李颜艳

预应力高强混凝土管桩(简称PHC桩),是在近代高性能混凝土(HPC)和预应力技术的基础上发展起来的混凝土预制构件,它是建设部科技成果重点推广项目。PHC桩是专业工厂里采用先张法预应力和离心成型工艺,经过蒸压养护而制成的一种空心圆筒体的等截面构件,运往施工现场后,通过锤击或静压的方法沉入地下作为建(构)筑物的基础。这是一种新型的基桩,由于它的优良性能,得到了建筑界人士的青睐,在国内外发展迅速,日本、我国港澳地区及东南亚各国使用都很广泛。广泛应用在工业与民用建筑、桥梁、港口码头、水利工程等,在国家建设中发挥了越来越大的作用。

1 PHC桩特点

1)单桩承载力高,单位承载力价格便宜。2)抗弯性能好。3)质量稳定可靠。4)应用范围广。5)施工速度快。6)施工现场文明。

2 PHC管桩处治路基的机理

1)挤土效应现象及解释。沉桩时,靠近桩尖的土体发生极限破坏,形成塑性流动状态,向桩尖以下和桩侧向排开,通常在桩尖处形成4倍～6倍桩径的球状扰动区,土体挤密、开裂、桩尖嵌入,并使桩周土体发生竖向隆起(表层)和水平径向位移(深层)。桩体表面存在桩土间的接触、滑移和摩擦效应。桩土接触面上有较大的剪切作用,使得桩周土体产生相对桩体的竖向位移和变形。

当桩周土体为饱和软土时,将产生相当高的孔隙水压力,从而大幅度的降低了土体中的有效应力,使土体隆起及水平运动,造成挤土效应;当桩周土为砂土时,因为砂土有很强的排水能力,没有超孔隙水压力产生,但沉桩过程中桩体的挤压与振动作用会造成桩周土体应力状态的改变和土体颗粒的重新排列,也会产生一定程度的挤土效应。

桩的入土体积越大,土的密度提高越高,挤土效应的影响范围就越大,一般在桩侧约为3倍～7倍的桩径、在桩尖以下约为2.5倍～5倍的桩径范围内。

2)挤土效应的研究方法。静力压桩的研究方法主要有现场量测研究、理论分析研究和数值模拟等方法。其中现场量测研究开展的最早,人们从实测资料中总结了一些规律,提出相应的经验公式,有些地区性施工技术手册给出了简易的计算方法,如下式:

其中,k1,k2,k3,k′3均为经验系数为桩的截面面积,m2,R为计算点与桩中心的距离,m;ΔH和ΔV分别为计算点的水平位移和隆起量,m。

模型桩试验也是静压桩研究的一种重要手段,以下介绍一种这样的试验。

试验用模型试验槽平面尺寸为2.0 m×2.7 m,深2.4 m,一面装有机玻璃,可以做半模试验,观察土体在沉桩过程中的位移。试验用砂为普通中砂,最大和最小干密度分别为1.812 g/cm3和1.413 g/cm3。模型桩为半圆形,直径 8 cm,长220 cm,用静压方式沉入土中80 cm(10倍桩径)。模型桩与试验槽的距离与桩径比值达到70,试验槽壁对桩土系统的边界约束很微弱,可将本沉桩试验看作轴对称问题,填砂方式采用称重后均匀抛撒,并在填至不同深度时实测填砂的密度与含水量,校核所控制的填砂相对密度。最终的相对密度为40%左右。位移观测点在桩体一个侧面及桩尖以下区域水平均匀布置,通过观测土体的位移可以求得各处土体的密度。试验结果是,松砂中静压沉桩的径向位移影响区域在40 cm(5倍桩径)左右,桩尖以下位移影响区域为4倍～5倍桩径。桩侧以径向位移为主,桩尖以下土体径向位移迅速减小,竖向位移显著增加。受沉桩影响的桩周土分区示意图见图1。

实际工程中,受沉桩影响的周围土体范围没有以上松砂试验的那么大。

在理论研究方面,提出的方法有圆孔扩张法、应力路径法、有限单元法等。Lambe和Horn在应力路径方法的基础上,提出了压桩之后桩周附近土体的隆起和随后土体的固结沉降的估算方法。虽然按这个方法计算的结果比实测的结果要大一些,但该估算方法仍是值得应用于实际工程计算的。Sagaseta应用球形孔扩张理论得出了地表水平位移和垂直隆起的计算公式。

3)沉桩过程中的孔隙水压力。国外Milligan等人研究了沉桩过程中的孔隙水压力,结果显示:超孔隙水压力等于甚至大于附加应力。然而,产生的超孔隙水压力随着离桩距离的增加而急剧下降,即孔压消散的非常快。另外,土的灵敏度对孔压大小有显著的影响,灵敏度高的土中的孔隙水压力值也高。

4)压桩过程中产生的土体位移。当桩挤开周围土体时,土体中的总应力在增加;同时,桩周土体由于剪切和重塑,有效应力在增大或减小(依赖于剪切时土体趋于膨胀或收缩)。正常固结黏土不排水剪切时趋于收缩,故其有效应力减小,根据有效应力原理可知,超孔隙水压力等于总应力与有效应力之差,因此,正常固结黏土中孔隙水压在增加。沉桩完成后,孔隙水压力将从较高的孔压区向较低的孔压力区消散,这将使桩周土体产生固结。所以,静力压桩问题也是一个固结问题。

挤土效应现象,使土体产生隆起和水平向的挤压,引起相邻建筑物和市政设施的不均匀变形以致损坏;挤土效应引起的环境影响以混凝土预制方桩和闭口钢桩为最,开口钢桩和开口混凝土管桩次之。

挤土效应不仅影响环境,也影响到桩基础本身,静压桩施工中常出现的两个问题都与挤土效应有关。一个是桩体上浮问题,不少静压桩,特别是 PHC管桩,因为上浮“悬空”起来,复压时出现了非常大的沉降,很多桩的承载力达不到设计要求,存在着严重的质量隐患;另一个是静压桩的“桩塞”问题,在渗透性很低的软土(淤泥、淤泥质黏土)地基中压桩,会产生很高的孔隙水压力,若不能很快消散,会造成沉桩困难,甚至损坏桩身,也就是通常所说的“桩塞”现象。同时由于有效应力降低,土体会发生隆起和侧向位移,使桩体产生上抬和水平挤动。

3 PHC桩沉桩施工

3.1 施工工艺流程

1)施工顺序。沉桩施工顺序一般宜采用先长桩后短桩,先大径后小径的原则,自中间分两边对称前进,或自中间向四周进行。2)测放桩位。测放的桩位经测量监理复测无误后方可进行沉桩,并且每天施工前要检查即将施打的桩位与邻桩之间的尺寸是否正确。为便于控制送桩高度设一定数量的水准点。3)桩机就位。检查桩机,确保设备正常运转后移动设备就位、对中、调直。4)插桩。先用吊车取桩,起吊前在桩身上画出以米为单位的长度标记并将开口桩尖焊接到底桩上(短桩无桩尖),起吊支点宜在桩端(无桩尖)0.3L处;将桩吊起后,缓缓地将桩一端送入桩帽中,就位准确后,再用两台经纬仪(轴线互相垂直)双向调整桩的垂直度,通过桩机导架的旋转、滑动及停留进行调整;插入时的垂直度偏差不得超过0.5%,确保位置及垂直度符合要求后先利用桩锤的自重将桩压入土中。5)锤击沉桩。因地层较软,初打时可能下沉量较大,宜低锤轻打,随着沉桩加深,沉速减慢,起锤高度可渐增。在整个打桩过程中,要使桩锤、桩帽、桩身尽量保持在同一轴线上。必要时应将桩锤及桩架导杆方向按桩身方向调整。6)接桩施工。接桩采用端板式焊接接头。当下节桩的桩头距地面0.6 m～0.8 m左右时,开始进行接桩。先将焊接面清刷干净,再在下节桩头上安装导向箍引导就位,当PHC桩对好后,对称点焊4点～6点加以固定,然后拆除导向箍。由两名电焊工手工对称施焊,焊接层数应不小于两层,内层焊渣必须清理干净后再焊下一层,要保证焊缝饱满连续。焊条采用J422焊条,焊条直径为4.0 mm,3.2 mm。焊接具体操作与要求按FGJ 94-94中的有关条款之规定执行。焊好的桩接头应自然冷却3 min～8 min后方可锤击沉桩。7)在沉桩过程中碰到异常情况应暂停打桩,查明原因后再按处理方案施工。

3.2 成果记录整理

打桩过程中应详细记录各种作业时间,每打入0.5 m～1 m的锤击数、桩位置的偏斜、最后10击的平均贯入度和最后1 m的锤击数等。按规范要求整理成表并进行质量评价,必要时进行静载与动载试验。

3.3 PHC管桩与基础底板连接技术

为有效防止基础上浮并保证基础和桩基的整体协同工作,PHC桩必须伸入基础不少于10 cm,同时在基础钢筋绑扎前,将PHC桩顶部的60 cm高度内中空部分灌入混凝土,采用强度不低于C40的混凝土,并微掺UEA膨胀剂(掺量10%),同时沿孔周边设置锚筋。锚筋伸入基础底板内,与底板混凝土刚接。

4 结语

1)PHC桩强度高,抗弯性能好,具有卓绝的贯入性能,施工速度快,工期短。2)PHC桩由于采用预应力螺旋筋,抗裂性好,因此成桩质量可靠,不易损坏,实际施工中,无一根桩破裂报废,这是其他预制桩所不具有的特点。3)施工现场文明,特别适合工期短、城市环境条件下的桩基施工。4)“重锤低打”能有效降低锤击应力。桩锤对桩头的锤击速度越快,在桩身上产生的应力波强度也越高,即打桩应力与锤击速度成正比,所以为降低锤击应力并保持较好的贯入度,采用了较重的桩锤和较低的速度施打,效果良好。5)选择合理的打桩施工顺序,能减小桩的侧向位移,对周围建筑物不会有大的影响。应根据基础形状和长应先里后外,先深后浅,由中心逐渐往外侧对称施工。

[1]刘松玉.公路地基处理[M].南京:东南大学出版社,2001.

[2]地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.

[3]雷华阳.复合地基应用进展和发展趋势[J].岩土工程技术,2005(5):260-264.

[4]叶书麟,叶观宝.地基处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5]朱红兵.预应力管桩竖向承载力的研究[D].杭州:浙江大学,2001.