浅谈预应力管桩在浅埋强风化地层中的应用

预应力管桩按沉桩方法分静压式和锤击式两种工艺,一般情况下,只要能采用锤击工艺的，就不采用静压工艺。同一场地、同规格的桩，锤击成桩的承载力相对来说更高。预应力管桩作为一种经济、可靠的桩基础技术，目前己得到广泛应用。预应力管桩因其强度高、耐打性好、有一定的穿透力、承载力较高,施工进度快深受欢迎,是一种少泛被采用的桩型,施工技术逐渐走向成熟。然而不是所有的建筑场地和建（构）筑物均能采用该基础型式,如在花岗岩地区进行预应力管桩从础施工，其只能进入强风化层一定深度，且不能穿过稍厚的块状强风化夹层或中、微风化的孤石、风化球等，并易形成断桩。在泥岩、页岩、泥质粉砂岩发育地区，因岩体破碎，差异风化严重，在残积层或全、强风化层中常存在中、微风化的岩块或硬夹层，其对预应力管桩施工有所影响并经常导致基础选型的失败。一般在强风化地层埋深浅、差异风化较大的场地,人们首先想到的是不宜采用预应力管桩基础。事实说明并非如此，只要勘察准确、桩长选择适宜、桩锤配置合适的情况下,是可以采用预应力管桩做为多层或高层基础型式。
2 某风化不均场地预应力管桩成功实例
某工程拟建物有7栋高层，层数18~30层不等;2栋4层的多层住宅楼及其他公共设施、半层或一层地下室。该工程勘察由我公司承担，笔者曾赴勘察现场了解地层情况，参加了基础选型讨论，查检了桩基检验结果，现就相关情况介绍如下 。
2 . 1 场地工程地质条件
    场地内第四系地层自上而下依次为：杂填土（Q ^ml）耕植层，( Q^pd）、冲积层（Q^al）、残积层（Q^el） ,下伏基岩为第二系泥页岩（N）。
 ① 杂填土：主要由中砂或粘性土组成，砂质较纯，湿~饱和，松散~稍密状态。含少量的建筑垃圾和碎块石。场地西侧部分钻孔该层以粘性土为主。全场地分布,厚0 . 60~6.40m,平均 2.51m 。
 ② 耕植土：褐黄色。主要由粘性土组成,含少量腐殖质,稍湿,可塑状态。不连续分布，0 . 20 ~ 2.00m ，平均0 . 72m 。
 ③ 冲洪积粉质粘土：局部含少量的粉砂，土质较均匀，稍湿，可~硬塑状态。局部分布，层厚 1 . 60~ 3 . 40m ，平均 2 . 44m 。
   ④ 冲洪积淤泥质粉质粘土：含少晕有机质及粉细砂。湿,软塑~流塑状态。分布拟建场地绝大部分，揭露层厚 0 . 30 ~9 . 60m , 平均 2 · 31m。
⑤ 冲洪积粉砂：主要由石英砂组成,局部含卵、砾石，饱和,粘粒含量不均,中密状态为土,局部为松散~稍密或密实状态。绝大部分场地分布,层厚0 . 70 ~ 9 . 60m ，平均4.49m。通过标贯试验分析，该层不属于液化层。
 ⑥ 冲洪积含中砂和有机质粉质粘土：含少量有机质和中砂，局部为含有机质的砂团块或透镜体，湿，软~可塑状态。大部分场地分布，层厚 0.60 ~6 . 80m ，平均 2 . 94m。
 ⑦ 残积粉质粘土：由第三系泥页岩风化残积而成,湿,可塑~坚硬状态,局部夹有硬块。不连续夹强、中风化夹层，土质不均。分布于拟建场地绝大部分，层厚0.60~ 10 . 90m，平均3 . 22m。
 ⑧ 强风化泥页岩：局部夹泥质粉砂岩，层理极发育，呈薄层~中厚层状构造。绝大部分钻孔揭露岩芯顶部约 0 .5~ 3m为土状，夹有硬块，其下多为块状强风化，局部为中风化夹层。泡水易软化，抗风化能力差。该层个别钻孔缺失外,厚度0.50~ 12.00m，平均4 . 23m ，顶板理深 7 . 40~17 . 80m ,平均 12.16m 。
⑨ 中风化泥页岩：岩芯呈碎块或短柱状,岩块锤击易断。全场地分布,顶板标高－17 . 86~－6.7lm.
通过土工试验统计分析得出各岩土层的物理力学性质指木统计表如下表 l 。
                        表 l

土层 名称及代号                              指标     指标     统计项目		天然含水 w (%)	天然容重r (g/cm)	比重 G	隙比 e	液限WL#p#分页标题#e# (%)	塑限WP (%)	塑性指示IP(%)	液性指数IL	压缩系数 a100-200（MPa-1）	压缩模量ES(MPa)	内摩擦角Φ(度)	凝聚力C(KPa)	标贯击数N击
耕值土（Qpd）	统计个数	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
	平均值	33.27	1.88	2.67	0.893	38.63	25.83	12.80	0.56	0.47	4.46	9.77	20.23
淤泥质粉质粘土（Qal）	统计个数	14	14	14	13	13	13	13	13	14	7	7	7	17
	平均值	39.47	1.78	2.67	0.978	39.97	20.50	15.50		0.54	3.93	7.37	5.71	5
粉土（Qal）	统计个数	8	8	8	8	7	7	7	7	7	7			48
	平均值	32.15	1.82	2.66	0.937	32.23	14.94	11.68		0.54	4.40			7
含中砂和有机质粉质粘土（Qal）	统计个数	10	10	10	10	8	8	8	8	10	10	6	6	23
	平均值	33.53	1.84	2.65	0.929	30.72	13.61	10.36		0.52	4.20	12.12	9.87	6
粉质粘土（Qel）	统计个数	13	13	13	13	13	13	13	13	13	13	10	10	20
	平均值	38.26	1.80	2.66	1.047	41.80	21.70	14.55		0.53	4.62	14.13	11.39	14

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各土层承载力特征值f_ak、压缩模量 E _s、等指标如下表2 。桩是土摩阻力特征值q_sa及桩端土承载力特征值 q_pa ，如下表 3 。进入中风化岩的桩端嵌岩桩，岩石饱和单轴抗压强度及C₁、C₂（系数，根据持力层基岩完整程度及沉渣厚度等因素决定）系数如下表 4 。
 
                                 表 2

岩土层名称及成因代号	地基承载力特征值fak（KPa）	压缩模量 Es （MPa）	变形模量E0 （MPa）	内摩擦力 Φ(°)	凝聚力C （KPa）
①杂土层	100			25	0
②耕值层	100	5	10	10	25
③粉质粘土	180	6	13	15	25
④淤泥质粉质粘土	80	2.5	3.5	6	12
⑤粉砂	150	8	15	24	0
⑥含中砂和有机质粉质粘土	90	3	4	10	12
⑦粉质粘土	200	8	16	20	26
⑧强风化泥页岩	700	16	90	25	16

 
 
 
 
 
 
 
                  表3  

地层代号	岩土状态	桩侧摩阻力特征值Qsa（KPa）		端阻力特征值Qpa（KPa）
		打入桩,静压桩	钻，冲挖孔桩及沉管灌注桩	预 制 桩				水下钻（冲）孔桩		人工挖孔，钢管护壁挖孔桩
				桩入土深度（m）				桩入土深度（m）
				L≤9	9<L≤16	16<L≤30	L>30	≤15	>15
①	松散~稍密	10	8
②	可 塑	20	16
③	可~硬 塑	28	25
④	流~软塑	14	12
⑤	中密，局部松散~稍密或密实	28	23
⑥	软~可塑	18	16
⑦	可塑~坚硬	38	32
⑧	土状强风化	100	90	4000			4500	750	1000	1400
	当桩端位于强风化夹层时							1600		2000

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           表4

岩石名称	单轴抗压强度MPa	挖孔桩		岩石名称
		C1	C2
中风化泥页岩	9	0.40	0.04	中风化泥页岩

 
 
 
 
   地下水位埋深浅，稳定水位埋深介于0 . 20~ 4 . 50m，平均埋深为0 . 90m，标高介于2.4 0~3 . 76 m。
2 . 2 基础选型
    低层、多层建筑采用预应力管桩基础，以强风化层作为持力层，或采用水泥土搅拌桩或 CFG 桩进行地基处理形成复合地基。小高层可采用预应力管桩以强风化（块状部分或中风化厚夹层）为基础持力层，或采用复合地基。高层采用冲孔灌注桩基础以中风化为持力层。经比选，在先试桩的前提下，设计采用锤击预应力管桩为多层、小高层的基础选型。
2 . 3 试桩结果
   成桩情况:设计试验桩的单桩承载力特征值和有关成桩参数如下表5。
                     
 
 
 
                             表5
 

试验编号#	桩号#	桩径mm	入土桩长m	单桩承载力特征值KN	打桩锤型			总锤击数	最后三阵贯 入度cn/10锤			备注（配桩情况）m
					锤型锤重t	落距m
1	试1	500	12.3	2100	HD62		2.2	533	2.0	1.9	1.7	12
2	试2	500	12.6	2100	HD62		2.2	558	1.9	1.8	1.6	7+6
3	试3	500	17.0	2100	HD62		2.1	919	1.9	1.6	1.4	12+6

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   试验桩均以强风化泥页岩为桩端持力层。经检测，其试验结果汇总如下表6。
                              表6

试验编号#	桩号#	桩径mm	最大试验荷载KN	最大沉降量mm	残余沉降量mm	单桩极限承载力KN	单桩极限承载力mm	单桩承载力特征值KN	单桩承载力特征值时沉降量
1	试1	500	4200	10.45	0.75	≥4200	-	≥2100	4.14（2100）
2	试2	500	5500	19.77	10.38	≥4950	18.88	≥2475	5.81（2475）
3	试3	500	4200	15.21	2.80	≥4200	-	≥2100	5.50（2100）

 
   根据试验结果确定单桩竖向极限承载力统计值时,试 l＃、试2＃、试3＃桩的单桩竖向极限承载力可取4200kN、4950kN、4200kN。级差未超过平均值4450kN的30 % ,取平均值4450kN为单桩竖向极限承载力统计值，单位工程统条件下的单桩竖向承载力特征值为 2225kN 。根据规范，对桩数为3根或3根以下的柱下承台，单桩竖向极限承载力统计值取低值4200kN ,单桩竖向承载力特征值为 2100kN 。
3 分析
试桩结果能满足设计单桩承载力要求，拟建场地可采用预应力管桩基础。试桩前，针对该拟建场地的岩土特性，一般认为，采用预应力管桩基础本来并不是理想或可靠的选择，相关人员提出了很多置疑，主要有：①预应力管桩穿透能力有限，能否够穿越块状强风化夹层或中风化岩块或夹层；②强风化埋深较浅，桩长较短，承载力能否满足上部结构荷载要求；③桩端基岩浸水软化降低桩端承载力；④如进行预应力管桩基础，施工至一定程度发现不可行，基础如何处理等问题。
笔者分析拟建场地采用预应力管桩成功主要有三点。 ①勘察能够准确、详细的查明场地硬夹层的分布范围、发育程度和埋深，为设计提供了可靠数据；②设计采用块状强风化或稍厚的中风化夹层为基础持力层，其块状强风化、中风化比土状强风化抗压强度高，浸水软化影响较小，有效的提高了强风化层的桩端承载力；③充分的分析岩土特性，配置适宜的桩径、选择合理的桩锤是重点。不同重量的桩锤提供的锤击能量不一样，作用至桩端的穿透能力也不一样。锤重过小，冲击能小，沉桩速度慢，桩端的穿透能力差，不能进入稳定较高承载力的持力层；锤重过大，冲击能大，沉桩速度快，桩端穿透能力强，但遇到硬夹层（如中风化夹层）易造成桩端破碎或断桩。根据经验，般500 ~ 600mm的管桩多采用4 . 5~5t的桩锤（常用桩径、桩锤选用配合如下表7 ) ，而本工程采用了6t的桩锤，有效的提高了桩端对本场地硬塑状残积层和强风化夹层的穿透能力，也不至于损坏桩身。#p#分页标题#e#
                               表7
 
               
 
 
 
 

筒式柴油（t）	1.2t	1.8t	2.5t	3.5t	4t	4.5t	6t	7t	8t	15t
锤冲击力（KN）	600~ 900	900 ~1500	2000~ 3000	3000~ 4000	4000~ 6000	4500~ 7000	5000~ 8000	6000~ 10000	7000~ 12000	12000~ 18000
管桩直径（cm）	25~30	30~40	35~41	40~50	45~55	50~60	55~65	60~70	65~80	80~100

4 结论 
    通过本工程实例可以说明，在浅埋强风化场地也可考虑采用预应力管桩基础作为多层、小高层甚至高层建筑的持力层，但要结合实际的工程地质条件充分分析，准确的掌握硬夹层的破坏强度，配置合理的桩径，选择合适的桩锤重量。桩径、桩锤、落距的搭配尤为重要，甚至可以采用一桩多锤的做法，即桩入上深度不同，选择不同重量的桩锤，保证其提供的冲击能量有足够的穿透能力同时不致使桩身损坏，针对局部硬夹层可采用引桩措施。一般情况下，在浅埋强风化几风化不均场地如能使用预应力管桩替代人工挖孔桩、冲孔灌注机，能达到质量同等、施工进度快、投资少的良好效果。