中海油石化工程有限公司 山东济南 250101
摘要：结合某地下污水池工程实例，分析总结预应力管桩（PHC）抗拔设计要点，总结了预应力混凝土管桩抗浮设计应用中的注意事项，供设计施工人员参考
关键词：高强预应力混凝土管桩；抗拔；计算
1. 引言
预应力高强度混凝土管桩（PHC）因施工方便，造价相对较低，适应性广的优点，在建筑工程中被广泛应用，特别在南方广东沿海地下水位较高地区，是建（构）筑物常见的基础形式之一。管桩大部分用作竖向抗压桩，但是在石油化工中一些构筑物如事故水池、地下循环水泵房等就涉及到抗浮问题。预应力混凝土混凝土管桩作为抗拔桩，有逐渐增产的趋势，作为抗拔桩使用的管桩，在有效预压应力范围内不会出现裂缝，对预应力钢筋保护较好，能较好的发挥桩身强度。下面结合工程实际，分析总结预应力管桩抗拔设计要点，并就管桩作为抗拔桩的合理性做出判断。
2. 影响抗拔承载力的因素
影响预应力混凝土管桩的抗拉承载力因数较多，归纳起来，大致有以下几点：
（1）抗拔承载力计算时，桩端不起作用，桩侧阻力也要根据桩身土类型乘以相应的抗拔折减系数，其抗拔承载力相对抗压承载力要小。
（2）管桩用作抗拔桩时，除了要满足桩土相互作用的抗拔承载力要求外，应充分重视桩身抗拉强度的验算。
（3）因一般的工程桩都为多节桩，管桩接头是管桩施工过程中一个关键步骤，在地下水、土对接头有腐蚀性时，接头防腐较难，其接头焊缝抗拉承载力也是影响抗拔承载力的重要因素。
（4）管桩与承台之间的连接好坏也直接影响着桩的抗拔承载力。
3. 工程实例分析
广东某石化工程地下污水池，其建筑桩基设计等级：丙级，所选桩型为PHC-400-AB-95-24（该桩选自国家标注图集：10G409），既预应力混凝土管桩AB形，外径400，壁厚95，混凝土强度等级采用：C80，采用两节桩（上节12m，下节12m）。上浮力所产生的单桩上拔力N0=260KN。桩长穿越土层自上而下名称、厚度及极限侧阻力标准值见表1。
表1 PHC管桩抗拔承载力计算参数表
3.1 土体提供的竖向抗拔承载力计算
当单桩呈非整体破坏时，由桩侧土提供的单桩抗拔承载力特征值为：
N1=∑λiqsikuili/2=（0.5*2*10+4*8*0.7+7*40*0.7+8*48* 0.7+2*60*0.7）3.14*0.4/2=365KN
设计时按N1=360 KN计算。
本工程打完桩后对桩做了抗拔承载力检测，现场抽取了6根桩进行抗拔静载实验，试验中当上拔力打到720 kN时，PHC管桩各项连接节点均能满足抗拔承载力的要求，且累计桩顶上拔量不超过60mm，检查说明管桩选取抗拔承载力为360KN是安全的。
3.2.1 桩身承载力控制一
管桩用作抗拔桩时，除了要满足桩土相互作用的抗拔承载力要求外，应充分重视桩身抗拉强度的验算。因为在较多情况下，管桩的抗拔承载力特征值不是由桩土之间的摩擦力所决定，而是桩身抗拉强度所左右，作为受拉且埋藏在地基土层中的构件，其裂缝控制等级为一级，即桩身不得出现拉应力，根据图集10G409《预应力混凝土管桩》6.4.2条，由混凝土有效预压力提供的单桩抗拔力特征值为：
N2=σcc*A0=σcc*[A+（Eg/Ec-1）Ap]=6.0*[91+（20*104/3.8*104-1）*7*0.09]=562（kN）
此时，管桩承受的拉力N0=260kN< N2=562kN，桩身未出现拉应力。
3.2.2 桩身承载力控制二
参照《混凝土结构设计规范》6.2.22确定桩身承载力，预应力构件受拉承载力设计值为：
N3≤fpyAp=1000*7*0.785*10.72 =629（KN）
3.3管桩连接构件的强度验算
3.3.1 连接焊缝承载力计算：
上下节管桩以端板焊接连接，端板厚度20mm。当端板焊缝高度为10mm时，考虑上下节桩错位偏差2mm，实际坡口焊缝高度按8mm考虑。对接焊缝能够承受的抗拔力标准值为：
N4=πDhff/1.4=3.14*400*8*205/1.4=1471（KN）
从本工程的焊缝强度验算可知，连接焊缝的承载力计算值远大于管桩抗拔承载力，但在实际施工过程中，施工单位为了抢工期或对焊接质量不够重视，因此，本工程设计中为确保端板焊接质量，特在设计说明中强调：“焊接接头应在自然冷却后才可继续沉桩，冷却时间不宜少于8min，严禁用水冷却或焊接后立即沉桩。”
3.3.2 端板孔口抗剪强度计算：
管桩端板与桩身预应力筋连接孔口处应验算其抗剪承载力。根据10G409《预应力混凝土管桩》图集连接详图，孔口端板上预应力钢棒锚固孔台阶处产生剪切破坏时，其孔口抗剪切强度设计值：
N5=n[2π（d2/2+（ts-h2）/2）*（ts-h2）-2πarcsin（d2/（d2+ts-h2））*（d2+ts-h2）] *fv/1.4=7*1452*125/1.4=907KN，满足设计要求。
端板与预应力筋的连接由管桩预制厂家负责，一般情况下连接可靠，业主或者施工单位应选择信誉良好和规模较大的管桩生产企业，一般不会出现管桩端板孔口抗剪强度不足的现象。
3.4桩顶与承台连接承载力计算
根据图集10G409；桩顶与承台连接可知，直径400的桩与承台采用4Ф20HRB400钢筋连接，钢筋能够承受的抗拔力标准值：N6= fyAs/1.4=360*4*0.785*202/1.4=323 KN
从以上分析可知，预应力管桩作为抗拔桩使用是可行的，桩顶与承台基础连接钢筋是决定管桩抗拉承载力的关键因数。预应力管桩用作抗拔桩使用时，根据国家标准图集10G409选出桩的型号时，需要验算标准图中管桩与承台连接的钢筋是否足够，如果桩身强度起控制作用时，宜选用有预压应力较大的AB型、B型、C型桩，不宜选用薄壁管桩。
4. 结论及建议
本文通过工程实例介绍了惠州大亚湾PHC管桩抗拔设计的应用实例，介绍了PHC管桩连接抗拔验算的方法及注意事项，得出以下初步结论及建议：
（1）预应力高强度混凝土管桩是性能良好的抗拉构件，做好节点构造后适宜作为抗拔工程桩使用
（1）当管桩作为抗拔桩使用时，对设计、施工、检测的要求应该更加严格。
（2）桩顶与承台的连接，由于受到抗拔力较大，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的配筋。
（3）预应力管桩用作抗拔桩，宜采用单节桩，当单节桩抗浮不能满足要求时，可采用2节桩，如果考虑两节以上管桩的桩周摩阻力时，上节桩应该尽可能长，接桩处金属表面须刷沥青等防腐材料。
（4）考虑到现场施工因数的影响，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。
（5）施工时应根据设计文件、岩土勘察报告、场地周围环境选用合理的沉桩设备。
参考文献：
（1）GB50010-2010，混凝土结构设计规范（S）.北京：中国建筑工业出版社，2010.
（2）JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范（S）.北京：中国建筑工业出版社，2008.
（3）GB50007-2011，建筑地基基础设计规范（S）.北京：中国建筑工业出版社，2011.
（4）10G409，预应力混凝土管桩（S）.北京：中国计划出版社，2010.
论文作者:滑端成
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/21
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