预应力管桩基础抗拔设计与施工实例分析
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摘要：本文对预应力管桩的抗拔设计原理作了介绍，并对桩头连接等结构节点的处理进行了阐述，比较了PHC管桩在作为抗拔桩时桩身结构强度的计算方法，提出了焊缝强度、端板孔口抗剪强度、钢棒墩头强度的验算方法，并探讨了管桩与承台的连接方式。
关键词：管桩、抗拔设计、桩头连接节点
中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：
经过约二十年来的推广，预应力管桩由于其具有造价低廉、工艺成熟、施工便捷、质量可靠等优点，与人工挖孔桩、冲（钻）孔桩并列为天津地区的三大常用桩型，特别是在表层土质差、岩层埋深较大的多层、小高层建筑中被当作首选桩基础型式。
PHC管桩作为抗拔桩使用有着其他桩型不可比拟的优势，尤其是在有效预压应力范围内桩身不会出现裂缝，对预应力钢筋保护较好，能较好的发挥桩身抗拉强度，提高桩身抗拔承载力。因此PHC管桩作为抗拔桩使用的经济性日益凸现。本文结合天津铁路枢纽西南环线扩能改造工程之青凝侯特大桥的施工实例具体给予说明。
1 工程概况
“天津铁路枢纽西南环线位于天津市西南部，线路经过天津市西青区，该地区地势低平，由西向东微倾。线路所经地区为冲积、海积平原，地形平坦，地势开阔，大部分为坑塘、洼地，局部为农田及货场。
根据《岩土工程勘察报告》显示，场地属丘陵缓坡地段，起伏较大，土层自上而下分别描述见下表1。
表1 场地地层分布情况
在综合考虑场地特点、基础方案的安全可靠、经济适用及施工工期等情况后，青凝侯特大桥的承台桩基基础采用管桩设计。
其中，根据工程的计算分析，选用管桩的截面为Φ400X95（PHC-AB）,桩身混凝土强度为C80，竖向抗压承载力特征值为1200KN，竖向抗拔承载力特征值为210KN。综合施工工序等因素的考虑，经与建设单位沟通同意采用管桩作抗拔桩来处理抗浮问题。以下简要介绍该工程的预应力管桩抗拔承载力计算及相关节点的处理。
2 预应力管桩的抗拔承载力计算
2.1桩身承载力控制
2.1.1截面为Φ400X95的管桩（PHC-AB）的预应力筋的配筋为7Ф10.7，预应力筋抗拉强度设计值fpy＝0.8×1420＝1136MPa，根据《混凝土结构设计规范》[1] 第6.2.22条公式可得管桩的轴向拉力设计值为：N＝fpyAp＝715KN
2.1.2管桩桩身轴心受拉时，裂缝控制等级取一级，并应符合以下规定：
N≤ƠceA0（Ơce、A0---混凝土有效预压应力值、截面换算面积）
根据《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第3.0.12条经验公式计算，管桩的有效预压应力为：Ơce＝800n×Aa/A＝5.53MPa
考虑到预应力筋的实际配筋不大，其所引出的截面换算面积亦不大，故仅考虑管桩桩身实际有效面积（A）作计算。该处理亦与《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第5.2.9条公式要求一致，即管桩的轴向拉力设计值为：N＝ƠceA＝498KN
2.2 按桩侧摩阻控制
因本工程是采用静压预应力管桩基础，且经场地试桩，管桩基本穿过全风化花岗岩带以上土层，稳定落于强（全）风化花岗岩带上。管桩基本稳定落于强（全）风化花岗岩带上，且桩靴是采用封底十字刀刃型，对桩端持力层的扰动不大，故可根据桩的竖向抗压承载力特征值及桩端阻力特征值来反算桩抗压侧阻力特征值，如下：Qsa＝Ra－Qpa＝1200－4000×3.14×0.22＝698KN
根据本工程地质的具体情况结合桩基旧规范的有关要求，抗拔系数可按如下考虑：
λ＝1/1.65＝0.606
本工程采用的桩型的理论质量为237 Kg/m，桩长按8米计算。按《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》[4] 第5.2.8条公式，桩侧摩阻控制的管桩轴向拉力特征值为：F＝λQsa﹢0.9G＝440KN
桩侧摩阻控制的管桩轴向拉力设计值为：N＝1.25F＝550KN
2.3 基础抗拔设计方案及验算
根据本工程地下位置布置的情况，采用筏板+正交网格的抗拔管桩对基础进行设计，管桩按4D=1.6m(D为桩直径)正交网格布置，筏板厚度为0.6米，如图所示。
图2抗拔桩平面布置图
考虑地水位较高且临湖面，工程内外高差为0.1米，即地下基坑底的水头压力为：
p＝10×(9.3﹢0.6－0.1) ＝98Pa
承台混凝土结构折算厚度为2m，即单根管桩需承受的抗拔力为：
P＝(98－25×0.75) ×1.62＝203KN
综上述，将本工程的管桩轴向拉力设计值取为260KN(特征值为210KN)，即可满足设计要求。
3 桩头连接节点设计及验算
预应力管桩与承台（筏板）的连接是基础抗拔设计中必需引起重视的一个结构节点。对于本工程，主要是采用桩顶填芯区插筋与筏板连接方式。对于桩顶填芯区，在浇灌填芯混凝土前，应先将管桩内壁浮浆清理干净，宜采用内壁涂刷水泥净浆，并采用C30的微膨胀细石混凝土填芯，以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性；桩顶填芯区应采用比管桩内径略小的4~5厚的圆薄钢板作托板，填芯区插筋宜与钢托板焊接。该节点的设计应注意填芯区混凝土与管桩桩身混凝土的粘结强度问题、填芯区插筋的抗拉强度问题及钢筋抗拔锚固问题。
3.1填芯区混凝土插筋抗拉强度验算
因考虑到施工的因素，凿去桩顶以上1米的桩体时要求保留的预应力筋未必能保留住（实际施工中，为了加快工程进度，通常是采用机械截桩的方法来进行桩头处理），只能作安全储备考虑，连接的抗拉承载力全由桩顶填芯区插筋承受。根据《混凝土结构设计规范》[1] 第6.2.22条公式，该插筋的配筋面积为：As＝N/fy＝(260×103)/310 ＝839mm2
本工程配4Φ18(As=1017mm2)，并在桩顶填芯区按构造配箍筋Φ8@200，满足计算要求及规程的构造要求。
4 结语
通过上述案例计算的分析，预应力管桩的抗拔性能更受桩头连接节点抗拔承载力的控制，不能充分发挥其桩体及桩周阻力的抗拔能力。文中探讨管桩与承台的连接方式，同时又通过现场的静载荷试验验证了其可靠性，得出以下初步结论与建议：
（1）PHC管桩是性能良好的抗拉构件，适宜作为抗拔工程桩的使用。
（2）抗拉设计时管桩拼接时连接构件的强度必须进行验算，其主要包含焊缝强度、端板孔口抗剪强度、钢板棒墩头抗拉强度的验算。
（3）桩顶与承台的连接，由于受到的抗拔力最大，建议采用微膨胀混凝土填芯内插钢筋、端板焊钢筋并共同锚入承台或底板的构造形式。同时应通过抗拔承载力要求计算确定填芯高度及填芯钢筋笼的配筋。
参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）
[2] 建筑桩基设计规范（JGJ 94-2008）
[3] 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)