大直径预应力管桩在深基坑支护工程中的应用研究_陈文海

长期以来，钻孔灌注桩一直是深基坑支护桩的主要 坑支护，对其施工工序和技术要点进行了阐述，这也是
形式。由于支护桩主要承受水平向荷载，而从抗弯角度 该桩型在隧道工程中的首次应用，最后根据该工程的实
考虑，断面中心部位混凝土所起的作用很小，因此采用 际情况进行了技术经济比较。
环形截面可以大大节省材料[1~2]。此外，钻孔桩的施工对 环境的污染较严重，其泥浆处置一直是城市桩基施工中
2 正截面抗弯承载力的配筋设计方法
的一个难题，每方土的泥浆处置费往往高达 60～70 元。 2.1 环形截面均匀配筋公式
与钻孔灌注桩相比，大直径预应力管桩具有节省材料、
对于基坑支护工程，桩身截面的竖向力很小，主筋
无泥浆污染、桩身混凝土质量易于保证，施工速度快等 的配置一般按正截面受弯承载力设计。对于预应力管桩
预应力混凝土环形截面的正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力的配筋设计公式。结合某隧道工程的基坑支护，
对预应力管桩用于深基坑支护的施工工艺和技术要点进行了探讨。根据工程实际情况，进行了技术经济比较。
关键词：预应力管桩；基坑支护；环形截面；配筋设计；施工工艺
中图分类号：U443.1
文献标识码：B
1 引言
本文针对预应力管桩用于深基坑支护工程的特点， 对其设计方法进行了探讨，结合南京市某隧道工程的基
h0
（9）
Vp=0.5Np0
（10）
将式 （9）中的 b，h0 分别以 1.76r 和 1.6r 代替[6]，可
得
Vcs =1.97ft
22
(r2 -r1 )
+2.0fyv
Asv s
r2
（11）
式中，Vcs 为混凝土和箍筋的受剪承载力设计值；Vp 为
预应力对抗剪承载力的提高；Np0 为计算截面上混凝土
实心桩在打入土层时会产生严重的挤土效应，导致已施 计算公式
工桩的桩身发生变形、断裂、错位、上浮[3]，尤其是预 制桩的接头处更易破坏，并且由于挤土严重，沉管和预 制桩的打入阻力很大，目前应用的设计断面直径多在 600mm 以内，而管桩既减小了挤土效应，使应用的设计 断面远远扩大，同时由于采用了预应力，桩身的整体刚 度也比普通预制桩大大提高。
尽管大直径预应力管桩拥有上述种种优点，然而时 至今日，该桩型的应用仍局限在浙江、湖南等局部地
αα1 fc A-σp0 Ap -αf′py Ap -αt (fpy -σp0 )Ap =0
（1）
M=α1
fc
A(r1
-r2
)
sinπα 2π
+f′py Ap rp
sinπα π
+
(fpy -σp0 )Ap rp
技术人员对其设计方法和施工工艺不甚了解，对其适用 力；α 为受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；
性和安全性存在疑虑。
αt 为受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比
作者简介：陈文海 (1962- )，男，江苏海门人，副教授，从事教学及工程研究工作。
2009 年 01 期(总第 49 期) 125
由于大直径管桩的直径达到 1.2m，间距 1.4m，净 距仅为 0.2m，且桩身质量更易于保证，不会出现钻孔灌 注桩常出现的颈缩、断桩情况，因此该段的止水采用了 管桩间设置旋喷桩的措施（准600），简化了止水措施。
表 1 土层参数表
图 4 支撑与钢围檩连接处的节点处理（立面）
5 预应力管桩在隧道基坑支护中的应用
128 2009 年 01 期(总第 49 期)
3 环形截面抗剪承载力的计算方法
由于管桩并非实心截面，因此管桩与支撑或圈梁连
接部位的抗剪能力较实心桩薄弱。除了采用相应的构造
措施外 （见下文），其斜截面承载力 V 的计算公式可按
矩形截面的相应公式推得。
对于矩形截面，有[6]
V≤Vcs+Vp
（8）
Vcs =0.7ft bh0 +1.25fyv
Asv s
sinπαt π
（2）
αt =1-1.5α
（3）
式中，A 为环形截面面积；Ap 为沿周长均匀配置的纵向
预应力钢筋的截面面积；r1 、r2 为环形截面的内外半径；
区，并且主要用于桥梁桩基础或海堤结构[4~5]，在基坑支 护方面则基本上是个空白。究其原因，主要是因为工程
rp 为纵向预应力钢筋重心所在圆周的半径；σp0 为预应力 钢筋合力点处混凝土法向应力为零时的预应力钢筋应
大直径预应力管桩在深基坑支护 工程中的应用研究
1
2
3
陈文海 ，郭 彤 ，佟 娜
（1.江苏广播电视大学，江苏 南京 210017；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096；
3.辽宁省人防建筑设计研究院，辽宁 沈阳 110032）
摘 要：文章分析了大直径预应力管桩在深基坑支护工程中的适用性和优越性。根据该桩型的受力特点，给出了
Ap0 为纵筋数量基数，单位 αsc 或 αst 时的配筋量。
采用先张式；若管桩需要接长，可采用后张式。两种管 桩的沉桩工序相似，下面主要介绍后张式管桩的施工工 序，主要包括：沉桩、桩身连接和预应力钢筋张拉等。
视不同的土质情况，管桩的沉桩工艺可选择振动、 锤击、钻孔或几种方法的组合。振动法或锤击法适合在 淤泥质粘土等较软土层中施工，钻孔法适用于粉质粘 土、砂性土等较硬的土层。图 1、图 2 给出了一种新的 支护形式，即在深层搅拌桩施工之后 （初凝前），利用 吊机将管桩拎起，靠管桩的自重使其插入到深搅桩内， 形成管桩-深搅桩复合挡墙 （类似于 SMW 工法，但其承 载力大大提高），使支护挡土合二为一，管桩内的水泥 土在有侧限的状态下强度可以得到进一步提高 （无侧限 水泥土抗压强度一般在 1～4MPa），经试验发现带有水泥 土的管桩的抗弯承载力可与同直径的 C30 灌注桩相接近 （相差仅 3%）。以在上海地区完成的先张法预应力管桩 试桩为例 （20m 长、管径 800、壁厚 110mm），管桩在 深搅桩中的沉桩过程仅为 1～3min，考虑到搅拌桩施工 以及桩基就位等工序的时间，一天成桩的数量可达 10 根以上，而相同条件的钻孔桩每天仅可成桩 1～2 根。该 工法已在南京市内环北线西段纬三路隧道支护工程中推 广使用。
[2] 朱向荣，叶俊能，姜贤放，等.沉管灌注筒桩的承载特性浅析[J].岩 土工程学报，2003（5）：538-542.
[3] Poulos H G，Davis E H. Pile Foundation Analysis and Design [M]. New York :J ohn Wiley &Sons，1980.
fc
A(r1
+r2
)
sinπα 2π
+f′py Ap rp
sinπαsc π
+
(fpy -σp0 )Ap rp
sinπαst π
（5）
αsc=0.6α-0.114
（6）
αst =0.84-1.75α
（7）
式中，αst Ap0 为受压钢筋总量，配置在 2αscπ 对应的圆弧
上；αst Ap0 为受压钢筋总量，配置在 2αst π 对应的圆弧上；
桥隧工程
值，大于 2/3 时取 0；联立公式1～3，即可求得预应力钢
筋的配筋量。
2.2 环形截面的非对称配筋公式
由式（1）～（3）沿周长均匀配置纵筋，如此可抵抗压
力及来自不同方向的弯矩，但如支护桩只承受定向的水
平力和弯矩，在弯矩设计值较大的情况下，采用均匀配
筋往往导致很高的配筋率，或需要更大的桩径，而且受
为了推动预应力管桩在深基坑支护工程中的应用，
注：地下水位于地表以下 1.0m。地表附加荷载 q1＝30kPa，宽度 15m， 距基坑边 0m；施工堆载 q2＝20kPa。
本工程的上部土层较软，而下部由于存在硬塑状态 的亚粘土，沉桩难度较大，因此采用了锤击结合引孔的 方法，即桩尖 （桩节） 就位后，采用筒式柴油锤 （质量 3500kg） 进行送桩，遇到较硬土层，利用旋挖机钻孔 （准800） 取土，之后再利用锤击进行沉桩。由于桩尖采 用的是环形开口截面，且引孔直径小于桩径，因此随着 沉桩的进行，桩端的土会不断地被切削下来进入桩内。
艺目前尚未达到完善，但是该桩型的合理性和优点确是 显而易见的，不仅桩身质量易于控制，施工方便快捷， 环境污染小，刚度大，承载力高，在一定情况下，还可 以做到挡土-止水合二为一，具有传统钻孔灌注桩所没 有的多种优点，因此非常值得在今后的基坑工程中进行 探讨和推广。
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出版社，2002.
优点，因此近年来开始受到工程技术人员的关注。此 的受弯承载力配筋计算，可根据文献[6]中的偏心受压承
外，与预制类、沉管类的实心桩相比，管桩的挤土效应 很小，从而可以设计出较大的桩径。预制类、沉管类的
载力公式，并将式中左端的 N、Nη·ei 分别换为 0 和 M， 并将“≤”取为“=”，即可得到预应力管桩均匀配筋的
法向预应力等于零时的钢筋合力，按文献[6]计算；fyv 、
Asv 、s 分别是箍筋抗拉强度设计值、截面积和环矩。
4 支护桩的施工工艺
根据预应力钢筋张拉时间的前后，支护体系中的管 桩可分为先张式和后张式。对于不需要接长的管桩，宜
图 1 管桩-深搅桩复合挡墙
图 2 复合挡墙的现场施工
对于后张法管桩，其桩节的连接性能将直接影响到 整桩的承载力。对于桩身混凝土可采用环氧砂浆进行粘 结，而预应力钢筋接头可采用螺旋直纹套筒，如必要， 也可以在管桩连接处焊加强钢环。