层的设置 在管桩顶和底板间需设置褥垫 层，用以扩散基底应力，并使桩土共 同受力。考虑防渗效果，褥垫层一般 采用水泥土，水泥掺量和厚度由试验 确定，一般厚度为２Ｏ ３０ ｃｍ左右，水 泥掺量８％ １０％，压实度０．９０左右， 水泥土褥垫层强度、刚度能起到协调 桩土共同作用，在建筑物底板与复合 地基间起过渡作用，使得复合地基整 体性更好，防止水泥土与复合地基间 滑动面早于水泥土与建筑物底板间 接触面滑动。因此，要通过试验确定 水泥掺量和厚度，同时建议将管桩顶 部１．５ ｍ范围内灌实并包裹在褥垫层 内１０ ｃｍ左右，使管桩顶部适当受点 水平剪切力，以防止褥垫层与软弱土 层错开。 ２管桩施工要点 （１）在砂土地基中采用锤击法施 打管桩，应防止管桩施工作业面排水效 果较差而导致持力层（下转第３２页） ２０１２年第５期江苏水利 ■目霸圈阐囵＿ｒ——（上接第３０页）被扰动，以及表层砂土 择压桩速度及顺序，控制每天压桩数 桩，检测时间为打桩后５５ ｄ，单桩允 可能因振动而液化，从而影响管桩单 量及速率。当桩较密集（桩中心距≤４ 许承载力为３００ ｋＮ，要求最大试验荷 桩承载力，短桩尤其要注意。 倍桩径）时，应由中间向两侧对称施 载６００ ｋＮ，所检测３点位的单桩承载 （２）基坑工作面的承载力应基本 打，或由中间向四周施打；当桩较稀 力和复合地基承载力均满足设计要 满足桩机行走施工要求，否则应铺设 疏（桩中心距＞４倍桩径）时，可采用 求。 钢板或砂石垫层。重型运桩车不能直 上述两种打法或采用由一侧向单一 通过对楚州控制工程闸站、翼墙 接进入场地，需要远距离拖桩，防止 方向逐排打设；当桩规格、埋深、长度 的施工期沉降观测，均满足设计及规 持力层被扰动。 不同时，宜先大后小、先深后浅、先长 范要求。里运河防洪控制楚州控制工 （３）管桩沉桩前应进一步查明周 后短施打。 程地基设计借鉴管桩在建筑行业应 围建（构）筑物结构、管线分布及堤 （６）管桩的检测。鉴于水利工程 用的经验，将管桩作为复合地基处理 防、道路等分布情况，采取措施防止 地质条件复杂，且管桩在水利工程中 模式的成功应用，为管桩在其他水利 压桩过程中形成超孑Ｌ隙水压和桩侧 应用较少，可当成新桩型或新工艺， 工程中的应用积累了宝贵的经验。因 向上浮，以致造成桩位偏差及周边构 施工前应进行静载试验确定单桩竖 此，管桩在水利工程地基处理中可以 造物损坏。 向抗压承载力以及试打桩过程监测， 应用并应当大量使用，随着管桩生产 （４）为防止扰动，在压桩区周围 成桩后验收检测亦应进行静载试验 规模化、集约化发展，管桩将在各个 开挖明沟（减震沟）并结合管井及时 确定复合地基承载力。检测数量在同 领域得到广泛应用。 排除沟内渗积水，降低超孔隙水压力 一条件下不应少于３根，且不宜少于 参考文献： 和防止桩偏位，减震沟与压桩部位距 总桩数的１％；当工程桩总数在５０ ［１］ 中华人民共和国建设部．建筑 离一般应大于５ ｍ。 根以内时，不应少于２根。 地基处理技术规范（ＪＧＪ７９—２００２）．北 （５）群桩施工时，为了保证质量 ３结论及体会 京：２００２ 和进度，防止周围建筑物破坏，打桩 楚州控制工程管桩地基静载试 （作者单位：河海大学港口海岸与 前应根据桩的密集程度、桩的规格、 验：在闸站及上下游底板区域内任意 近海工程学院２２３００５淮安市水利 长短和桩架移动方便与否来正确选 抽取３根０４００ ｍｍ、桩长１０ ｍ的管 勘测设计研究院有限公司２１００９８）
