预应力混凝土管桩在桥梁桩基施工中的应用研究_施协东.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言随着公路桥梁建设环境的日渐复杂，桥梁基础结构作为桥梁工程的重要组成内容，对其后续运营具有重要意义。预应力混凝土管桩作为桥梁桩基施工中的常见管桩类型，将其应用在桥梁工程中，能够有效提高桩基施工质量。在此过程中，为发挥预应力混凝土管桩的技术优势，施工单位应结合桥梁基础施工需求，明确桥梁桩基施工中预应力管桩的工艺要点，有序地完成打桩、接桩等关键工序，提升桥梁工程建设整体质量。2项目概述某桥梁工程，属于城市级高速公路上的立交匝道桥，桥长686 m，设计速度为80 km/h，双向6车道。桥梁桩基结构为预应力混凝土管桩结构，桩径约为55 cm，桩长50 m，管桩壁厚95 cm，桩身混凝土等级为C80。该桥梁工程项目中，桩顶设计标高分别为-2.05 m、-0.45 m、-0.9 m、-0.52 m，单桩承载力为800 kN，桩端进入持力层的设计值为0.8 m。目前，该桥梁工程已经如期完工，桥梁桩基础性能符合要求，整体建设质量良好。3预应力混凝土管桩的应用优势预应力混凝土管桩在桥梁工程中的应用优势较为突出，具体包括以下几方面。1）强度高、抗弯性能强。在合理混凝土混合料的应用下，管桩原料中会增加超塑化剂，制桩时所采用的高压蒸养护技术、高速离心成型技术都有助于增强预应力混凝土管桩的抗压强度，使其承载力不低于800 kN1。2）在使用高强度混凝土的基础上，桩身会加设预应力钢筋，使其在桥梁基础工作中具有较高的有效预应力，满足桥梁基础结构的设计要求。根据预应力混凝土管桩抗弯性对其进行分类后，可将其划分为3类，具体的抗弯指标如表1所示。表 1预应力混凝土管桩抗弯指标外径/mm类型抗裂弯矩/（kN m）极限弯矩/（kN m）450AABB7288105108145187500AABB99121145148200258550AABB1251561871882543283）预应力混凝土管桩自重轻，可减少对土体的扰动，在软土地基区域有着极大的应用优势。预应力混凝土管桩属于空心桩，虽然具有较强的承载能力，但本身的自重不大。比如，壁厚为100 mm，外径为550 mm的管桩自重约为0.35 t。将其应【作者简介】施协东（1993），男，江苏常州人，工程师，从事桥梁及预制构件技术研究。预应力混凝土管桩在桥梁桩基施工中的应用研究Application of Prestressed Concrete Pipe Pile in Bridge Pile Construction施协东（中铁建预制构件研发咨询（上海）有限公司，江苏 镇江 212000）SHI Xie-dong(CRCC Prefabricate Research and Development Consulting(Shanghai)Co.Ltd.,Zhenjiang 212000,China)【摘要】结合某桥梁工程，论文对预应力混凝土管桩的应用优势展开分析，详细研究了预应力混凝土管桩应用于桥梁桩基的施工要点，及施工过程中的注意事项，如加强管桩质量控制，合理选用打桩设备，规范打桩、管桩焊接时的施工工艺。【Abstract】Combined with a bridge project,the paper analyzes the application advantages of prestressed concrete pipe pile,studies theconstruction points of prestressed concrete pipe pile used in bridge pile foundation and the matters needing attention in construction indetail,such as strengthening the quality control of pipe pile,reasonable selection of pile equipment,standardize the construction process ofpile,pipe pile welding.【关键词】预应力；混凝土管桩；桥梁工程；桩基；施工【Keywords】prestress;concrete pipe pile;bridge engineering;pile foundation;construction【中图分类号】U445.55+1【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0202-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.062202用在软基区域时有利于预防缩颈、塌孔等风险。4）桥梁基础施工中，预应力混凝土管桩施工工序相对简单，且管桩多为预制，有利于提升桥梁桩基施工效率，节约工期2。4预应力混凝土管桩应用于桥梁桩基的施工要点4.1管桩质量管桩质量是影响桥梁桩基施工质量的重要因素，所以相关人员应加强制桩环节的质量管理，同时重视成品管桩的质量检验。一方面，制桩过程中应重点控制水泥、细骨料、粗骨料、端板等基础材料的设计参数，如水泥应选用不低于42.5的硅酸盐水泥，细骨料吸细度模数应控制在2.53.2，粗骨料最大粒径应小于25 mm，钢棒直径分别为7.1 mm、9 mm时，桩端板最小厚度应控制在16 mm和18 mm3。另一方面，正式施工前，还应检查预应力混凝土管桩质量，确保其桩身、桩尖规格符合预期要求。预应力混凝土管桩的常见质量问题及原因如表2所示，质量检验中施工人员应以此为依据，有序地落实管桩质量检验工作。表 2预应力混凝土管桩的常见质量问题及原因常见质量问题主要原因分析合缝漏浆超出标准值麻面、粘皮超出标准值局部磕碰深度、面积超出允许偏差出现内外表面露筋情况桩端面平整度超出允许偏差长度超出允许偏差桩端板厚度出现负偏差模具内馍螺栓未拧紧钢模内壁脱模剂涂刷不均匀起吊搬运时有磕碰喂料不足桩端板过薄预应力主筋下料参数控制不到位进货检验不到位4.2打桩机械预应力混凝土管桩应用于桥梁桩基时，打桩是预应力混凝土管桩施工的关键步骤，而打桩机械选用的科学性，关系着打桩施工的整体质量。施工人员应结合桥梁桩基施工需求，合理选择打桩机械。目前，常用的打桩机械包括滚管式打桩机、导杆式打桩机、三点支撑履带式打桩机、柴油锤、液压锤等。其中柴油锤在预应力混凝土管桩打桩环节中应用广泛，该打桩机械由桩架、桩锤组成，具体可分为筒式柴油锤、分导杆式柴油锤等类型。筒式柴油锤具有打击能量大、冲击力活塞等优势，基本施工原理是利用柴油锤自由下落所产生的冲击力进行打桩，打桩前需要使用弹性材料作为桩垫。4.3配桩情况配桩施工作业是按照桥梁桩基区域的地质条件，以及预应力混凝土管桩的设计桩长进行配桩。配桩时，首桩的实际长度应大于设计值约3.5 m，上节桩长度不低于11 m。配桩过程中施工人员还应保证管桩端口与承台距离不低于7 m，桩端接头数量不大于3个。在上述桥梁工程中，由于桩基区域预应力混凝土管桩的持力层属于粗砂层，所以配桩时将管桩入土深度设计为30 m。随后施工人员可结合单桩竖向承载力允许值、上节管桩荷载情况，确定桩长、管桩布置形式。即将桩径为500 mm的高强度预应力混凝土管桩布设在桩基区域，管桩数量为12根，布置形式为3排4列4。4.4打桩顺序1）打桩前准备。打桩前还应将桩机布设在管桩端5 m内，然后用钢丝绳套住桩端，对预应力混凝土管桩进行单点起吊。起吊后使管桩垂直插入压桩机的夹箱中，垂直度应控制在允许偏差的5%以内，将其扶正后对准桩位。桩身入土前，施工人员需要在桩身上标记长度刻度，用于控制管桩的入土深度。桩头对准地面提前布设的桩位标识后，施工人员还应用经纬仪观测桩身垂直度，必要时可对桩身进行纠偏，使其垂直度符合施工要求5。桩尖入土0.51 m后，桩身垂直度偏差则应小于0.3%。喂桩时，施工人员可将管桩桩身两侧的合缝位置放在临近夹具间隙内，压桩过程中同样需要持续观测桩身垂直度。若桩身垂直度偏差超过0.8%，还应及时对桩身垂直度进行纠偏，但在桩尖进入硬土层后，则应避免用桩架强行校正。2）试打桩。正式打桩前，还应进行试打桩作业，以此分析打桩工艺方案的可靠性，更合理地调整打桩施工参数，试打桩后各项数值符合桥梁桩基施工要求后方可开始打桩施工。3）桩身对中完毕后，开始在桥梁桩基区域进行打桩，打桩过程中应缓慢地将柴油锤放置在管桩顶端，使其自然下沉到一定深度后，再次吊起柴油锤沿着管桩中心线将其打入土层内。锤击数、贯入度、管桩标高是打桩环节的关键参数，施工人员打桩过程中需要详细地记录相关数据6。首节桩身入土后桩身剩余80 cm时，施工人员可检查桩顶端，若发现损伤应及时修复，然后清洁桩端杂物，吊起上节管桩，将两节管桩对齐后进行焊接。打桩时，还应提前制作并使用强度、刚度和耐打性较强的桩帽，预应力混凝土管桩的桩帽可制作为“圆筒形”，用于套桩头的桩帽深度应控制在350400 mm左右，桩帽内径一般比管桩外直径大30 mm左右。打桩施工过程中，桩帽、桩头间隙中还应布设弹性衬垫，用于缓解打桩时柴油锤对桩头结构的冲击力。衬垫可采用麻袋、水泥纸袋材料，衬垫时应保障衬垫厚度的均匀性，锤击压实后衬垫材料的厚度应大于120 mm。打桩期间，施工人员需经常检查衬垫，发现其受损后及时更Construction Technology工程施工技术203Construction&DesignForProject工程建设与设计换、补充。除此之外，打桩作业中，施工人员还应在桩帽、桩锤之间设置锤垫，即使用竖纹硬木、盘圆层叠作为锤垫，锤垫厚度约为150200 mm7。4.5焊接及机械连接焊接上下两节预应力混凝土管桩时，施工人员应确保上下管桩处于顺直桩头，且管桩断面紧密结合，错误误差不大于2 mm。焊接时采用电弧焊，将上下节焊接，焊接后检查焊缝饱满度。或是用二氧化碳气体保护焊工艺，在上下节管桩对接后在坡口区域点焊。焊接过程中3个焊接人员应同时焊接，在此过程中，焊接人员应将焊接角度控制在3045。第一层焊缝可用3.2 mm焊条打底，以此保障对接区域根部能够焊透；第二层焊缝则可用4 mm、5 mm的粗焊条，焊接坡口槽时，焊接人员应对称地进行环缝连续焊接。焊接器件应保持焊接厚度的均匀性，但焊接下一区域时应及时清除每层焊渣。焊接管桩接头时，相关人员应重点检查上节管桩桩身、下节管桩中心线是否重合，以及上下两节管桩端口焊缝的严密性。确定符合质量要求后，根据桥梁桩基施工前所预留的焊缝接口焊接上下两节管桩的接头。等待焊接缝冷却后，施工人员可再次对预应力混凝土管桩进行施打。需要注意的是，接头数量过多时，焊接质量、锤击时接头质量都会受到影响，甚至出现接头开裂的情况，所以需要合理地控制接头数量，规范焊接工艺流程。5预应力混凝土管桩在桥梁桩基施工中的应用注意事项5.1预防桩头破裂风险桩头破裂是桥梁桩基施工中应用预应力混凝土管桩的常见风险，引起桩头破裂风险的主要因素包括以下几方面。1）打桩时，预应力混凝土管桩的锤击次数已经符合相关要求，但部分施工人员为避免截桩所以持续锤击管桩，且没有控制管桩锤击时设备的挡位。2）应用桩垫时，没有使用麻袋、水泥纸袋而是选用硬纸板，从而导致桩垫没有起到应有的缓冲、保护作用。3）管桩端面倾斜后锤打导致局部应力过于集中，从而出现桩头破裂的情况。为在桥梁桩基施工中有效预防桩头破裂风险，施工人员应严格遵守预应力混凝土管桩施工设计参数，锤击数量抵达标准值后及时停止打桩。若施工过程中露桩长度过长时，应在确定管桩贯入度、标高符合设计值后进行截桩。打桩过程中发现桩斜情况后，应立即停止打桩，结合实际情况对桩身进行纠偏后方可再次锤击。已经发生桩头破裂情况后，若上节管桩已无法拔出，可在截桩后根据截桩长度进行补桩。5.2重视管桩桩身断裂问题的处理桩身断裂同样是桥梁桩基施工中预应力混凝土管桩施工的常见风险之一。锤击次数过多、柴油锤起跳后锤击、贯入度骤然增加时，桩身都会在应力作用下出现断裂情况。所以打桩过程中，施工人员还应动态化监测桩身，通过利用孔内摄像监测低应变反应、高应变反应，及时发现桩身断裂问题。桩身断裂后，若断裂区域处于桥梁桩基浅层结构中，施工人员可通过接桩、填芯的方式处理断裂问题。但若断裂区域过深，施工人员则需要采用补桩工艺使其承载力符合桥梁桩基结构的相关要求。具体的补桩方式是用边桩向从断桩中心区域的100 cm处打桩，若出现边桩断裂问题，应在断桩位置的“横桥向”再次打桩。补桩、打桩过程中同样需要控制管桩桩身的垂直度。补桩后施工人员还应合理地调整桥梁基础结构，如承台高度、单侧尺寸。6结语桥梁基础工程建设中，预应力混凝土管桩具有工艺简单、耐打性好、承载力强等应用优势。相关人员可结合桥梁基础施工要求，灵活应用预应力混凝土管桩，制订更科学、合理的桥梁预应力管桩施工技术方案。施工过程中，还应根据预应力混凝土管桩特点，规范桥梁基础施工中预应力混凝土管桩施工流程，引导施工人员有序地完成桥梁桩基施工作业，为桥梁工程高质量完工奠定基础。【参考文献】1潘念.桥梁工程先张法预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究J.资源信息与工程,2020,35（4）:83-84.2赵生星.浅谈PHC预应力混凝土管桩在高速公路桥梁中的应用J.黑龙江交通科技,2021,44(5):107-108.3姚亮.铁路桥梁大直径PHC管桩基础陆上沉桩技术探究J.中华建设,2020(7):66-67.4蔡玉洁,王伟.预应力技术在公路桥梁工程施工中的应用J.河南科技,2021,40(10):96-98.5黄福云,单玉麟,罗小烨，等.基于位移的整体桥混凝土桩基抗震设计准则J.中国公路学报,2021(5):11-18.6李远方.高强预应力混凝土管桩承载特性研究及实际工程应用J.工程建设与设计,2021(17):33-36.7阳习胡.预应力混凝土管桩的应用实践J.建材发展导向,2020,18(12):67-68.【收稿日期】2022-10-13204