管桩应用及研究现状分析报告

文摘:管桩作为一种新型桩型，以其施工方便、承载力高、质量可靠、经济等优点得到越来越广泛的应用。根据管桩的承载力特点和受力状况，分析了影响管桩承载力的因素和提高管桩承载力的方法，并对施工中常见的问题进行了探讨，提出了有效的预防措施。

关键词:管桩；承载能力；建筑；质量管理

1前言

管桩作为一种地基处理和桩基形式，自上世纪初产生以来，得到了极大的发展。它被广泛应用于各种建筑基础中，发挥着巨大的作用。从国外管桩的发展来看，从1920年澳大利亚发明离心法制作混凝土制品，到1925年日本为钢筋混凝土管桩引进这一技术，1962年开发出预应力混凝土管桩(PC管桩)至今已有890年。目前，管桩已经朝着完全取代传统实心桩的方向发展。中国于1944年开始生产混凝土离心(RC)管桩。到二十世纪八十年代末，预应力约束管桩研究成功，即采用后张法对管桩混凝土施加预应力。近15年，我国生产的预应力混凝土管桩在产品性能和产量方面均达到世界前列，呈现出布局广、产品品种规格齐全、生产技术成熟、配套应用技术日益完善的特点。资料显示，2004年福建省预制高强混凝土管桩实际使用量达到2500万米。为了更合理地利用管桩技术，有效地推广管桩的使用，对管桩进行研究是极其必要的。

管桩的类型分为钢管桩、预制混凝土管桩和钢管混凝土桩。钢管桩和钢管混凝土桩具有强度高、抗冲击疲劳性能好、贯入能力强、切割方便、质量可靠、运输方便、沉桩速度快、挤土影响小等优点，但造价约为预应力混凝土管桩的3-10倍。因此，一般只在需要穿越砂层或其他桩型无法施工且质量难以保证时，或工期紧迫时，或在一些重要的特殊工程基础上，如海上钻井平台、港口平台等工程。预制混凝土管桩的快速发展和广泛应用主要得益于以下优点:

(一)建设周期短，施工方便，不受季节限制，工业化生产:

(b)对施工现场无污染，如果采用静压施工，不会产生噪音，符合绿色施工的要求；

(三)经济效益可观。同样的地基处理效果(竖向承载力和水平承载力)所用的混凝土比实心桩少30%-60%，抗腐蚀性强，工作性能与钢管桩基本相似。

(d)对持力层起伏较大的地质条件适应性强。一般来说，可以采用软土、粘性土、粉土、砂土、全风化岩体等地层条件。因此，如高层建筑、码头工程、桥梁工程、高速公路、铁路工程等。，除了钢管桩这种特殊的基础，钢管桩在工程中已大多被预制混凝土管桩所取代。目前，预制混凝土管桩在我国的使用已经相当可观。

2根管桩的承载特性及承载力分析

2.1管桩的承载特性

管桩底桩的桩端(靴)形式主要有十字形、锥形和开口式。前两种属于密封型。桩尖封闭管桩的承载力主要由桩周侧摩阻力和桩端阻力组成。对于开桩靴的管桩，沉桩时桩身下部(1/3-1/2)内腔填土，挤土作用弱(与沉桩和静力夯实混凝土桩相比)，对周围建筑物和环境影响小，环保性能高。而内腔的土塞为管桩提供了内摩擦，使得管桩承载力的构成更加复杂。影响管桩承载特性的因素很多，如桩侧土体性质、桩端土体性质、桩径、开口管桩壁厚、土层深度、施工顺序等。预制混凝土管桩通常只有开桩的效果。

2.2管桩受力分析

2.2.1确定管桩竖向承载力和单桩极限承载力的方法很多。最可靠的方法是平板载荷试验法。目前常用的公式有两种:一是以土的物理力学指标和大量试桩数据为基础，通过统计分析建立桩侧和桩端阻力与土体指标的关系；另一种是基于土的力学性质，如土的标准贯入击数，中国、欧洲、美国的API-RP2A地基规范都采用第一种公式。它的表达式是

由于地质条件不同，地质结构复杂，桩型多样，沉桩工艺多样，很难用单一的公式反映工程实际。

根据文献中进行的破坏荷载试验，当桩顶竖向受压时，桩身上部首先发生竖向应力和弹性变形，并传递到桩身下部，自上而下逐渐建立起摩擦阻力，使桩身处于弹性受压阶段。荷载较小时，变形较小，桩基基本无位移，桩端阻力为零。随着荷载的增大，当竖向应力传递到桩端时，桩端土逐渐被压缩，桩土相对变形增大，桩侧摩阻力进一步发挥。在加载的最后阶段，随着桩端阻力的增加，桩顶侧阻力先达到极限(摩阻力趋于恒定)，并逐渐向下扩大极限阻力的分布范围。在这个过程中，与荷载增量相比，摩阻力增量作为阻力的比例越来越小，而桩端阻力增量的比例越来越大。最后，桩端土体出现塑性区并迅速扩展。该桩由于急剧下沉而破坏，桩端土的渗透破坏先于桩身的强度破坏。此时桩上的荷载就是桩的极限承载力。

2.2.2管桩水平承载性状和单桩极限承载力

随着我国工程技术的快速发展，大陆架浅海石油勘探开发技术的进步和陆地高层建筑的发展，这些管桩不仅要承受巨大的竖向荷载，还要承受巨大的水平荷载。桩在水平荷载作用下的分析是工程中一个非常重要的问题，但一直没有得到满意的解决。4在文献中，水平千斤顶用于施加水平力试验，以测量单桩的水平荷载。施加的水平荷载通常被分类为估计水平极限荷载的1/10-15。施加每一级荷载后，在恒定荷载下测量桩的水平位移4分钟，然后卸载至零，停止2分钟后测量桩的残余水平位移。多级加载后，出现下列情况之一时可停止试验:1)桩身断裂；2)水平位移超过40mm或水平位移允许值符合设计要求。当桩应力达到极限强度时，桩顶水平力使桩顶水平位移超过20-30 mm，或桩侧土体破坏引起的上一级水平荷载为单桩水平极限承载力的标准值。

2.2.3影响管桩承载力的因素

2.2.3.1偏斜

偏斜桩是指桩周土体水平运动的被动桩，桩土之间的水平压力导致桩身水平挠度和弯矩，从而导致桩的偏斜。预应力管桩变形后的极限承载力低于直桩。斜交预应力管桩承载力的降低程度不仅与斜交程度有关，还与土体性质、埋桩长度、桩帽布置有关。

当遇到超过挠度限值的桩时，无论有无裂缝，都要进行纠偏扶正，使其倾斜度控制在允许范围内。浅(一般2-3m)桩可倾斜反转，然后扶正；深层土可通过钻孔和高压水冲洗从桩的对面取出，然后扶正。然后对整改扶正后的桩进行检测，看整改施工有无异常。如无异常，可进行下一步施工。

2.2.3.2裂缝

浅裂缝——裂缝一般出现在4-6m的深度，有些在3m以内。出现这种情况大多是因为在桩裂缝的下部有一个相对较硬的土层。深裂-裂缝位置出现在8-10m，主要是由地基土上深厚的软土层造成的。裂缝的存在必然会影响桩基的竖向永久荷载特性。为了保证桩基工程的安全使用，有必要对桩基进行加固。如接桩、修桩等，在一定情况下需要通过计算来确定。

2.2.3.3偏心载荷

竖向荷载偏心是预应力混凝土管桩产生弯曲荷载的重要原因，荷载偏心必然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。严格来说，承台下的桩大多处于偏心受力状态。如何正确评价偏心承载桩的承载力，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力之间的关系是预应力混凝土管桩基础设计中需要特别考虑的问题。

根据材料力学原理和现行钢筋混凝土结构设计规范，提出了偏心荷载作用下预应力混凝土管桩内力和位移(或桩顶水平位移)的计算方法，包括纯弯曲状态下桩身抗裂弯矩的临界值；轴力和弯矩共同作用下桩的抗裂弯矩限值；桩顶容许承载力与竖向力偏心距(或桩顶水平位移)的关系等。

3管桩设计和施工中的问题及质量控制

3.1压实效应

沉桩过程中，周围土体拥挤，对周围土体产生严重扰动，主要表现为径向位移。桩端和桩周一定范围内的土体受到不排水剪切和较大的水平挤压，产生较大的剪切变形，形成高孔隙水压力的扰动重塑区，降低土体的不排水抗剪强度，促使桩周邻近土体因不排水剪切而破坏。由于群桩施工中的叠加效应，打入的桩会被打入。群桩越密越大，土体位移越大。

施工过程中挤土效应的预防措施如下:

①合理安排沉桩顺序，控制日沉桩量，减少孔隙水压力的叠加；

(2)采用先开挖基坑后沉桩的施工程序，可以减少地基浅层软土的侧向位移和隆起，有利于减少沉桩引起的超孔隙水压力，从而减少地基深层土的位移。

③在场地内设置袋装沙井或塑料排水板，创造排水条件，降低孔隙水压力。

(4)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。这个问题非常隐蔽，往往在压桩工程完成后做静载试验时才发现，此时打桩机可能已经离开现场。这时候处理就很被动了。较好的处理措施是:提前选择有代表性的桩进行测量监控，桩施工后立即用水准仪测量记录桩顶标高，并在整个施工过程中定期复测，通过对比检查桩身是否上浮。如发现上浮现象，应采取控制压桩速度、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，可采用再压缩的补救方法。

3.3沉桩达不到设计要求。

沉桩达不到设计最终控制要求的主要原因是:

①勘探点不足或勘探资料粗略，工程地质条件不明，特别是持力层标高起伏，导致持力层设计考虑错误或桩长选择错误。

②设计持力层选择不当，预应力管桩持力层应强风化才能达到较高的承载力。但当强风化层埋深较大时，考虑到桩长的限制，需要选择全风化层作为持力层，这将极大地影响承载力，尤其是全风化层遇水易软化，地下水可能从桩尖通过桩管渗入，大大降低桩尖承载力。

③设计对单桩承载力预测不准确，导致实际桩长与压桩力不匹配。

(4)桩身断裂，无法继续施加压力。

防治措施:首先详细论证工程地址的地质条件，必要时进行补充勘测，正确选择持力层或标高；施工采用合适吨位的压桩机；根据工程地质条件，合理选择桩的施工方法和打桩顺序，避免断桩，保证桩的质量。通过试桩科学设计确定合理的终压标准。

3.4断桩

断桩是预制混凝土管桩施工中常见的问题，主要原因如下:

①使用厂家生产的不合格桩；

(2)桩尖撞上地下障碍物，管桩断裂；

③管桩施工中垂直度控制不好；

(4)管桩突然从软土层进入硬土层，打桩机压力迅速上升，产生对桩身的瞬时冲击力；

⑤基坑施工过程中，由于软土隆起，基坑壁侧向移动，导致断桩。

施工中如发现断桩，应采用加固方案。预应力管桩浅断桩可采用接桩。对于深层断桩的接长(包括部分错位桩纠偏后的接头)，应排干桩内积水，确认桩的倾斜度在允许范围内，并释放钢筋笼。钢筋笼应延伸至断桩以下3m，并灌注高标号混凝土。接桩后，应测试承载力。当断桩错位无法修复时，应重新修复桩。对于工程事故，要分析问题产生的原因、补桩的可能性和对已建桩的影响，并考虑其他可利用的条件、经济性和工期。

4结论

管桩作为一种新型桩型，以其成桩质量可靠、承载力高、施工速度快、场地整洁、经济等优点，得到越来越广泛的应用。但由于管桩应用时间短，在研究和应用中仍有许多问题有待解决。然而，工程实践的发展已远远超过理论研究水平，严重制约了管桩的应用。总结了管桩的承载力特性和受力分析，影响管桩承载力的因素，提高管桩承载力的方法，施工中常见问题及预防措施。但本文涉及的许多问题目前还没有得到圆满解决，需要通过大量的科学研究和工程实践来进一步探讨。

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