宿迁地区预应力混凝土管桩应用研究

1 　江苏宿迁地区的地质构造

　　宿迁地区位于郯城—庐江断裂带上，郯城—庐江断裂带是我国东部大陆最重要的断裂构造带之一，呈NNE 向延长约850km，地表宽度20～40km。断裂带自东而西由四条连续良好的主干断裂(依次称为F1，F2，F3，F4断裂) 组成(见下图)。迄今的研究表明[3～7]，郯庐断裂带属于壳断裂带，对应于一条显著的地幔隆起带，沿带的莫霍面埋深为30km，而其东西两侧的埋深则分别为31km 和33～36km。

　　宿迁市及其新城区地处郯庐断裂带的中段，介于王庄集—苏圩断裂(F1)与大官庄—双庄断裂( F2)之间。延续性稍差的桥北镇—宿迁断裂(沿马陵山、嶂山西侧展布，习惯上称为F5) 恰好穿越市区。紧邻市区的北缘，是一条大致沿京杭大运河分布的北西向宿迁闸—皂河南断裂。因此可以说，本文所述的宿迁地区，是被界定在大官庄—双庄断裂、桥北镇—宿迁断裂和宿迁闸—皂河南断裂所构成的“π”型区近顶部、面积约为15km2 的局部区域。地质事实[3]证明郯庐断裂带的存在应不晚于中生代。但城区范围内，基岩全部被第四纪松散的废黄河堆积与滩漫沉积物覆盖。基岩以上的地层为Q4 :全新统灰黑色粉砂、灰黄色粉土层，厚度一般10～20m ，废黄河漫滩地带厚度可大于30m;Q3:上更新统含钙质结核、铁锰质结核的硬粘土、粉质粘土层，下部为含砾中砂、细砂层，厚度约10～35 m;Q1 - 2:中、下更新统灰黄色砂砾层夹薄粘土，厚度15～35m;N2 :上新统灰白色砂土层，层厚约50m ，在老城区北部最厚可达80m。也就是说，新区内基岩的最大埋深应超过100m。

2 　宿迁地区的地质缺陷

　　地质缺陷系指影响地基条件均匀性、稳定性，并在特定因素作用下可能导致灾害事件发生的地质体不利成份、结构与构造特征，还包括对基础工程施工工艺构成直接妨碍的一些地质因素。根据上文的分析，笔者认为，活动的周边断层和上部沉积层因快速堆积形成的复杂、松散结构是宿迁市新城区地基最明显的地质缺陷。其对地基稳定性的主要影响表现在如下4 个方面。

　　⑴地震：郯庐断裂带是我国东部大陆著名的强震活动带。江苏地震局经过综合评估后也认为，宿迁新城区分布在一个7级潜在震源区内，建筑物需要按9度防震设计。

　　⑵断层引起地基错断或差异沉降：炮车—新沂水准测线的观察资料显示， 1953 ～1979 年间，沂水—汤头断裂以西表现为地面上升，以东则为下降，两侧最大落差近30 mm[8] 。此外，由武汉地震大队1976～1977 年在宿迁对三角边网的激光测距资料与1973 年测量数据相比，反映出了断裂带在宿迁段正在进行的左行压扭性活动[8] 。断层活动时次生的应力场仍有可能造成新城区地基土层的剪切破坏，其破坏能力随至主断层面的距离增大而减弱。

　　⑶复杂多变的地层结构：由于活动断裂的影响以及分布在新区内的废黄河在历史上的冲刷与漫滩沉积作用，覆盖在基岩上的新生代沉积层呈现出复杂多变的特征。土层的复杂多变，增加了地基条件的不可预见性，导致地基勘察与基础设计的困难，且极易因基础承载力的局部差异引起建筑物的不均匀沉降。

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　　⑷地基上的液化：土的液化系指常态下表现为固体特性的土壤，在抗剪强度降低或完全消失时变得容易变形而显示出近乎液体特性的一种现象[9] 。宿迁新城区全新统沉积层为与废黄河发育相关的堆积岗地、河漫滩沉积的粉砂、粉土和粉质粘土。据江苏省水文地质工程勘察院对宿迁市党政机关办公楼、宿迁市电信大楼、宿迁市武警综合楼等工程地基的勘察资料，这里全新统层厚一般均大于15 m ，潜水面埋深1～2.5m ，粉土中粘粒含量<10% ，孔隙比> 0.7。可以认为，整体上宿迁地区上覆全新统沉积层属于严重的可液化土层。统计显示，在地震条件下由地基液化造成严重损害的建筑物数目约占地基基础震害总数的54%[10] 。显然，在一个7级潜在震源区内，诱发因素确实存在，无疑使可液化土层成为宿迁新城区地基灾害最为突出的事故隐患。

3 　宿迁地区基础类型分析

　　基础类型的选择通常主要是根据地基地质条件、场地条件以及建筑物结构需要来确定的。侧重于地基地质条件，本文就目前宿迁地区已采用的几种主要的桩基础和复合地基类型对新区的适应性略作如下探讨。

　　 ⑴钻孔灌注桩：这是一种适用性广泛的桩基础，单桩承载力高、施工噪音小、桩长及桩径设计灵活性大。缺点是工程造价较高、泥浆处理麻烦、质量控制有一定难度。

　　⑵沉管灌注桩：沉管灌注桩的桩径、桩长设计也可以随地质条件的变化在一定范围内作适当调整，而且此类桩基施工进度快、工期短、造价低，同样也是一种被广泛采用的基础类型但考虑到区内液化层的折减，且沉管过程积聚在管壁外粉土、粉质粘土内的超孔隙水压在拔管后，极易对未凝固的桩身压迫造成缩经甚至因局部土体移动引起桩身剪切破坏，桩身质量无法得到保证。故此类桩基的应用在很大程度上受到了限制。

　　⑶水泥系深层搅拌复合地基：就是水泥土的固化原理。不过，由于地基土含水量太大、土体粘粒含量太低等因素不利于水泥土的固化，且此方法加固深度较浅(一般小于12 m)[11]。故其在宿迁新城区内的应用难以推广。

　　⑷挤密沉管砂桩和沉管碎石桩：沉管砂桩和沉管碎石桩属于散体材料桩复合地基，主要用于砂土和可液化的粉土地基加固。但由于施工质量难以控制，在宿迁地区使用受到一定的限制。

4  预应力混凝土管桩在宿迁地区的应用

　　4.1 　预应力混凝土管桩的主要特点

　　我国自20世纪80年代初才开始引进、研制和生产预应力混凝土管桩。工程实践表明，预应力混凝土管桩与传统的沉管灌注桩、钻孔灌孔桩和现场预制方桩相比，具有桩身质量稳定可靠、施工工期短、承载力高、造价经济、监理方便等优点。近几年已越来越受到内地工程界技术人员和建设业主的欢迎，在工业与民用建筑和高速公路等建设领域发展迅猛[13] 。

　　预应力混凝土管桩是采用预应力工艺和离心成型法制成的一种细长空心体混凝土预制构件，是一种采用挤土或半挤土的桩基形式，是将建筑物的荷载传给地基土的具有一定抗弯、抗压性能的受力杆件[13] 。管桩按桩身混凝土强度等级的不同分为PC桩(C60，C70)和PHC桩(C80)；按桩身抗裂弯矩的大小分为A型、AB型和B型;外径300mm～600mm ，壁厚65mm～125mm ，常用节长7m～15m。

　　众所周知，预应力管桩一般采用静压法和锤击法施工;桩尖形式有十字型、锥型和开口型;桩节之间的连接采用端头焊接连接。通过大量工程实践，对单桩承载力特征值的正确取值积累了一定经验，一般情况下，高强预应力混凝土管桩的单桩承载力特征值按其桩径大小进行选取，即桩径300，400，500的桩分别取700kN ，1100kN ，2000kN。在粘性土地基上进行桩基础施工，随着沉桩后停歇时间的延长，桩承载力会逐渐增大，初期较快而后期较慢，经一段时间后才趋于稳定。

　　根据以往管桩检测资料，某些粘性土地基高强预应力管桩的极限承载力会比终压力提高20%～40% ，当然对其承载力工后增大效应也应根据桩长和地质勘察资料等做出准确估算。在淤泥地区、填土较厚地区以及以粗砂、砾砂为持力层的较短的高强预应力管桩，由于桩侧负摩擦力的作用，随着沉桩歇时间的延长，桩承载力会逐渐减小，经一段时间后才趋于稳定。在桩基检测中，发现超短桩( L≤8m) 也常出现上述情况，单桩极限承载力会比终压力降低25%以上。预应力管桩持力层软化和基桩上浮也会引起桩极限承载力下降，导致桩基检测不合格。虽然采用混凝土填芯法和复打、复压等措施可有效提高桩承载力，但建议在设计时桩承载力特征值取值稍低于正常值。

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　　管桩较适合的应用条件:1)要求单桩竖向极限承载力标准值在2400kN～5600kN 之间的建筑，选用管桩较经济合理;2)基岩埋深在15m～30m左右，有较厚的强风化岩层作持力层，持力层标贯在45击左右较合理;3)淤泥软土较厚的地基、近海建筑，采用其他桩型易出现质量事故，采用管桩为首选[15]。因静压桩施工工艺具有噪音小、振动小、造价低、施工速度快的特点，近年来预应力混凝土管桩在国内得到了广泛应用。

　　4.2 　预应力混凝土管桩承载力以及水平(地震) 荷载作用下承载性能

　　竖向承载性能[17]：①降低了施工难度和劳动强度，避免了断桩、夹泥和局部缺陷等质量事故;通过管壁预留孔观测，能及时发现问题，及时处理，弥补缺陷，减少损失。②提高了桩的承载能力，特别是桩尖承载力增加40%以上，周边摩阻力和垂直荷载均提高30%左右，总沉降量减少1/3 ，增加了结构的安全可靠度。③大大减少了混凝土工程量，降低了工程造价。相同直径的空心桩与实心桩相比，每延米减少50%以上，而且，随着桩尖反力和桩周摩阻力的增加，桩长也可缩短，进一步减少了工程量。

　　水平(地震) 荷载作用下承载性能[18]：根据水平试验研究表明:管桩在一定水平荷载范围内，桩土处于弹性状态，每级加载增量与位移增量基本呈线性关系，卸载后变形大部分可以恢复，残余变形量较小。因此只有在小应变条件下，土体的抗力才能有效发挥出来;当分级循环加载至临界荷载时，是反映PHC桩抗水平力的一个特性点。试桩位移量均在10mm 范围内。与其他桩型相比较，在同等量级的荷载作用下，预应力混凝土管桩具有同等的抗震性能，可放心使用。在管桩的设计中，要充分考虑管桩的承载力，合理取值，避免浪费或取值过低埋下安全隐患。

　　1995年1月17是日本南部阪神强烈地震后，日本管桩及电杆协会对地震建筑物的基础进行了调查，发现建筑物的基础除了使用管桩外都受到了不同程度的破坏，尤其是现场灌注桩破坏率很高。同时也表明了PHC管桩在抗震方面有很大的优势，这也是1995-1996年日本管桩产量回升的主要原因。在日本现在各种基础上都大量应用管桩，无论是市内建设或市郊建设在用桩上都有一套比较好的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质量、施工安全、企业效益等方面进行综合考虑制订可行的施工方案，这也为管桩可以很好应用得到了保障。

　　4.3预应力混凝土管桩在宿迁地区的应用

　　随着宿迁城区作为江苏省重点开发城市，基础设施大规模投入建设，预应力混凝土管桩桩身质量稳定可靠、施工设备简单，不需要大型施工机械，承载力高、造价经济、见效快;又可用于工厂化生产，避免了大量浇筑水下混凝土的繁重劳动，并可采用流水作业加快施工进度，监理方便、实现文明、安全施工。预应力混凝土管桩在宿迁的应用同时得到普遍推广。

　　目前，在宿迁新城区，各种基础建设项目中已在普遍使用预应力混凝土管桩，具体应用举例如下表，并通过静载检测，单桩承载力都超过设计要求。

　　4.4管桩施工技术措施

　　管桩现场质量检验:在预应力混凝土管桩进场时，除对生产厂家的资质、该批管桩的检验报告、合格证、管桩预应力张拉应力表、管桩的混凝土、钢筋、主要附件等检测报告进行检查外，还应在现场检查桩身质量，如管桩内、外径尺寸偏差;管桩桩身的裂缝、裂缝宽度(不得出现环向及纵向裂缝) ;桩帽是否空鼓、空鼓的范围及程度。

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其中，对管桩混凝土的外观质量应仔细检查，如有怀疑，应抽样送有资质的检测单位进行超声波检查。管桩施工目前主要采用静力压桩以及锤击沉桩。桩锤的合理选择:锤击沉桩时，应根据桩径、壁厚、打入深度、工程条件及桩密集程度合理选用桩锤。桩锤选择总的原则是保证桩的承载力满足设计要求;顺利地将桩沉到设计要求的持力层和深度;满足设计要求的最后贯入度;打桩破损率低;每根桩总锤击数控制在2000击以内。桩身垂直度控制:桩身保持垂直，可减少打桩时因偏心受压而使桩身破坏的机会，成桩后桩的垂直度也能得到保证。为此，需对场地进行认真的平整压实，避免在施打过程中因振动而使桩架产生不均匀沉降，导致桩机导杆不垂直;在打桩过程中桩身始终要保持垂直，送桩杆应和桩身在同一中心线上，以控制成桩垂直度偏差不超过1%。管桩接头焊接处理:接头质量是管桩桩基质量的关键，桩身结构设计要求接头的抗弯强度必须大于桩身的抗弯强度，以保证在桩基施打过程中接头能经受成百上千次的锤击而不破坏。[13、19]静压法植桩，在中国尚是近十年来才发展起来，与锤击法相比较，它具有成桩质量好、压桩速度快等等诸多优点，发展前景好，从国内预应力混凝土管桩的施工发展过程来看，在城市植桩施工中，毫无疑问，静压桩机将取代柴油锤桩机，但仍要注意，桩身垂直度控制，以控制成桩垂直度偏差不超过1%，保证管桩接头焊接质量。不能过份强调提高静压桩的承载力，要防止陷机，夹裂（夹碎）管桩，挤土上抬，纵向压碎，深度折断（漂桩）等等一些问题。

　　因此桩接头焊接要严格控制质量，尽量避免裂缝。合理安排施工流水:在桩位布置密集的软土地基上施工管桩，必须合理安排施工流水，控制每日沉桩数量；在桩基土方或基坑开挖时，挖土宜分层均匀进行，桩周土体高差应控制在合适的范围内；同时土方开挖要有防止桩位移动的措施，否则稍有不慎，就会加大已打入桩的变位，造成挤土影响。

5　结语及讨论

　　预应力管桩以其桩身质量可靠、承载力高、经济且施工快速等优点，在宿迁地区逐步得到广泛应用，并取得了良好的经济效果。但另一方面，预应力高强混凝土管桩基础应用的时间还不长，对其应用中某些技术问题还需一个认识、研究、总结提高的过程。目前，工程实践的发展已远远超过理论研究水平，现已积累了一定的经验。对管桩与桩帽连接节点抗弯性能及其承载力的研究还很少，严重制约着预应力混凝土管桩的应用。此外，管桩的水平抗力也值得关注，特别是对管桩在地震作用下的抗震防灾效果以及宿迁市新城区分布在一条至今仍在活动的巨型断裂带上。新城区周边的活动断层和地基全新统沉积层的松散结构组成了该区地基最明显的地质缺陷，而对新区地基基础危害最大的则是上部粉砂、粉土层的液化隐患。应引起足够重视。从技术合理性、可行性和经济性等原则衡量，笔者认为，在宿迁新城区内，预应力管桩是普遍适用的基础类型，通过几十项工程项目施工，获得和积累了一些数据和资料，但还需进一步推广使用，以完善该技术。

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