1、浅谈预应力高强混凝土管桩抗拔设计单位：福建永福工程顾问有限公司姓名：张元振摘 要： 本文 结合上海某工程 PHC管桩抗拔设计应用实例的介绍，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。同 时通过现场的静载荷试验验证了其可靠性，从中得出的一些结论供相关 PHC管桩的抗拔设计作参考与借鉴。关键词：PHC 管桩 抗拔设计1 前言预应力高强混凝土管桩（以下简称 PHC 管桩）由于其桩身强度高、生产速度快、质量稳定、施工易控制等优势，在广东及长三角等沿海地区得到了广泛的应用。据不完全统计，仅 200
2、6 年上海地区 PHC 管桩的使用量已超过 2800 万米，约占所有预制桩总量的 80。随着上海地区 PHC 管桩应用的广泛与深入，越来越多的设计人员采用 PHC 管桩作为抗拔桩来使用。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。相比较上海地区常规采用的抗拔桩桩型混凝土预制方桩或钻孔灌注桩，PHC管桩由于无须考虑因严格的裂缝控制1而增加配筋来增强桩身抗拉能力，因此 PHC 管桩作为抗拔桩使用的经济性日益凸现。然而，由于各设计人员对 PHC 管桩作抗拔桩使用的认识不一，在 P
3、HC 管桩的抗拔设计中产生了诸多问题。一方面，对 PHC 管桩桩身抗拉强度取值过小，导致确定的单桩竖向抗拔承载力远远低于管桩所能提供的单桩抗拔承载力；另一方面在 PHC 管桩的抗拔设计中还忽视了对桩身连接构件强度的验算，一般只是进行简单的桩土相互作用的抗拔承载力计算，个别工程因此还发生了质量事故。这一定程度上阻碍了 PHC 管桩进一步地推广与使用，严重时更影响到了基础工程的安全。为此笔者在本文中想通过对上海某项目 PHC 管桩抗拔设计应用实例的介绍，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。
4、同时通过现场的静载荷试验验证了其可靠性，从中得出的一些结论供相关 PHC管桩的抗拔设计作参考与借鉴。2 工程概况广场工程位于上海市闸北区海宁路南侧、河南北路以西、塘沽路以北、拟建山西北路以东。总建筑面积为 79930m2，地上建筑面积 58836m2，地下建筑面积 21094m2。四栋主楼建筑物为剪力墙、框筒或框架结构，均设 2 层地下室。基础采用桩基础，主楼桩型采用 PHC600 及 PHC500 管桩。根据岩土工程勘察报告，预制桩（PHC 管桩）的设计参数如表 1 所示。上海地区的地下水位一般在地面下 0.5m 左右，由于除主楼区域外均为 2 层纯地下室，故需设置抗拔桩以抵抗水浮力。根据地
5、下室的抗浮计算以及柱下布桩的要求，需要选用单桩抗拔承载力较高的桩型作为本工程的抗拔桩。结合本工程的特点，通过比选后，最终确定抗拔桩采用 B 型 PHC 500 管桩，即选用上海市建筑标准设计先张法预应力混凝土管桩PHC B500 100 管桩。抗拔工程桩送桩为地面下 9m，有效桩长 31m，桩端进入第层粉砂层。表 1 地基液化判别综合试验工程概况一览表PHC 桩层序 土层名称层底一般埋深（m）平均比贯入阻力Ps (MPa)抗拔承载力折减系数 * fi (kPa) fp (kPa) -1 粉质粘土夹粘质粉土 2.5 1.17 15 -3-1 砂质粉土 6 1.45 0.6 15 -3-2 粘质粉
6、土 18 1.03 0.6 25 -1 粉质粘土 27.5 0.75 0.6 35 -3 粉质粘土 36 1.03 0.6 50 -4 粉质粘土 39 2.22 0.6 70 1500 粉砂 44 13.59 0.5 105 6500 -1 粘土 59 1.62 0.6 55 1500 -2 粉质粘土夹粉砂 76 2.86 0.6 65 2800* 根据上海市工程建设标准地基基础设计规范抗拔承载力系数 ：粘性土、粉性土取 0.6；砂土取 0.5。3 PHC管桩的抗拔设计3.1 土体提供的竖向抗拔承载力计算根据表 1 参数计算 PHC B500 管桩单桩抗拔承载力设计值 Rd = 753kN。众
7、多类似地质条件的试桩成果表明，实测单桩竖向抗拔承载力极限值都大大超过规范计算的估算值，故本工程建议通过静载荷试验最终确定单桩承载力设计值（设计时拟取 Rd =850 kN）。3.2 桩身结构强度验算抗拔桩竖向抗拔承载力除了要满足桩土相互作用的抗拔承载力要求外，还需满足 PHC 管桩桩身结构强度的要求。目前应用较多的计算方法有国标图集 2、广东省标准 3和江苏省规程 4的推荐公式。以本工程上海管桩图集 5PHC B500 100 管桩为例。（1）国家建筑标准设计预应力混凝土管桩（03SG409）推荐公式：式中：管桩桩身轴向拉力设计值，kN；钢棒的抗拉强度设计值，MPa；预应力钢筋面积，mm 2。
8、（2）广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程（DBJ/T15-22-98）推荐公式：7.563.14（5002-3002）/4950kN式中：桩身抗拔承载力设计值，kN；管桩混凝土有效预压应力，MPa；桩的横截面面积，mm 2。（3）江苏省工程建设推荐性技术规程先张法预应力混凝土管桩基础技术规程（苏JG/T011-2003）推荐公式：（7.56+2.22）3.14（5002-3002）/41228kN式中：单桩上拔力设计值，kN；管桩混凝土有效预压应力，MPa；混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa；管桩有效的横截面面积，mm 2。对 比以上的三个计算公式，广东省标准相对较为保守，仅发挥了管桩中的有
9、效预压应力部分；国标图集以预应力筋的抗拉强度为控制，未涉及混凝土的裂缝控制验算； 而江苏省标准则除管桩有效预压应力外还考虑了混凝土的抗拉能力，以零裂缝为控制，较之国标图集留有一部分预应力筋的抗拉安全储备。相对而言，采用江苏省规 范进行桩身强度验算较为合理。3.3 管桩连接构件的强度验算由于上海软粘土地层的特性，一般的工程桩（预制桩）都为多节桩。抗拔桩当然也不例外，一般都需要接桩。因而管桩连接构件的强度，也是管桩抗拔承载力的重要控制指标。连接构件的强度验算主要包含焊缝强度验算、端板孔口抗剪强度验算、钢棒墩头抗拉强度验算。图 1 焊缝节点大样 图 2 端板与预应力筋锚孔详图3.3.1 焊缝强度验算
10、上海地区管桩管节拼接一般采用端板焊接的连接方式，通常考虑到减少接桩隐患，一般控制抗拔工程桩的接头数量为一个（即采用二节桩）。不同于承压桩，焊缝对抗拔桩承载力影响至关重要。本工程 31m PHC B500 100 管桩由两节单桩拼接而成，焊缝局部大样见图 1，具体焊缝强度验算如下： 0.253.14（49824762）1702860 kN式中：焊缝外径，取 ；焊缝内径，取 ；焊缝抗拉强度设计值，取值 170N/mm2（现场焊缝质量按三级考虑）。从焊缝验算中可以看出，如果焊缝质量可以保证，则端板焊缝强度远远大于桩身结构强度。但在实际的工程中发现，由于施工质量的问题，焊缝处发生质量事故的几率很大。因
11、此，本工程设计中为确保端板连接的焊接质量，要求施工单位必须严格按照相应规范进行焊接施工，同时对桩材也要求确保端板坡口的 H0 和 a 满足管桩图集的相应要求。3.3.2 端板孔口抗剪强度验算在不少 PHC 管桩作为锚桩的静载荷试验中，发现管桩端板与桩身预应力筋连接处亦是一个薄弱点，经常有端板拔坏的现象发生。端板孔口剖面详见图 2，孔口最不利处为端板上预应力钢棒锚固孔台阶易产生冲切破坏，因此需进行孔口抗剪强度验算。同样以 PHC B500 100 为例（端板厚度 ts=19mm），端板孔口抗剪强度设计值验算如下：153.14（12+20）/2（19（9.56）/2）1251060kN验算的抗剪强
12、度值远小于桩身强度和焊缝强度。因此，本工程虽然抗拔承载力设计值取 Rd =850 kN，但在实际设计中仍采用加厚端板（ts=24mm）的办法，提高端板孔口抗剪强度，增加其安全度。端板孔口抗剪强度设计值验算如下：153.14（12+20）/2（24（9.56）/2）1201470kN3.3.3 钢棒墩头抗拉强度验算在 PHC 管桩作抗拔桩的试桩过程中，也出现过预应力筋墩头拔坏的现象。这是由于墩头在受力过程中受到冲切破坏，为此设计中也需要进行墩头抗拉强度的验算。上海市标准先张法预应力离心混凝土管桩制作规程（DBJ08-302-96） 6规定，镦头强度损失不应大于钢筋抗拉强度的 5。按镦头强度为钢筋
13、抗拉强度的 95考虑，钢棒镦头抗拉强度设计值为：由于 PHC 管桩采用先张法施加预应力，因而单节桩的预应力筋与端板的整体连接强度在管桩制作过程中都已得到检验。理论上讲，只要管桩制作时预应力张拉到位，构件的整体连接强度还是有相当保证率的。3.4 管桩与承台连接作抗拔桩时，PHC 管桩与承台连接按广东省标准 3的要求，抗拔 PHC 管桩应将桩的纵向钢筋全部直接锚入承台内，因此必须截桩，让桩内钢筋外露，这样做一方面桩身结构有所损伤，另一方面费时费力。上海地区较为成熟的做法是采用上海管桩图集 5推荐方法，用微膨胀混凝土填芯内插钢筋，同时在 PHC 管桩端板上焊钢筋，一并锚入桩承台或者基础底板。锚固钢筋
14、大小根据抗拔力的大小进行计算调整。3.4.1 管桩填芯混凝土抗拔性能的探讨填芯的连接方式中，抗拔力主要通过填芯混凝土与 PHC 管壁的粘结力传递。填芯混凝土与管桩桩壁的粘结强度是由接触面上的胶结力、摩擦力和机械咬合力组成，而且随接触面的位置而变化。在混凝土强度等级不太高的情况下，粘结强度随混凝土抗拉强度增大而增加，因此文献 7建议采用平均粘结强度概念去考虑新老混凝土的粘结力，并假定平均粘结强度与混凝土抗拉强度成正比，即：式中：为待定系数；平均粘结强度。新老混凝土粘结强度试验研究和理论分析表明， K 10.450.56，设计时若采用了微膨胀混凝土，则 K1值可以适当放大。因此填芯与管桩的粘结力建
15、议可用下式计算：式中：填芯粘结力设计值；填芯直径（管桩内径）；填芯高度。以 PHC B500 100 管桩为例，填芯采用 C30 微膨胀混凝土，K 1取 0.5，填芯高度2m 时，粘结力约为 1347kN。从理论上分析表明这种连接方式是可行的。但是，在实际运用中，由于管桩内壁不可避免有离心浮浆层的存在，且因施工问题造成填芯的施工质量不一，都对填芯的整体抗拉强度造成了损失。因而，在 PHC 管桩端板上焊钢筋并锚入桩承台的措施是必须的。考虑到有可能截桩，在端板上焊接钢筋不一定都可行，因此在抗拔设计计算中建议仅以填芯作用为控制指标，端板焊接钢筋可作为安全储备。3.4.2 本工程桩顶与承台的连接设计考
16、虑到本工程中抗拔设计值仅取 Rd =850 kN，故填芯高度采用 L=1.5m，其具体构造见图 3。对于必须截桩的管桩（如试、锚桩等），要求如纵向钢筋有足够锚固长度时，L 取 1.5m；其余情况下，L 取 2.5m。在本工程实际设计中，也采取了增加端板内直径的方法来确保混凝土填芯的抗拔强度。详见图 4。图 3 PHCB500 管桩作抗拔桩桩头连接详图 图 4 端板详图4 静载荷试验及结果为了确定单桩竖向抗拔承载力，同时验证 PHC 管桩的抗拔性能，工程现场进行了 3 组常规管桩的静载荷抗拔承载力试验。桩型采用上海管桩图集 PHC B500 100 39m（端板厚度19mm，D1=300mm），
17、设计抗拔承载力 850kN，抗拔试验最大加载量 1400kN（本工程试桩都是作为工程桩使用，在确定抗拔试验最大加载量时不宜超过 PHC 管桩桩身强度的极限承载力）。其中 2 组管桩桩顶采用 C30 微膨胀混凝土填芯，填芯高度 5m，内插 1222 螺纹钢筋，其 US 曲线见图 5。图 5 静载抗拔 Us 曲线作为对比试验，另一组管桩桩顶采用钢筋通过钢管直接与端板焊接的连接方式。试验中当上拔力达到 1120 kN 时，端板被拔坏，基本接近验算所得的端板整体的抗拉能力。破坏形式主要是预应力钢棒与端板连接的综合强度（端板孔口抗剪强度、钢棒墩头抗拉强度）不足造成的。分析其破坏原因，可能一方面是实际生产
18、制作的 PHC 管桩的构件强度与理论计算有所出入；另一方面是抗拔试验中各钢筋的受力不免有受力不均的现象存在。因而，可以认为端板孔口抗剪强度是 PHC 管桩作为抗拔桩中的薄弱点，根据抗拔承载力设计要求对其验算增加端板厚度是有必要的；作为受抗拔力最大的桩顶与承台的连接，同时采用填芯加端板焊接钢筋的连接方法也是必须的。静载荷试验结果表明，对于本工程中抗拔承载力 850kN 的情况下，PHC 管桩各项连接节点均能满足抗拔承载力的要求。试验所得的土层提供的极限抗拔承载力为 1400kN，远大于根据表 1 参数的计算值，且还尚未达到土体的破坏。建议估算抗拔承载力时，抗拔承载力系数 可根据行业的桩基规范 8
19、取值，即：粘性土、粉性土取 0.70.8；砂土取0.50.7。5 结语与建议本文通过介绍上海某项目 PHC 管桩抗拔设计的应用实例，分析了 PHC 管桩作抗拔桩使用时所需的桩身结构强度验算、管桩连接构件的强度验算的方法，并探讨了管桩与承台的连接方式。同时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）PHC 管桩桩身结构强度的确定建议主要由有效预压应力控制，可以充分发挥其混凝土的抗拉能力，以零裂缝的控制要求计算。实际工程使用中，可根据地层条件的不同，选用不同配筋的管桩，一般宜采用有效预压应力较大的 B 型桩。（
20、3）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。（4）从理论计算以及抗拔试验表明，端板与预应力钢棒连接的强度是 PHC 管桩作为抗拔桩使用的薄弱点。因此需根据抗拔承载力设计的要求对其进行验算，建议增加端板厚度，以满足端板孔口抗剪强度的要求。（5）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。（6）考虑到桩材制作的因素，在设计中，建议适当降低桩身整体的抗拔承载力强度，以保证其总体安全度。（7）估算土层
21、提供的极限抗拔承载力时，抗拔承载力系数 宜按以下取值：粘性土、粉性土 0.70.8；砂土 0.50.7。建议通过静载荷试验最终确定单桩抗拔承载力设计值。参 考 文 献1 国家建筑标准设计.GJBT-708 预制钢筋混凝土方桩(04G361) S. 北京,2004.2 国家建筑标准设计.GJBT-644 预应力混凝土管桩(03SG409) S. 北京,2003.3 广东省标准.DBJ/T15-22-98 预应力混凝土管桩基础技术规程 S. 广州,1998.4 江苏省工程建设推荐性技术规程. 苏 JG/T011-2003 先张法预应力混凝土管桩基础技术规程 S. 南京,2003.5 上海市建筑标准设计. DBJT08-92-2000 先张法预应力混凝土管桩(2000 沪 G502)S.上海,2000.6 上海市标准.先张法预应力离心混凝土管桩制作规程(DBJ08-302-96)S.7 李先平,张雷顺,赵国藩. 预应力混凝土管桩与桩帽连接节点抗拔性能原型试验研究J. 土木工程学报,2005,38(7):81-86.8 国家行业标准. JGJ94-94 建筑桩基技术规范S. 北京:中国建筑工业出版社,1995.
