预应力管桩在抗拔桩中的应用

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预应力管桩在抗拔桩中的应用实录朱陆明沈永根(1．浙江大学新宇集团浙江恒业房地产开发公司2．浙江有色建设工程有限公司)摘要针对四个预应力混凝土管桩作为抗拔桩应用的工程实例中出现质量问题，分别从管桩作为抗拔桩的设计计算、施工方法、管材强度、管桩连接及构造要求等方面加以深入剖析，找出出现质量问题的原因，得出管桩作为抗拔桩使用时须在管桩端板处加筋锚固，同时设计时对抗拔荷载取值应按最不利情况考虑，另外做永久性抗拔桩时，在管桩的端板连接处，要保证焊接质量，同时作必要的防锈处理。关键词预应力管桩抗拔桩补筋锚固1抗拔管桩的应用现状我国于1985年在广东省首次施打应用PHC桩，至1994年全省大小管桩厂有5O多家，年产管桩达400万米，占建筑桩基用量的1／3。1995年浙江省工业与民用建筑基础中开始大量采用管桩，2003年省内管桩年产达到4200万米。管桩基础具有以下特点：一是适合浙江省海相沉积地区的地质条件；二是工期短、造价低。大量管桩基础工程中管桩作为永久性承压桩，对管桩作为抗拔桩目前各设计单位看法不同，多数意见持慎用或不用的想法。近年来已有一些工程在业主要求降低工程造价的压力推动下，将管桩作为临时抗拔桩或丙级建筑物的准永久性抗拔桩，其中所谓的临时抗拔桩是指建筑物含1～2层地下室，在建筑物施工完成大部分地下室结构浇筑后至建筑物结构全部施工完之间的较长一段时间内，因降雨等因素引起地下水位的突变，致使建筑物基桩承受较大的抗拔荷载，此期间的抗拔荷载与已完成的上部结构自重成反比，与地下水位的高低成正比。此类工程主要为中、低、中高层管桩基础的民用建筑物。所谓的准永久性抗拔桩是指建筑物施工完乃至未有使用荷载期间或使用中需要清理该建筑物时管桩基础仍承受较大抗拔荷载。此类工程主要有大型地下车库、大型污水处理池。目前象杭州市区用管桩作为临时抗拔桩的建筑物相当普遍，作为准永久抗拔桩的工程近年来明显增多。实际应用中总有不少工程因某个环节疏忽导致地下室出现不同程度的质量事故。下面就举4个工程实例加以剖析，(收稿日期]2005—6—2046分析工程出现问题的原因是设计考虑不周，还是施工工序质量失控，并就管桩作为抗拔桩的合理性作出判断。 2工程应用实例(1)浙江大学教师住宅二期塘北花园1、2地下车库，一层地下室，底板底标高一6．0m，顶板顶面标高一0．5m，采用预应力管桩PC—AB500(100)一1O、1O、1O，单桩有效桩长30m，桩顶标高一4．7m，设计管桩抗拔荷载Q=650kN。地下室结构完工后要求上覆土500mm。管桩端板处未做任何锚固和焊缝防锈处理措施。施工情况：部分桩采用DD63型柴油锤锤击施工，部分桩采用JY600型桩基静压施工。使用情况：地下室结构完成而上覆土未完成前，因降雨造成地下室不均匀上浮并局部开裂渗漏，后经抽排水并覆土，同时修补而不影响使用。(2)杭州滨江区风琴雅园综合楼，地下室两层，实际开挖深度8m，基桩采用预应力管桩PC—AB500(100)1O、15、15，有效总桩长40m，桩顶标高一7．8m，设计管桩临时抗拔荷载Q=700kN。设计对管桩端板另补锚固钢筋如图1所示(锚固筋为5根16螺纹钢)。施工情况：部分采用DD63型柴油锤锤击施工。使用情况：由于设计要求清楚，明确施工期间排水要求，监理及施工单位重视、认真，致使施工过程中未发生地下室外水位的突变并持续较长时间，未出现影响地下室质量问题。(3)新京都花园综合商务楼，一层地下室，桩基维普资讯http://www.cqvip.com岩土工程界第8卷第8期量雪量图1补筋与端板焊接连接详图采用预应力管桩作为永久抗压桩，施工过程中管桩为i临时抗拔桩，桩型PC—AB500(100)l2、l0、l0，有效桩长32m，设计单桩临时抗拔荷载Q=680kN。管桩端板未做任何锚固和端板焊缝防锈处理措施。施工情况：采用DD63型柴油锤锤击施工。使用情况：地下室结构施工刚结束没几天，一场暴雨突降，没有充分重视排水，组织抽水又无处可排，造成地下室地板局部严重开裂并上浮，后经修补可勉强使用。(4)浙江大学教师住宅三期港湾家园1地下车库，地下室底板底标高一5．95m，地下室顶板顶面标高一0．6m，桩基采用预应力管桩PC—AB600(100)一11、11、11，单桩有效桩长33m，设计管桩抗拔荷载Q=800kN，地下室完工后要求上部覆土600mm。设计要求管桩端板处加筋锚固。要求焊缝质量保证。 施工情况：采用DD63、DD80型柴油锤锤击施工。使用情况：由于此工程与塘北花园为同一设计单位、业主，塘北花园的教训使设计、监理、业主充分重视，关注现场排水及管桩材质和管桩端板的焊接。日前工程正在施工地下室结构。3桩杭拔的设计验算根据浙江省工程建设标准：《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》，确定管桩单桩承载力时，上部荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合，而验算承台内力、确定承台高度、配筋和验算桩身强度，按上部结构传来的荷载效应和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应荷载分项系数，相应抗力应采用承载力设计值。(1)单桩拔承载力特征值确定：本次所列四个工程均为乙、丙级建筑物，地基土的单桩承载力特征值确定按单桩或群桩呈非整体破坏：R=UPΣAqZi+G。k(1)式中：R一单桩抗拔承载力特征值；Ai一抗拔系数(按附表1取值)；U一桩身外周边长度；qsia一桩第i层土(岩)的侧阻力特征值，按本载区实测值取值；zi一桩穿越第i层土(岩)的厚度；Gpk—单桩自重标准值，地下水位以下应扣除浮力。验算时要求满足条件是：抗拔荷载设计值Q≤R(2)管桩桩身结构抗拉承载力确定：关系式1：Q≤(+)A(2)式中Q一相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值；一管桩混凝土有效预压应力一桩身混凝土轴心抗拉强度设计值；一桩身横截面面积。关系式2：Q≤ZJIl／1．2(3)z一焊缝长度，Z=盯(d+d)／2(d为焊缝外径，通常取d=d一2，d为焊缝内径，通常取d=d一2×12，d为管桩外径)；he一焊缝计算厚度，h=0．75s(s为焊缝坡口根部至焊缝表面的最短距离，通常取12mm)；一焊缝抗位强度设计值，取170N．mm～表14个工程的抗拔参数与验算情况47维普资讯http://www.cqvip.com垂鸶量⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．HN-苎⋯WO⋯R⋯LD⋯V⋯OL．一8⋯No．蔓轴心受拉管桩抗拔力取上述两种计算的小值。 承载力验算应满足Q≤Q／1．35。现将4个工程的地基土的抗拔承力特征值、桩身承载力计算结果全部汇总并验证，符合性详见表1。按浙江省管桩设计技术规程，上述地基土抗拔力特征值、桩身结构承载力验算均满足要求。4工程出现的问题分析从浙江省对现有管桩设计的要求，上述4个工程的设计完全满足规范要求，那么是什么原因造成塘北花园和新京都花园地下室底板开裂并局部严重上浮呢?设计对抗拔荷载按最不利计算时取的荷载不一定是按室外地下水位至室外地坪标高，而且是在一定覆土条件下的取值(即按正常使用极限状态下的标准组合)，实际地下水位至突升至地表时，基桩受力可能超过设计值，那么分析何种受力处最易产生超荷?以PC—AB500(100)为例：按桩身钢筋混凝土：按公式Q≤(。+)A计算，结果不是桩身的最大受力，公式中没有考虑桩身钢筋的部分拉力，实际在桩身混凝土拉裂时最大拉力为1420kN，比规范取值提高40％。端板焊接拉力：Q≤1．h／1．2，计算值为2600kN，即使施工质量再差亦不会小于桩身混凝土拉力；地基土的承载力特征值：由于地基土抗拔承力极限值是特征值的2倍，即最小为2200kN，远大于桩身的抗拉强度。根据上述3种受力分析，地下室底板没有理由上浮。再研究管桩结构，发现作为抗拔桩，管桩端板与桩身钢筋。10．7连接是薄弱点，连接情况详见图2所示，此连接最不利受力处为端板上钢筋锚固孔台阶，受压产生冲切力(剪力丁)，计算如下："／'max=1T(h—h2)d=1018kN此抗力远小于上述设计规范要求验算的任何一个力，浙江省管桩桩基设计规范虽没有规定此力作为设计控制的一个指标，但设计规范在管桩的构造中明确要求作为抗拔桩需在管桩连接处加锚固筋。许多设计认为此要求是针对管桩与承台的连接要求，而未加以重视。对于抗拔桩设计，笔者认为每节管桩端板处都应加以补筋锚48PC-AB500(1oo)图2管桩端板与桩身连接详图入管桩桩身，且补筋与端板焊接，如图1所示。补筋量应通过设计验算，至少使端板处抗拉能力 大于桩身钢筋混凝土的极限拉力。上述分析基本可以理解管桩基础的新京都花园地下室和塘北花园地下车库上浮并开裂，因为这两个工程中抗拔管桩均没有按设计规范要求对抗拔管桩在端板处补筋锚固，在突发暴雨后排水不畅而致地下室底板上浮开裂，此时管桩不是桩身拉断、亦不是端板焊接拉断，而是管桩主筋脱离端板锚固孔。由此我们相信浙大港湾家园采取了端板补筋加固且施工中严格要求焊接质量，只要适当关注排水能力是不会出现塘北花园的情况的。5结语预应力管桩作为抗拔桩设计是完全可以应用在乙、丙级建筑工程中，可以缩短工期、降低造价。但在设计和施工中须注意如下几点：(1)作为抗拔桩管桩端板处必须专门补筋锚固，补筋量通过设计计算。确保此处抗拉力大于管桩桩身的钢筋混凝土极限抗拉力；(2)管桩端板的焊接质量必须严格控制(分三层满焊)，对于透水较好的土质宜采取适当的防锈处理措施，否则管桩只宜作为临时性抗拔桩；(3)遇至难送桩的地层采取引孔等措施减少施工送桩对桩端及桩身的损伤，亦尽量避免桩顶截桩，以免影响管桩抗拔承载力。