摘要:笔者结合了自己多年的工程实践经验,对预应力管桩在设计中应注意的问题和施工技术进行了探讨和分析。
关键词:预应力管桩 施工技术 问题分析
预应力管桩具有桩身强度高、沉桩能力强、施工周期短、成本低等优点,具有良好的经济效益和工程应用前景,以成为基础设计的重要桩型。近年来在我国已经得到了广泛使用。
一、设计中的问题分析
a.勘察设计中的问题
(1)由于现场钻孔取样的不确定性或人为误差,地质勘察报告提供的岩土参数(侧摩阻力、桩间土容许承载力等)可能不准确,若报告中提供的岩土参数过高.据此进行桩基础设计,有可能造成单桩承载力不足。若提供的岩土参数过低,试桩所得数据又较高,使确定合理的单桩承载力存在问题。所以在勘察设计时,应根据试桩数据对各土层的可疑参数进行进一步研究和实测 。
(2)预应力管桩优点是桩身强度较高,设计时应在桩身强度允许的范围之内,使土的强度充分发挥。一般选择较硬土层作为桩端持力层。由于勘察手段不合理或取样间距过大,对持力层的起伏未查清,因此虽然设计要求采取双控,但施工时却很难把握,往往控制设计深度到了,而锤击贯入度或油压值达不到;或锤击贯入度或油压值达到了,而设计深度不到。为此,勘察应提供一定精度的桩端持力层的等深线图。
b.抗压设计时的问题
(1)持力层的选择问题
预应力管桩同其他桩型一样,也有其一定的适用范围。首先应该明确的是管桩不可能打入中风化岩和微风化岩层,管桩桩端持力层应选择为强风化岩层、坚硬的粘土层或密实的砂层。管桩的应用受到地质条件的较大限制,主要表现在:①孤石和障碍物多的地层及有坚硬夹层却不能作为持力层时不宜使用或慎用,否则桩身容易破裂,导致废桩太多;②在基岩面不规律且起伏不平的地区,会导致桩尖受力不均匀,宜慎用预应力管桩。
(2)预应力管桩桩型的选择问题
若持力层埋深较深.管桩以侧阻力为主。属摩擦桩或端承摩擦桩.一般选用PTC桩.长径比不宜大于80。当持力层埋深较浅,端承载力较大时。相应要求桩身强度较大,管桩宜采用 PHC桩或PC桩.以避免沉桩时最后将桩打碎,此时若中间层松软.则管桩的受力状态类似于柱,其长径比控制应更为严格,最佳长径比区问以30～6O为宜;由于有效预压应力的建立,打桩时桩身混凝土一般不会出现横向裂缝,设计人员在选用管桩桩型时,对于一般的建筑工程,当桩承受的水平力较小采用 A类即可,无需人为过分拔高。
(3)终止压桩的问题
压桩时,以压桩力和桩长双控指标,将会过高估计土的动强度,具有过高的安全度,造成浪费。压桩力达到设计值时,但桩长尚未达到设计预定值时,可以停止压桩。同时,当含水量大于35%,孔隙比大于0.9,大于2mm的粗颗粒含量小于10%,这时孔隙水压力来不及消散,导致桩阻力减小,此时应考虑按桩长控制。
(4)挤土效应问题
预应力管桩属于挤土类型,往往由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动,改变了土体的应力状态,产生挤土效应;桩机施工过程中焊接时间过长;桩的接头较多而且焊接质量不好或桩端停歇在硬夹层;施工方法与施工顺序不当,每天成桩数量太多、压桩速率太快、布桩过多过密,会加剧挤土效应。
(5)单桩承载力问题
管桩的竖向承载力按现行规范公式计算普遍偏低,根据南京大学仙林校区的使用经验,基本承载力比按现行规范提供的设计参数计算要提高 10 /20%左右。特别是对于一些桩端进入强风化岩的情况下,有时计算值要比现在实际应用值小 1/2左右。单桩承载力设计值定得很低,会造成很大浪费。
二、预应力管桩的施工
预应力混凝土管桩的施工方法主要有锤击法、静压法等。选择何种施工方法要根据场地条件(周边环境、场地大小、地质情况)来决定。
a.锤击法施工
1.桩锤的选择
桩锤的选择是一个复杂的问题,需要综合考虑各方面的因素,主要应满足下列要求:①能保证桩的承载力满足设计要求:②能顺利或基本顺利地将桩下沉到设计深度;③打桩的破损率能控制在1%左右,最多不超过3%;④满足设计要求的最后贯入度,贯入度宜控制在 2a0～40mm/l0击;⑤每根桩的总锤击数宜在1500击以内.最多不超过2500击 。
2.桩帽、桩垫的选择
合理选择桩帽、桩垫是一个不可忽视的重要环节:套在桩头上的桩帽筒,其内径以大于桩径 2~4cm为宜,深度也不宜太深或太浅,以30～40cm为宜。锤与桩帽间的垫层宜采用竖向硬木或钢丝绳填满。厚度为 15～20em;桩帽与桩顶间的垫层宜采用麻袋、纸垫和木夹板等衬垫材料 经锤击压缩后的厚度宣为 120～150mm,同时应经常检查并及时更换。这对防止桩头被击碎及增强贯入能力都有好处。
3.关于收锤标准的确定
单桩承载力一经确定,如何确定收锤标准,则是使管桩承载力达到设计要求的关键。管桩施打的收锤标准一般包括桩入土深度、桩尖进入持力层深度、贯入度、总锤击数、最后lm锤击数等。最后1m锤击数是保证管桩在持力层的嵌固。而最后三阵贯入度则是保证管桩承载力的定量控制。确定收锤标准时不应硬性规定桩一定要进入强风化岩.或一定要达到一定的深度、贯入度 满足一定的锤击数等.而应视地质情况和现场施打的实际情况确定。能满足设计要求的单桩承载力即可。
b.静压法施工
1.机械选择
必须根据工程的地质资料和设计的单桩承载力要求.合理选择压桩机。如果压桩机吨位过小.可能出现桩压不下去的情况:反之如果压桩机吨位过大,对施工场地的要求将提高.特别在新填、耕植土及积水浸泡过的场地施工时容易发生陷机.造成桩位偏移大.桩身垂直度难以控制。压桩机的选型一般按 1.2 1.5倍管桩极限承载力取值。
2.施工流程
①测量放线定桩位;②桩机就位调平;③将管桩吊入压桩机夹持腔;④夹持好管桩对准桩位调直底桩;⑤静压沉桩到底桩露出地面 2.5 3.0m时,吊入上节桩与底桩对齐,夹持上节桩。将底桩压到露出地面 60～80em,调节上节桩与底桩对中;⑥电焊焊接接头;⑦再静压沉桩再接驳,直到需要深度,或达到设计要求压力值,然后重复放松,下压 3次以消除回弹;⑧将高出设计标高的桩头截去;⑨最后桩机就位调平。
3.终压值的控制
终压值 由设计确定,一般摩擦桩以桩长为控制条件:①大于21m的端承摩擦桩以桩长为主,终压对照;②对于 14～21m长的桩,以密实砂土为持力层时,应以终压力达满载值 (1.8～2倍的设计荷载)为控制条件,稳压不少于 3次,每次1min,开挖后采用截桩处理;当压力值未能达到设计要求,但桩顶标高已达到设计标高,宜继续送桩(1m范围内),直至压力值达到设计要求:③对于长度小于 14m的桩,以粘土为持力层时,应以终压力为终压控制条件:宜连续多次复压。特别是对桩长小于 8m短桩.连续复压的次数应适当增加。
4.复压
静压桩的复压是指在沉桩达到预定的压桩力后松开夹持,然后重新加力再压的操作,即所谓“跑机”。可以复压 1次或若干次,并可在预定的压桩力作用下稳压一段时间。复压是静压桩特有的技术,也是静压桩的优势之一。静压桩施工时,一般都是用最终压桩力连续复压 2 3次,经过复压的桩在静载试验时沉降显著减小、承载力增大。
三、施工控制要点
a.控制布桩密度和沉桩速率
合理布置桩位,桩与桩的中心距不小于3倍桩径,对桩距较密部分的管桩可采用预钻孔沉桩方法,孔径约比桩径小 50～l00mm,深度宜为桩长的 1/3～1/2,施工时应随钻随打:或采用间隔跳打法,但在施工过程中严禁形成封闭桩;对沉桩速率一般控制在 1m/min左右;并制定有效的沉桩流水路线,并根据桩的入土深度,宜先长后短、宜先高后低,若桩较密集,且距建筑物较远,场地开阔时,宜从中间向四周进行;若桩较密集,场地狭长 ,两端距建筑物较远时,宜从中间向两端进行;若桩较密集,且一侧靠近建筑物时,宜从相邻建筑物的一侧开始,由近向远进行 ; 桩数多于 30根的群桩基础,应从中心位置向外施打;承台边缘的桩,待承台内其他桩打完并重新测定桩位后,再插桩施打;有围护结构的深基坑中的静压管桩,宜先压桩后再做基坑的围护结构。
b.确保桩身垂直
桩身保持垂直,可减少打桩时因偏心受力而使桩身破坏的机会。成桩后的垂直度也能得到保证。在软土地基上施工要保证桩身垂直.首先要对较软的场地进行认真的平整压实,静压桩桩机(桩机及配重达 500t以上)对施工场地要求较高,为避免在施打过程中因震动而使桩架下陷产生不均匀沉降,使得桩机导杆不垂直,第一节桩即底柱一定要插直,不然后面接上去的桩节就更斜,所以广东地区规定插入地面的垂直度偏差,不得超过桩长的0.5%,桩帽、桩身及送桩杆应在同一直线上,沉桩时宜设置经纬仪在两个方向上进行校准。当遇到障碍物时应及时排除后再进行沉桩。
c.桩端防水措施
为防止桩端泥岩或页岩遇水软化 (水沿桩身落至桩尖),可采用以下措施:①桩端与桩尖严格采用全缝焊,焊缝保证一定强度和厚度。并不留缝隙:②在桩中间空心处灌入一定量的 C25混凝土。待其固结后在桩端形成约 1.0m高的混凝土柱,成桩后可隔绝管中的水流进桩底而渗入持力层。
d.焊接要求
焊接铁件必须保持清洁,由2个电焊工在对称方向同时施焊,上下节桩的中心线偏差不得大于 lOmm,节点弯曲点高不得大于1%桩长:焊接层数不得小于 3层,内层焊渣必须清理干净后方能焊外层.焊缝应饱满连续。每道焊接接头必须超前引弧以免产生缺陷。根部必须焊透。焊接部分不得有凹痕、咬边、夹渣、裂缝等有害缺陷。表面加强焊缝堆高宜≤lmm,焊接后应进行外观检查,发现有缺陷应返工修整,同一道焊缝返修次数不得超过 2次。焊完后须冷却 l0min,待焊缝冷却至常温后再继续沉桩 (严禁用水冷却或焊好即压)。防止高温的焊缝遇水变脆而被压坏。
e.沉桩过程应连续跟进并控制施工过程中停歇时间
无论采用锤击还是静压沉桩都应尽量避免中途停歇。因为中途停歇会造成摩阻力增大,在预应力管桩的沉桩过程中。桩周围的土体发生急速而激烈的挤压。土中孔隙水压力急剧上升,土的抗剪强度大大降低。这时桩身很容易下沉,随着时问的推移,桩周土体中的孔隙水压力就逐渐消散。
四 结 语:
桩基施工完成后宜进行必要的检测验收,在停歇期后再进行基坑开挖以及凿桩施工,基坑开挖应分层均匀进行,必须加强围护措施,防止土体对桩的侧压力在桩身上产生附加弯矩,以确保桩基工程的桩身结构的完整性,直接关系到桩基成功的关键。预应力管桩作为一种相对成熟的工程产品,在国内的诸多工程中已得到了广泛的应用。随着工程技术人员施工经验的累积,预应力管桩将在未来的工程应用中扮演更为重要的角色。