PHC管桩在高烈度软土区高层建筑中的设计与应用研究

　　摘要：以昆明市某高层建筑项目的桩筏基础设计为工程背景，采用YJK软件建立桩筏基础计算模型，针对本工程的地质状况，进行了高烈度地区地震组合工况下混凝土PHC管桩内力研究。提出了在建筑物轮廓墙体外附近密集布置桩基并适当加厚筏板与设置抗剪弯起钢筋等提高筏板抗剪承载力的方法，进行了PHC管桩抗压优化设计;提出了水浮力与地震组合工况下PHC管桩拔力的计算方法，采用可靠的连接接头进行了PHC管桩抗拔优化设计;在分析了桩身拉力对桩身受剪承载力的影响的基础上，结合桩顶土体性质换填改良与PHC管桩填芯的有效措施，进行了PHC管桩抗剪合理设计。结果表明该PHC管桩适用于高烈度软土地区。

　　关键词：高层建筑;PHC管桩;高地震烈度软土地区;水浮力;地震拔力;地震水平力

　　引言

　　预应力高强混凝土(prestressedhigh-strengthconcrete，PHC)管桩，属于先张法预应力混凝土管桩的一种[1]。由于PHC管桩良好的受力承载性能、较低的经济成本、工期短、环保以及可满足不同桩长等优点[2]，PHC管桩在基础工程中得到了广泛的应用。然而，我国建筑工程行业标准及地方标准对PHC管桩在地震烈度8度及其以上地区的应用做出了限制要求[3-5]，对于高烈度软土地区更为严格。虽然PHC管桩在我国沿海软土地区已经得到了广泛的应用[1]，但应用地区基本为地震烈度较低区域。目前我国对PHC管桩在高烈度地区应用的研究很少。

　　刘慧珊[6-7]通过对60年代以来的地震特别是1995年日本阪神大地震进行了震害调查分析，总结了各类地基土的桩基破坏特点，并对桩基的抗震设计方法提出了改进措施，对我国桩基抗震设计具有一定的参考价值。杨树标等[8]对PHC管桩进行了振动台试验研究，刘春原等[9]通过振动台试验及数值分析模拟了不同烈度地震作用下PHC管桩的内力分布。

　　建筑论文范例：软土地区的砂层深基坑建筑施工方案

　　李曰辰等[10]通过振动台试验研究考虑了不同土体对桩基内力的影响并提出了PHC管桩在高烈度地区的应用的可行性。李光明[2]通过振动台试验研究了高烈度软土区预应力管桩的抗震性能，但是未考虑不同性质软土及实际工程筏板对桩顶约束的影响。戴轩等[11]利用有限元方法研究了成层软土地区桩筏基础PHC管桩的抗震性能，提出地下室及较大埋深对桩顶内力的有利作用及改良桩顶周围土体性质的设计思路。

　　上述研究均未与实际工程设计相结合且未见研究成果应用于实际工程中。郑刚等[12]通过试验研究了填芯PHC管桩对桩身抗剪承载力的有利作用，并指出填芯改善了桩身受剪破坏的脆性性质。杨志坚等[13]通过试验和数值模拟研究了PHC管桩与承台连接节点抗震性能，结论指出，地震作用下端板上预应力筋被拉断后，填芯管桩与承台连接处可形成塑性铰，有一定的耗能能力。上述研究均未涉及地震工况组合下桩身拉力对桩身受剪承载力的影响。 本文基于实际设计工程，研究了高烈度软土地区PHC管桩抗压、抗拔及抗水平力的受力性能与应用的可行性，对于PHC管桩在高烈度软土地区的应用具有重要的参考意义。

　　1工程概况

　　本工程总建筑面积约为140万m2，位于昆明市嵩明县嘉丽泽。拟建场地抗震设防烈度为8度(0.3g)，设计地震分组为第三组，Ⅳ类场地，设计特征周期Tg=0.9s。以某栋高层住宅建筑(采用剪力墙结构)桩筏基础设计为工程背景，房屋高度为57.9m，地上19层、地下1层，标准层层高3.0m，首层层高4.8m，地下室层高5.3m，嵌固端为地下室顶板，相对标高为-1.200m。

　　场地内分布的③黏土及③1泥炭质土为软弱土层，均为软塑状态，分布范围较广，厚度较大，地基承载力特征值较低，具有高含水量、孔隙比大、高压缩性、触变性、流变性、低透水性等特性，力学性质差，施工时孔隙水难以消散，易产生挤土效应，导致基桩上浮且为欠固结土，确定桩基抗压承载力需要扣除软弱土对桩侧产生的负摩阻力，③黏土及③1泥炭质土亦存在震陷的可能，需考虑震陷的影响;④黏土以软塑状态为主，局部为可塑状态，为软弱土层;⑤黏土以可塑状态为主，局部为硬塑状态，地基承载力尚可;⑥黏土可至硬塑状态，地基承载力较好;⑦黏土可至硬塑状态，地基承载力较好。抗浮设防水位绝对标高为1892.800m，设防水头高度为3.9m。

　　2基础模型的建立与桩的布置

　　本工程采用软件YJK1.9.3.3建模计算分析，上部结构模型计入地下室相关范围(主楼周边外延两跨)，地基土水平抗力系数的比例系数m取值2.0MN/m4。在上部结构模型基础上建立基础模型，管桩型号[14]采用PHC-600AB(130)，桩长55m，节桩长度为(10+15+15+15)m，其中10m长单节桩为桩底单节桩。

　　由于软弱土层不排水抗剪强度大于10kPa，可不考虑基桩的屈曲影响，桩径比为92.7，小于100，对于摩擦型基桩，满足国标图集10G409[14]设计要求。其抗压承载力安全度相对较高，为了减小挤土效应避免浮桩，同时减少成本，基桩间距设置相对较大为4.8d。

　　由于外挑筏板受力较大，筏板厚度为2.0m，混凝土强度等级为C40。为了减小筏板应力集中，缓变坡度角度为30°。上部结构剪力墙较厚，结构刚度较大，基础模型考虑上部结构刚度进行整体计算。根据试桩结果的抗压承载力、抗拔承载力及抗剪承载力进行研究验算，试桩结果如表1所示，其中抗拔试桩桩长为30m，单节桩长15m，采用焊接加强接头。其余试桩施工、检测要求与工程桩相同。

　　3抗压承载力的验算与分析

　　常规项目优先采取墙下布桩方式，其次采取主体轮廓范围内满堂布置桩基，然而对于高烈度软土地区，较大的地震作用导致建筑物外轮廓剪力墙附近基桩受力较大，桩反力严重不均匀，需要在建筑物轮廓外区域集中布置桩基，导致桩间距较小，带来浮桩风险。通常桩筏基础的筏板厚度由冲切控制，而地震作用组合工况下，外挑基桩反力可能会导致筏板抗剪承载力不足。

　　3.1抗压桩承载力的确定

　　根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[3]第5.4.3条考虑③及③1层软土的负摩阻力，由于管桩承载力是地震工况控制，兼顾③及③1层软土震陷的影响，不计③及③1层软土整个土层的摩擦力。

　　3.2抗压承载力分析结果

　　可以看出非地震标准组合工况下基桩反力平均值(Nk,avg)为1600kN，最大基桩反力(Nk,max)为1955kN，均远小于基桩承载力特征值2600kN;可以看出地震标准组合工况下受压基桩反力平均值为1536kN，最大基桩反力为3316kN，基桩反力平均值略小于非地震组合工况下基桩反力平均值，但是最大基桩反力较大，为基桩承载力的1.28倍，小于规范要求的1.5倍，满足设计要求并留有适当的安全度。

　　3.3筏板抗剪承载力的验算及改进措施

　　编号A1~A9、B1~B9管桩在地震标准组合工况下桩反力较大，引起筏板悬挑根部受到很大的剪力，即18根桩的反力之和，剪力标准值为57595kN。受剪破坏面宽度为18m，单位宽度承载剪力标准值Vk=3200kN。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[15]第5.4.1条，地震组合工况下标准值转化为设计值的分项系数为1.2~1.3，本文考虑到筏板抗剪为脆性破坏及筏板破坏的危害性，参考《建筑地基基础规范》(GB50007—2011)[16]第3.0.6条保守采用综合分项系数1.35计算单位宽度设计值Vs=4320kN。

　　3.4避免浮桩的有效措施

　　由于地震作用的特点与地质条件的特殊性，本工程部分桩间距较小，存在浮桩风险，因此需要采取有效措施避免浮桩，试桩在相同措施条件下进行，具体措施如下：(1)设置砂井或者碎石桩排水降低桩间土孔隙水压力，具体设置原则是进行专项论证后编制专项施工方案。(2)引孔措施：长螺旋钻机引孔直径400mm，孔长36m，应采取防止塌孔的有效措施;引孔采用长螺旋钻机引孔，垂直偏差不宜大于0.5%，并采用开口桩尖[4]。(3)压桩：严格控制压桩速率，按1m/min控制，为了保证接头的焊接质量，采用二氧化碳气体保护焊，焊接接头冷却时间控制不得少于8min。(4)管桩抗浮监测：设置一定数量的监测桩，当出现管桩上浮时，应立即检查复压。

　　4抗拔承载力的验算与分析

　　通常高层建筑项目是不存在桩基抗拔设计的，但是高烈度地区水平地震作用较大，筏板外轮廓周边的基桩需要满足抗拔设计要求，而对于软土地区Ⅳ类场地，基桩抗拔设计尤为困难。

　　4.1抗拔桩承载力的确定

　　由于抗拔桩接头的抗拉承载力不得小于桩身抗拉承载力，接头处受力复杂，且施工要求高，参考江苏省图集JH002—2019[18]仅计入一个抗拔接头(两节桩)的抗拔力确定本工程PHC管桩的抗拔承载力。江苏省图集JH002—2019介绍了抗拔桩机械抱箍式连接接头，具有较强的可靠性，但是由于专利条件限制，云南地区无法采用机械抱箍式连接接头，因此采用焊接接头，并采取角钢加强措施保证抗拔桩接头的可靠性。

　　4.2抗拔承载力分析结果

　　地震组合工况下，重力荷载代表值被视为恒荷载，但是重力荷载代表值包含有折减的活荷载，常规计算软件未扣除其中活荷载部分对抗拔力验算的有利作用，对于抗拔桩设计一般不考虑活荷载的有利作用，因此本文从安全角度不考虑重力荷载代表值中活荷载部分，并考虑水浮力的不利作用重新建立地震工况的标准组合。结合本工程场地常水位水头高度约2.8m，考虑地震与设防水位同时出现的概率，水浮力组合系数取为0.7。由于房屋高度小于60m，根据抗《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)不考虑风荷载的作用。

　　5水平承载力的验算与分析

　　多数人认为高烈度区不宜采用PHC管桩，主要是主观上认为空心管桩抗剪承载力相比实心混凝土桩较差。而实际PHC管桩桩身抗剪强度有预压应力的有利作用，对于抗拔管桩可以增加PHC管桩的填芯长度来保证桩顶段的受力性能。

　　5.1管桩水平承载力特征值的确定

　　通常基桩处于受压状态，桩身受剪承载力可以根据国标图集10G409确定，但是本文工程案例中部分基桩在地震组合工况下处于受拉状态，拉力与剪力并存，桩身拉力的存在削减了桩身的受剪承载力。

　　5.2水平承载力分析结果

　　桩顶实际水平力可以考虑地下室及外墙侧土体吸收上部结构水平力的有利作用[11]。由于各种实际工程案例中，地下室周边约束情况复杂，约束程度难以准确计算。通常可根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.7.5条采用地基土水平抗力系数的比例系数m(m法)保守计算地下室吸收的地震水平力。本文不考虑筏板基础底与土体摩擦及承台周边土体的有利作用，仅将《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.7.3条介绍的实际存在群桩效应作为工程设计安全富余度。

　　首层嵌固端竖向构件总剪力V0=23842.40kN，假定此剪力均由管桩(120根)承担，平均每根桩水平力为23842.40/120=198.7kN，小于基桩水平承载力特征值为210kN。保守取m=2.0MN/m4，采用YJK软件计算得到平均每根桩水平力为152kN，从而可以看出地下室及周边土体吸收地震水平力约为23.5%。本文考虑地震作用的不确定性，为了确保桩顶水平承载力的可靠性，基础设计文件提出如下施工要求：

　　1)常规项目桩嵌入筏板内的长度对中等直径桩(设计直径)不宜小于50mm;对大直径桩不宜小于100mm[3]。本文为了确保桩顶与筏板的半刚性连接，600mm直径管桩嵌入筏板内长度100mm。2)地下室外墙回填土及筏板侧边回填土采用1:7水泥土分层压实，压实系数不得小于0.95。桩顶标高以下3.0m范围采用级配砂石或者羊矸石满堂换填改良桩顶土体，压实系数不得小于0.95。平面换填范围：主楼筏板边线外扩3.0m。本文抗水平承载力试桩试验在改良土体中进行，而抗拔桩承载力未考虑改良土体的有利作用。

　　6结论

　　本文以昆明市某高层建筑项目的桩筏基础设计为工程背景，对混凝土PHC管桩在高烈度软土地区的设计及应用可行性进行了研究，研究表明：

　　(1)地震组合工况下，在建筑物轮廓墙体外围附近密集布置基桩的方法能够实现PHC管桩在高烈度地区进行设计应用，软土地质条件导致桩间距更小，挤土效应导致施工过程中存在浮桩风险，应该采取可靠有效的施工措施避免浮桩。

　　(2)在建筑物轮廓墙体外围附近密集布置基桩的方法会导致筏板受到强大的剪力作用，本文提出的适当加厚筏板与设置抗剪弯起钢筋等方法可满足筏板抗剪承载力设计要求。

　　(3)基于地震作用水平力的特点，建筑物轮廓墙体外围附近基桩应进行抗拔承载力设计，当抗浮设防水位高于基础板底标高时，地震组合工况下，水浮力对基桩的拔力作用可能有较大贡献，本文设防水头高度为3.9m，水浮力使基桩拔力增加了22.4%，因此应该在水浮力与地震组合工况下进行PHC管桩抗拔优化设计。

　　(4)当地震组合工况下PHC管桩拔力作用明显时，桩身拉力削减了桩身受剪承载力，对于PHC600AB(130)，桩身受拉651kN时，桩身受剪承载力(不考虑填芯)降低了25.4%。因此需要考虑拔力对桩身受剪承载力的影响，针对软土地质状况，可以采取对桩顶土体进行换填、加固改良土体性质或管桩填芯的措施保证基桩水平承载力。

　　参考文献

　　[1]张仕，李欢秋，王爱勋.提高PHC管桩在深基坑支护中应用的技术途径[J].地下空间与工程学报，2011，12(增2):1643-1647.

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　　[7]刘惠珊.桩基抗震设计探讨-日本阪神大地震的启示[J].工程抗震，2000(3):27-32.

　　[8]杨树标，唐伟，贾剑辉.管桩模型振动台试验的应变测试分析研究[J].建筑科学，2012，28(3):34-37.

　　[9]刘春原，李光宏，李兵.预应力管桩振动台试验的数值分析[J].岩土力学，2012，33(增1):265-269.

　　作者：王义春1，王治海1，左恩胜1，缪长青2