钢管混凝土管桩在工程中的应用

毛永平 季永光

（建华建材科技（广东）有限公司）

0 引言

钢管混凝土管桩（以下简称SC 管桩）是采用牌号为Q235B、Q355B 或Q500B 的钢板（钢带）经卷曲成型焊接制成的钢管内浇注混凝土，经离心成型，混凝土抗压强度不低于80MPa，具有承受较大竖向荷载和水平荷载的新型基桩制品。钢材拉压强度高、弹塑性好、但易失稳屈曲，而混凝土抗压强度高、抗拉能力弱。离心钢管混凝土充分发挥二者的优点，钢管借助内壁混凝土增强其稳定性，混凝土借助钢管的环向约束作用，处于三向应力状态，抗压强度大幅度提高。这种新型的管桩充分利用钢材和混凝土两种材料的特性，其抗锤击能力比PHC 管桩好，又能穿透较厚的较硬土层，而桩材的生产成本又较钢管桩（SP 桩）或钢管混凝土灌注桩（SCP 桩）节省，不但有钢管桩的韧性和较高的抗拉强度，还具有PHC 管桩强度高、价格合理的优点，技术经济效益显著。

国内相关的标准有：《水运工程预制高强混凝土薄壁钢管桩设计与施工规程》JTS167-15-2019，电力行业标准《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》DL/T 5030-1996；宝山钢铁股份有限公司编制的企业标准Q/BGJ019-2005《TSC 管桩（薄壁钢管离心混凝土管桩）产品质量验收规程》和Q/BGJ020-2005《TSC 管桩（薄壁钢管离心混凝土管桩）施工与质量验收规程》；行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272。SC 管桩在国内主要用于码头或海洋平台高桩承台建设时使用800～1200mm的大直径SC 管桩，而小直径的SC 管桩在上海宝钢和天钢高炉建设中应用。针对SC 管桩的钢管与混凝土的粘结强度、抗弯及抗剪的理论计算实验验证、抗震性能等研究很少。

日本为地震频发的国家，SC 管桩是一个成熟产品，用量在预制桩基础中占比为5%左右，而且桩基设计一般采用组合桩的形式，从下到上一般采用PHC、PRC 及SC 管桩的组合形式，与承台连接的桩采用SC 管桩。SC管桩直径从400mm 至1200mm 均有应用。同时在日本，对于SC 管桩根据采用的混凝土强度不同，分为80MPa 和105MPa 两种类型。

图1 钢管混凝土管桩（SC 管桩）

1 既有成果

同济大学的吕西林院士、宝钢的王怀忠博士等基于宝钢的四号连铸机、三热轧、五冷轧等项目的建设，对9组400mm 和600mm 的SC 管桩进行粘结、抗弯实验和1:3 短柱实验，同时对12 组已施工的桩基进行抗压、抗拔静力实验，实验表明：①钢管与混凝土间的粘结强度约为3.44MPa；②弹性抗弯弯矩为行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272 中规定的极限弯矩值的1.1 倍，抗弯能力被严重低估；③短柱抗压实验值为设计值的1.5 倍；④抗压、抗拔静力实验值满足设计要求。可替代原设计的400 直径的钢管混凝土灌注桩，经济优势明显。

合肥工业大学的周安教授等对20 组400 直径的SC 管桩进行钢管与混凝土的粘结、抗弯实验、抗剪实验、填芯和不填芯构件抗震实验及有限元模拟。实验结果表明：①粘结实验中破坏状态为混凝土压碎，钢管与混凝土间的粘结强度约为4MPa，大于钢筋混凝土中钢筋与混凝土的粘结强度3.0～3.5MPa，在压弯或轴压状态下，钢管和混凝土间不会产生滑移。依据文献《宝钢工程长桩理论与实践》，管桩打入施工时钢管与混凝土之间产生的最大剪应力在0.04～0.05MPa 范围，该值远小于界面抗剪强度试验结果，因此SC 管桩的锤击沉桩施工不会导致钢管与混凝土发生界面粘结失效；②抗弯实验时其挠跨比小于1/250，极限抗弯实验值远大于行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272 中规定的极限弯矩值，实验值与理论值之比大于1.48，行业标准中的极限弯矩制定过于保守，与实际不相符。破坏形式为变形不收敛，钢管未出现拉裂现象。③抗剪实验值的极限值远超理论计算值3 倍以上，破坏形式为局部压碎。④抗震实验中，随着位移分级加载的增大，钢管根部拉压屈服，并产生塑性残余变形，这种残余变形在反向加载时不能恢复，导致屈曲变形，由于内部混凝土的支撑作用，屈曲表现为外凸变形，随着反复交替拉压变形，首先螺旋焊缝撕裂，内部混凝土破碎成颗粒状溢出，桩的抗弯承载力开始明显下降，最后钢管横向疲劳断裂，抗弯承载力突降，达到承载力极限。⑤填芯对于抗震性能几乎无影响。位移延性系数为4.2～4.6，极限变形是常规等径管桩的3 倍以上。极限承载力是常规等径管桩的3 倍以上。

实验及应用案例表明，SC 管桩具有卓越的抗压、抗弯、抗震能力，桩身强度高，同时具有良好的抗锤击能力和抗变形能力。在广东省内普遍存在的岩溶地区、上软下硬、坚硬中微风化夹层、表层土含抛石等复杂地质环境下可选用，超高层建筑的桩基工程，以及在常规PHC和PRC 难以满足的深基坑支护工程，给设计提供更多的选择。

SC 管桩可单独使用，可与其它如PHC 和PRC 等组合使用，等径或不等径的组合桩连接大样如图2、图3所示，同时也可在更大直径的搅拌桩内插入SC 管桩形成劲性复合桩，使用环境有如下情况：①表层土含抛石时，可使用SC 管桩作为最底节使用，穿透表层土后，再连接其它相对性价比更高的预制桩形成组合桩，SC 管桩和其它桩可等径或不等径，充分利用其抗锤击能力强和穿透能力强的特点；②存在上软下硬、坚硬中微风化夹层时，可全长使用SC 管桩；③岩溶地区存在烂桩率高的问题，部分项目采用SC+PHC 组合使用，可有效控制成桩，承载力可保证；④水泥土搅拌桩内插入SC 管桩或预钻孔后植入SC 管桩，可充分利用更大直径搅拌桩提供的外侧摩阻力，发挥SC 管桩桩身强度，提高单桩承载力，减少桩数或减少SC 管桩直径，在超高层建筑中有利于桩基的布置。

图2 等径SC 和PHC 焊接接桩

图3 不等径SC 和PHC 焊接接桩

用于中、强腐蚀环境下的SC 管桩的钢管应进行防腐处理，根据陆上工程、海港和河港工程的不同使用条件，采取下列防腐措施：①增加钢管壁厚预留腐蚀余量；②防护层保护，即外壁采用热喷涂锌（铝）加环氧沥青油漆封闭，或加覆多层防腐涂层；③水下采用阴极保护如外加电流或牺牲阳极。④选用耐腐蚀钢种。

2 工程应用

佛山市某养殖厂房项目，建筑场地位于广东省佛山市三水区。地处珠江三角洲平原腹地，地貌形态单一。场地地形起伏变化不大，16.6 ～16.7m，最大高差约0.10m。建筑场地所处区域地层为下石碳系（C）灰岩，场地未发现全新世活动证据。根据钻探揭露，场区内未发现有断裂迹象。根据本次岩土工程勘察工作，未发现新的构造断裂通过。主要土层分布：①素填土：灰褐色，由粘性土，砂土等，近几年堆积，湿，松散，平均值4.38m。②粉质粘土：灰，可塑～硬塑，含中粗砂，干强度中等，韧性中等，平均值3.70m。③粉质粘土：灰，软塑～可塑，含粉细砂，干强度中等，韧性中等。平均值6.12m。④微风化灰岩：灰，白，较完整，隐晶质结构，块状构造，呈柱状，岩质坚硬。平均值4.17m。

地质剖面图如图4 所示，因岩层为微风化岩层，属于典型的上软下硬土层，管桩难以贯入，桩端放置于岩面。本工程初步设计时，管桩选型为PHC500125AB，单桩承载力特征值取值为1600kN，单桩长度14～20m。因管桩无法嵌入微风化层，端阻的取值很低，基本以端承摩擦桩进行设计，故单桩取值很低。静压管桩至岩面，由于岩面的起伏不定，桩长难以预估，加压施工使桩端至岩面时，桩头容易出现倾斜而爆裂，导致断桩，特别是存在的接桩时的底节桩出现爆头的几率非常高。初期施工时，断桩率高达10%，后经设计优化调整：①降低单桩承载力，单桩承载力特征值改为1400kN；②单节桩的桩头部分加强；③两节桩的底节采用SC 桩。调整设计方案后，断桩率降至0.1%。顺利完成桩基施工。

表1 土层物理力学参数

图4 地质剖面图

图5 SC+PHC 组合桩

3 结论

通过钢管混凝土管桩的构造及国内外的试验研究进展进行简要介绍，结合工程应用进行验证，得出以下结论：

⑴SC 管桩的钢管与混凝土之间具有良好的粘结性能，施工阶段和使用阶段的钢管与混凝土不会发生界面粘结失效；

⑵相对于管桩，SC 管桩的抗压性能、抗弯性能和抗震性能卓越。同时具有良好的抗锤击能力和抗变形能力；

⑶管桩在特殊地质如上软下硬和岩溶地区等应用时，桩端遇到坚硬岩层或者桩端遇到斜岩倾斜时出现破损，可采用SC 管桩和PHC 管桩组合桩。岩溶发育充分时宜降低单桩承载力。