1、预应力混凝土管桩的特点
预应力混凝土管桩使用离心法生产的混凝土管桩，分为预应力高强混凝土管桩（代号为PHC）、预应力混凝土管桩（代号为PC）及预应力混凝土薄壁管桩（代号为PTC）等三种类别，采用的混凝土等级：PHC桩为C80，PC桩及PTC桩为C60。
预应力管桩具有显著的优越性，主要有以下几点：
①桩身强度高，单桩竖向承载力大；
②外径规格多，并可接桩成不同长度，适用于各种建筑；
③工厂化生产，成桩质量可靠，施工速度快；
④该桩为空心管型，混凝土用量小，又采用高强度钢筋，含钢量低，具有良好的经济性。
然而，此管桩也存在一些缺点，主要是其抗弯能力较实心桩差，由于管桩为高强混凝土，易发生脆性开裂，其空心截面的抗弯刚度较实心桩要小，故在水平荷载下易发生挠曲。
由于预应力管桩抗侧力较弱的受力特点，工程中出现管桩倾斜和断裂的事故与预制混凝土方桩和混凝土灌注桩相比要多得多。下面介绍舟山某实例工程出现的预应力混凝土管桩质量事故，来说明该管桩在实际应用中应注意的问题。
2、工程概况和质量事故
该工程为位于舟山市临城新区的某一住宅工程，项目占地面积约2.1万m2（图1）。本工程包括7幢住宅楼及一个连体地下车库，其中地下室建筑面积约1.1万m2，地上建筑面积约5万m2，工程桩除7#楼西单元采用钻孔灌注桩外，其余均为PC预应力管桩，桩长35～44m，打桩方法为锤击法。承台有单桩承台和多桩（2～6桩）承台等形式。
图1舟山某住宅工程总平面图
本工程建筑桩基安全等级为二级，建筑场地类别为Ⅲ类，地基土层的物理力学性质为如表1。
表1地基土层的物理力学性质
序
号地层
名称含水量
（%）粘聚力
（kPa）内摩
擦角（°）压缩
模量
（Mpa）承载力
特征值
（kPa）预制桩
桩周土
摩擦力
特征值
（kPa）桩端土
承载力
特征值
（kPa）
1-1杂填土
1-2素填土
1-3塘泥
2粉质粘土34.612104.512018
3-1淤泥质
粉质粘土40.4852.88011
3-2淤泥质粘土46.7842.27010
4-1粘土47.6188411022
4-2粘土30.330135.517030
4-3粉质粘土36.317134.512018
5-1粉质粘土29.01611514022
5-2粘土39.32194.514025
6-1砾砂28818030
6-2角砾3314300503000
7-1粘土23.635168240352200
7-2粘土18.345148.5260382500
8-1全风化凝灰岩302212250453000
2.1桩基施工和挖土方案实施
桩基础施工采用锤击打入法施工，施工时采用DD80柴油锤打桩机施工，平均施工能力为4～6根/天·台，4台桩机同时施工，总体上从场地西面向东推进施工。
沉桩施工中除个别桩出现异常或质量问题外，其他均较为顺利，打桩施工未发现桩的垂直度偏差或锤击沉桩异常，施工质量得到相关部门的认可。仅仅个别桩出现未达到标高，或经小应变检测出有裂隙等问题。
土方开挖施工方案：（1）挖土流程。总体上，先开挖基坑东北侧，在按照由北→南、东→西顺序开挖。开挖7#楼由北至南直至3#楼北面后浇带处，在A、B区分界处留设缓坡（1：8），坡面浇筑100mm厚C15混凝土，以防止土体流动而造成桩位偏移。（2）挖土方法。挖土施工投入反铲挖土机6台，运土汽车20辆，配合工人40人。挖土分三大步进行：第一步分层开挖至底板上300mm，第二步向下开挖下翻承台及地梁等，第三步预留土层人工清理。
图2打桩和挖土方向示意和过程记录
2.2施工过程中出现管桩事故
（1）开挖初期（7#楼）
7#楼土方开挖后，因北侧围护桩位移引起土挤压，造成7#楼桩体发生偏位。许多桩偏移量达到300mm，偏移方向比较混乱，偏南偏北皆有，但总体偏基坑西侧。
（2）其他区域开挖以后的情况
其他区域土方开挖后，随即进行了桩位偏位的检查，并在以后数天进行了持续的观察。5#、6#楼的桩情况较好，桩位偏差和偏移值均较少。
3#、4#楼桩体刚暴露出时，其垂直度良好，但随后桩位偏差随时间而发展（每天均有发展），呈大面积偏位、大偏移值的情况。许多桩都达到1200mm的偏位，偏位桩主要集中分布在靠地下室北侧的区域内，3#楼处更为严重，桩身偏移方向明显朝向北侧，参图2、3。
图24#楼开挖后倾斜桩体的照片图33#楼开挖后倾斜桩体的照片
在这阶段开挖时，东侧的支护结构也发生了较大的位移。（图4）
a）围护桩位移后呈圆弧状b）围护桩设置临时加固支撑
图47#楼东侧围护桩位移
在开挖砌筑承台胎模后，发现大量承台胎模都发生了沉陷和开裂，甚至发生坍塌。（图5）
图5大量承台胎模发生沉陷、开裂和坍塌
2.3桩体质量检查统计
本工程对管桩进行了桩位检测、桩身质量的小应变检测以及承载力检测。
（1）桩位偏差的检测结果
3#楼、4#楼和7#楼工程桩质量问题比较严重，桩位偏移大，桩位偏移最大超过1.6m，III类和IV类桩的数量多，占检测桩数的20%～40%。
7#、4#、3#楼桩位的偏差移统计如表2：
表27#、4#、3#桩的偏差位移统计表
建筑测桩数
（根）偏差桩桩位偏差（mm）
<300300～600600～1000>1000
7#楼灌注桩54数量（根）49500
比例（%）90.79.300
管桩108数量（根）664110
比例（%）61.138.00.90
4#楼
管桩73数量（根）24161914
比例（%）32.921.92619.2
3#楼
管桩59数量（根）1103018
比例（%）1.716.950.830.5
总计
（管桩）292数量（根）138725032
比例（%）47.324.717.110.9
由桩位偏差统计表和分布图可以看出，7#楼桩偏位较为严重，3#、4#楼桩偏位极其严重，其中有24%（32根）偏差超过在1000mm，偏位600mm以上的桩达到51%（81根）之多，而以3#最为严重，偏位600mm以上达81.3%。
7#楼偏位比较明显的桩集中在7#楼中部及靠基坑北侧边缘，桩身偏移方向总体上偏西，但桩偏南偏北皆有。3#、4#楼偏位桩主要分布在靠北侧地下室的区域内，桩身偏移方向明显偏北。
（2）桩身质量的小应变测试结果
本工程对工程桩进行了小应变检测，平均抽检率在70%以上，4#楼、7#楼的抽检率为100%。
检测结果显示，III、IV类桩主要出现在7#楼、3#楼和4#楼，7#楼不合格桩比例为21%，3#楼、4#楼不合格桩比例均在40%左右。
2.4桩的质量问题处理
本工程出现了桩的质量问题，对I类、II类桩按正常设计值使用，对III类、IV类由设计提出了处理方案（纠偏、补强或加桩），并由施工单位实施。
3、本工程管桩的质量事故原因分析
3.1造成管桩倾斜的外因
从本工程施工的全过程看，管桩在制作、运输、堆放过程中均为发现开裂和损伤情况。在打桩施工中也未发生大斜、遇到地下障碍或坚硬土层等情况，打桩施工属于正常状态。
打桩后经过4个月，开始进行土方开挖。两个工序时间间隔较长，土中孔隙水压力能得到较好的释放。
开挖时除7#楼一经开挖便发生桩位偏差，3#、4#楼等管桩在基坑开挖后尚基本垂直，但在开挖后数天内，桩位偏移逐渐增加，最终形成大量管桩的严重偏移，也引起管桩的开裂。
由此可见，造成管桩倾斜直接原因是开挖后土的位移带动管桩侧移。
3.2管桩倾斜或断裂的诱因分析
预应力管桩由于其自身的特点，其抗弯能力较实心桩差，由于管桩为高强混凝土，易发生脆性开裂，其空心截面的抗弯刚度较实心桩要小，故在水平荷载下易发生挠曲。因此，遇有诱发因素，很容易产生侧移或断裂。
以下结合本工程就地质条件、设计和施工的诱发原因进行分析（表3）。
表3管桩倾斜或断裂诱发原因分析
序一般原因本工程情况原因
分析
1地质
条件较厚软土地基因土呈流塑饱和状，强度低、触变性大、渗透性差，沉桩中产生超静孔隙水压力不易消散，形成挤土以及土体受到扰动引起的强度下降和土体流动软土层厚度大，含水量高（40.4%），土的抗剪强度低（c=8kN/m2、φ=5°），渗透系数小（v=3.66E-07，kh=1.10E-07）是
孤石和障碍物多的地层、有坚硬夹层的地层、或有松软-坚硬突变的地层等因沉桩力过大或受力不均而造成桩体倾斜或断裂。本工程无此类地质情况及地下障碍否
勘
察
报
告
意
见对1#～7#楼，建议首选采用Φ600～800mm钻孔灌注桩本工程设计未采用是
对地下车库，建议采用Φ500～600mm钻孔灌注桩本工程设计未采用是
当采用预制桩（建议采用厚壁管桩、锤击法施工）施工时，挤土效应明显，对周边环境、已建构、建筑物基础影响较大，因此施工时应合理安排施工顺序厚壁管桩——采用；锤击法施工——采用；挤土效应明显——是合理施工顺序——采用勘察报告意见正确
2设计
原因桩型选择不当未采用勘察报告建议是
桩的长细比过大本工程设计合适否
桩距过小本工程设计合适否
3沉桩
施工桩就位的偏斜引起桩体偏位未发生否
沉桩施工产生的挤土效应有，但不严重（开挖初管桩并未有明显侧移，但随时间延续偏移逐渐增加）有一定
关系
打桩施工与土方开挖施工的时间间隔太短未发生（7#楼打桩与开挖时间间隔有4个月；3#楼、4#楼与其北侧地下室挖土时间间隔有5个月）否
4土方
开挖开挖分层不当、一次挖土过深最初7#楼开挖过深，以后调整方案后分层尚不足7#楼局部是挖土过深造成，调整方案不够完善
相邻基坑开挖未发生否
基坑支护变形影响7#楼北侧有局部是
4、预应力管桩质量影响因子的数值分析
本文就工程的实际施工状况以及不同坡度、不同开挖深度、不同桩型条件下基坑开挖对桩的影响做了有限元模拟分析，采用岩土专业有限元分析软件MIDASGTSver2.6，分析的结果如下：
a）在本工程的软土条件下，土方开挖引起的土体滑动致使桩破坏，其破坏形式为受弯破坏；
b）挖土时坡度放缓对减小桩身弯矩有很大帮助（模拟分析在坡度为1：8时的桩身最大弯矩仅为坡度为1：2时的55.6%；
c）在本工程的软土条件下，即使放坡较缓（如坡度1：8），桩身弯矩仍然很大，可接近或超过桩的极限承载力；（图8）
d）在本工程的软土条件下，在挖深较小的情况下桩身弯矩仍然较大，如开挖深度为0.5m，其弯矩仍达到52.5kN·m。
e）如将工程中的预应力管桩换为灌注桩则安全性将大大提高。
图6实际不同挖土阶段模拟
图7不同挖土放坡情况对比（左为1：2放坡，右为1：10）
图8实际挖土时的桩身弯矩分布图（左）和桩身变形图（右）
5、结语
本文对一预应力混凝土管桩事故的工程实例，系统地分析了管桩倾斜断裂的原因，得出了管桩在软土地质条件下应用中须注意的设计和施工问题。采用预应力混凝土管桩的工程在施工过程中应对挖土方案进行优化，尽力减少土体的流动性给管桩带来的挤压效应导致其倾斜断裂。另外，在高含水率、高压缩性软土地区，在设计上要慎用预应力混凝土管桩。
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