预应力高强混凝土管桩应用初探.pdf

第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科 学研 究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 57 预应力高强混凝土管桩应用初探 杨雪冬， 吴志鹏 ( 邯郸职业技术学院建工系， 河北 邯郸0 5 6 0 0 1 ) 摘要 ： 预应力高强混凝土管桩( 简称 P HC桩) 是一种新型的基桩， 由于性能突出， 广泛应用于国家建设的各个方 面 ， 本文通过对预应力高强混凝土管桩性能及发展进行详尽的论述和研究分析， 针对预应力高强混凝土管桩在施 工过程中存在的问题提出了自己的见解 ， 为提高工程质量、 加快工程进度提供了新的思路和方法。 关键词 ： 预应力高强混凝土管桩 ； 施工； 质量控制 中图分类号： T U 7 5 3 3 文献标志码 ： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 61 5 7 0 4 O 引 言 桩具有悠久的应用历史， 在新石器时代， 人类为 了抵御野兽和敌人的侵袭而在湖泊和湿地利用木桩 构建基层 ， 然后在其上建造平 台用 于居住。历经几 千年的应用和发展 ， 桩基础 已经成为当代建筑物 和 结构物 中不可或缺 的一种重要基础形式 ， 尤其是在 1 9 世纪中叶之后， 新型建筑材料水泥和钢筋混凝土 的出现 ， 赋予了桩基础一个崭新的形态钢筋混 凝土桩； 在 2 0 世纪特别是第二次世界大战结束后， 桩基础广泛的应用于各类建筑及道路桥梁工程中， 发挥了不可替代 的重要作用。 预应力高强混凝土管桩 ( 简称 P H C管桩 ) 是桩 基中的一种， 相对于其他桩型来说， 预应力管桩算得 上是一种新型桩 ， 它 的发展史不过区区几 十年的时 间， 但是由于其桩体承载力高、 成桩速度快、 经济效 益好等优点， 受到建设单位、 设计单位及施工企业的 一 致认可 ， 从而在全 国大部分地区得到了快速 的应 用普及。笔者经过大量的数据分析研究， 试图从预 应力高强混凝土管桩的承载性质、 形变计算理论和 方法人手 ， 全面展示其在施工过程中所遇到的问题 ， 并提 出自己的见解。 1 预应力混凝土管桩的发展 管桩一般由预制工厂按照国家有关标准制作而 成， 桩自身质量和强度都能得到有效保证。管桩依 据桩身混凝土强度等级可分为不低于 C 6 0的普通 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 - 2 2 作者简介： 杨雪冬( 1 9 7 5一) ， 男， 河北邯郸人， 硕士， 副教授， 研究方 向为建筑工程 。 E m a i l ： h d y a n g x u e d o n g 1 2 6 t o m 预应力混凝土管桩( P H管桩 ) 和混凝土强度不低于 C 8 0的高强预应力混凝土管桩( P H C管桩) 。预应 力管桩根据施加预应力顺序可分为后张法预应力管 桩及先张法预应力管桩两大类。 桩的结构形式如图 1 所示。 图 1 管桩的结构形状 与传统桩型相比， P HC桩具有如下优点 ： 1 ) 流水线制造 ， 产品质量稳定可靠 ， 标准化 ； 2 ) 使用高强度等级混凝土， 造价也比普通桩便 宜 ： 3 ) 耐压耐锤击性好 ， 贯人性好 ； 4 ) 良好的抗弯抗剪抗裂性能； 5 ) 解决了断桩及混凝土离析等质量问题 ； 6 ) 成桩质量检测方便； 7 ) 施工方便快捷 ， 施工周期短； 8 ) P H C桩基础还具有较好的抗震性能； 9 ) 施工文明 ， 现场简洁。 自1 9 1 5年澳大利亚人 w R H u m e 创造 了离心 密实混凝土成型方法 以来 ， 预应力混凝土管桩历经 近一个世纪 ， 在管桩 自身受力性能、 管桩及桩周地基 土在动、 静荷载作用下的作用机理研究方面， 都得到 了长足的发展。预应力管桩垂直承载力的计算， 通 常来 自两方面的考虑。一是按桩身结构强度确定单 桩竖向承载力， 即核定桩身最大允许轴向承压力 ( 轴向抗压强度) ， 此时需根据桩周土质情况分析桩 的纵向弯曲的影响。一是按土的强度与变形来确定 1 5 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 单桩竖向承载力 ， 一般情况有静载试验法 、 经验参数 法、 静力触探法、 动测法等几种方法 。另外在高层 、 超高层建筑的桩基础设计 中， 需要对群桩基础进行 内力分析 ， 而单桩的轴 向刚度数据则是不可或缺 的 基础数据 ， 此数据的确定往往依赖于单桩沉降分析 ， 所以单桩沉降计算是非常重要 的。现行 的沉降理论 方法包括 ： 弹性理论法 、 位移协调法 、 剪切位移法 、 人 工神经网络法 、 有限单元法等 。 2 0世纪 6 0年代 ， 为了满足一些特殊工程 的需 要 ， 我国开始尝试使用预应 力混凝土管桩 ， 直至 2 O 世纪 8 0 年代初， 才开始在广东省大规模的推广使 用。1 9 8 3年 ， 铁道部大桥工程局在京生产的管桩运 到深圳 推 广 应用 ， 开创 了广东 应用 管 桩 的先 例。 1 9 8 4年 ， 广东省构件公 司与广东省基础公 司、 广东 省建筑科学研究所合作， 首先研制现代形式的预应 力混凝土管桩 ( 以往是法 兰接 口， 现为焊接驳接 ) ， 并于 1 9 8 7年通过广东省建委组织 的技术鉴定。由 于该桩型与传统预制桩型相比， 具有明显的优越性 和良好 的经济效益 ， 故在广东省得到了广泛 的应用。 1 9 8 7年 ， 上海交通部三航局混凝土制 品厂成套 引进 日本的设备 ， 并于 1 9 8 8年生产 + 6 0 0 m m、 + 8 0 0 mm、 + 1 0 0 0 m ill 等较大直径的预力管桩。 1 9 9 11 9 9 5年是我 国管桩 快速发展 的一个时 期 。继广东省构件公司之后 ， 全 国又出现了一大批 管桩制造企业 ， 对地 区性 的建筑企业 产生了很大 的 影响 ， 如南方管桩厂 、 上海三航局混凝土预制厂 、 番 禺桥丰水泥制品公司、 广东省七建管桩基础公司等。 与此同时， 还发展了一批凹螺纹预应力钢棒厂、 高效 减水剂厂 、 磨 细石英砂厂和管桩生产专业制造厂 ， 形 成了一支强大的行业队伍。随着管桩的大量使用， 其设计施工 的水平不断提高。浙江 、 江苏 、 上海 、 广 西、 福建等地也纷纷引进该桩型， 并获得巨大的经济 效益。 1 9 9 2年， 我 国制 定 了国家 标 准 G B 1 3 4 7 6 -9 2 先张法预应力混凝土管桩 。建设部 自 1 9 9 3年 起， 已将“ 高强度预应力混凝土管桩” 列入重点推广 项 目。广东省是全国管桩厂最多、 使用管桩最为普 遍的省份。早在 1 9 9 1年制定了省标 D B J 1 52 0 l 一 9 1 建筑地基基础施工及验收规程 ， 将预应力混凝 土管桩编人标准内。1 9 9 5年又组织有关科研、 设 计、 管桩厂及施工单位编写了省标 D B J T 1 5 2 2 9 8 预应力混凝土管桩基础技术规程 。1 9 9 8 年， 我 国还对国标 G B 1 3 4 7 6 -9 2进行了修订， G B 1 3 4 7 6 1 9 9 9也出台实施。 经过三十多年尤其是近十年的推广应用 ， 预应 力管桩在我 国得到 了迅速发展 。1 9 9 5年是我 国建 立管桩厂最多的时期。现在， 我国已有管桩 厂约 8 O 家 ， 主要 分 布在 广 东和 华东 地 区 ， 年 生产 能 力 约 5 5 0 0万米。无论从厂家数量还是从年产量来说 ， 广 东约 占全 国2 3以上。相信随着新材料 、 新工艺 、 新 产品、 新机械的不断涌现 ， 以及广大工程技术人员对 该桩型的进一步了解和使用 ， 预应力混凝土管桩将 会在全国范围得到更加广泛 的应用 ， 我 国的管桩行 业将会更加健康地发展 。 2 预应力混凝土管桩在施工 中的应 用 在我国现阶段 ， 大规模使用 的管桩多为先 张法 预应力混凝土管桩。所谓先张法预应力混凝土管桩 ( P r e s t r e s s e d C o n c r e t e P i p e P i l e ) ， 指的是采用先张法 预应力施工工艺 ， 配合使用高效减水剂 ， 采用高速离 心成型工艺经蒸汽养护而成的空心圆筒体细长混凝 土预制构件。先张法预应力混凝土管桩依据桩身混 凝土强度等级可分 为不低于 C 6 0的普通预应力混 凝土管桩( P H) 和混凝土强度不低于 C 8 0的高强预 应力混凝土管桩( P H C ) ， 两者通称为预应力混凝土 管桩。其中 P H管桩一般在常压下通过蒸汽养护脱 模后， 在标准条件下养护 1 4 天左右， 通常在 2 8天之 后才可以进行沉桩施工 ； 而 P H C管桩则在脱模之后 需在 1 0个大气压 、 1 8 0 C左右的环境 中进行蒸汽养 护 ， 从成型至沉桩的时间最短只需要 3 4天。通常 预应力管桩 的预应力施加于轴向钢筋 ， 并通过长螺 旋箍筋与主筋焊接成笼。桩端焊接的端板在施加预 应力时可作为预应力钢筋 的锚板 ， 在桩体接长 时又 可以作为焊接连接板使用。与板相连的钢裙板既有 保护桩头 的作用 ， 又有 电焊拼 接时起散热 的作用。 作为常见的预制构件， 预应力管桩一般由预制厂加 工制作 ， 考虑到运输环节的要求， 单节桩通常为8 1 2 m， 当然也可根据具体工程实际要求变化桩长。 预应力管桩的沉桩施工工艺主要有： 锤击沉桩 法、 静力压桩法、 振动水冲法、 预钻孔法等， 其中锤击 沉桩法以作用效果直接有效、 施工速度快、 经济效益 好、 适应范围广等因素得到广泛应用。但施工时有 挤土、 噪音和振动等弊病， 对城市中心和夜间施工应 有所限制。其施工工艺如 图2所示 。另一种常见 的 2 0 1 3 N o 6 杨雪冬， 等： 预应力高强混凝土管桩应用初探 1 5 9 沉桩工艺为静力压桩法， 通过静压力 ( 压桩机 自重 及配重) 将预制桩分 段压入 、 逐 段接长。这 种施工 工艺可降低工程造价， 相较于锤击沉桩法， 桩体采用 的混凝土强度等级可降低 12级， 配筋可节省 4 0 左右 ， 且施工时无噪音 、 无振动 、 无污染 ， 对周 围 环境的干扰小 ， 特别适 用于城市 中心部位及建筑物 较密集处和软土地基中的桩基础工程 。 位 置 位 置 主机 后支撑 导杆 桩锤 桩帽 工程桩 导杆不垂直度用经 纬仪两个方向监测 上 上 厶 l 0 0 0 桩的不垂直度用经 纬仪两个方向监测 管桩 一 5 2 一 蒌 蠹 蓑 篓 箸 停机面倾斜角 a 3 。 ( 含横 向) 桩位误差 2 c m 校导杆 _-_-_ 校桩 锤 击至 地面 桩校正 接头焊接 检查合格 安送桩器 校正 _ _ 1 堡 圭 垄 至 堡 塑 桩送桩标高控制 ，用水准仪 打P Hc 桩 桩项允差： t 0 0 0 mm 图2 锤击沉桩法 在预应力管桩的沉桩过程中， 经常会遇到各种 质量缺陷， 主要有： 沉桩困难， 贯人度难以达到设 计标高； 沉桩过程中垂直度难以控制， 桩体倾斜或 偏移尺寸过大； 桩体贯人度和垂直度都满足设计 要求， 但桩身的承载能力不足； 沉桩阻力与地质勘 探资料或试验桩所体现的阻力相比存在异常变化； 桩体破损， 难以继续沉桩。 通过结合大量工程 实践经验及相关数据分析 ， 笔者认为造成 以上质量 问题 的主要原 因大概有 以下 几类情况： 沉桩设施选型不合理， 沉桩能量不足； 沉桩土体浅层杂填土中存在障碍物、 硬夹层、 透镜 体等情况； 在桩间距较小的情况下( 不大于 4倍 的桩径) ， 沉桩顺序 不 当， 土体挤 密， 强度增加 或土 体受扰动过大； 沉桩设施、 桩身不在同一轴线上， 或因桩顶不平整而造成施工偏压； 桩尖偏斜或桩 体弯曲， 桩尖强度不足， 地下存在障碍物或孤块石冲 撞等 。 针对 以上几种情况 ， 笔者认为应从 以下几个方 面人手 ， 以期减少和避免相应的工程质量问题 ， 确保 工程质量和进度。 1 ) 质量预控 完善质量管理体系， 严格控制图纸会审和设 计技术交底水平 ， 确定质量评定 、 奖惩和相应处理制 度。 完善质量监督制度， 分工明确， 责任到人。 严格执行工程质量检验制度， 从原材料设备 进场 、 施工过程检验到施工后 的抽检都要有严格 的 检验控制和监督。 2 ) 施工过程 中的质量控制 管桩自身质量检验： 外观检查， 检验桩体是否 存在尺寸偏差 ； 桩 身是否存在 明显 的纵 向、 环 向裂 缝 ； 端板是否倾斜 ； 壁厚是否满足要求 ； 混凝土强度 、 桩身抗弯性能是否达到要求 ； 桩体检测报告、 产品质 保书 、 合格证是否齐全。 沉桩设施合理选择， 桩机配重与设计承载力 是否相适应。 根据相邻建筑分布、 沉桩土质条件、 桩间距、 沉桩的规格 、 桩长等因素 ， 考虑桩 机行走路线 ， 合理 安排沉桩顺序 。 试打桩： 沉桩前， 由业主、 设计单位、 地质勘察 单位、 工程监理、 施工单位和质监部门共同确定试打 桩的根数及桩位， 进而确定沉桩参数。 垂直度控制， 沉桩过程中严格控制桩身垂直 1 6 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 度( 偏差小于 1 ) 。 接桩质量控制： 下节桩设置导向箍以便于上 下两节桩体顺直就位； 对接前对连接面进行有效清 理， 先对称点焊 4 6 点， 待上下桩节固定稳后， 拆除 导向箍分层施焊 ， 焊接层数不得少于两层 ， 内层焊接 后清理干净方可进行外层焊接施工， 焊缝需连续饱 满 ， 满足规范要求 。 沉桩过程中， 应注意观测， 及时发现异常状 况 ， 如贯入度数据骤变 、 实际桩长与设计桩长存在较 大差异 ， 桩身 、 桩头混凝土 出现裂缝或破碎 、 桩身倾 斜偏移等， 及时停止沉桩 ， 复核记录有关数据 ， 会 同 相关单位进行及 时处理。 3 ) 沉桩后质量检验 成桩后质量检验 ， 桩身垂直度 、 桩顶标高、 桩顶 平面位置应满足规范要求； 通过管桩低、 高应变动力 检测 ( 评价桩身完整性和单桩极限承载力计算 ) 、 管 桩静载实验和管桩抗拔实验等具体检验 ； 对于施工 中出现意外情况的桩 ， 可根据实际工程情 况决定相 应检验内容。 3 结 语 在我 国部分地区预应力管桩仍然被认为是“ 新 鲜的东西” ， 这是 因为预应力管桩 的应用研究在我 国尚处于起步阶段 ， 笔者在本文 中只是做 了一些初 步的探讨 ， 因此今后仍需要开展相应的工作 ， 如探讨 P HC桩在深基坑支护中的可行性 ， 这需要在 P HC桩 的变形 、 桩土之间 的相互关 系、 桩的物质性能 、 力学 性能、 弯曲性能等方面做更多有效的研究， 以期在具 体的工程实践中带来更大的经济效益。 参 考 文 献 ： 陈勇 ， 杨晓松 预应力混凝土管桩在竖 向作 用下的沉降 特性 分析 J 基础工程 ， 2 0 0 0 ( 1 2 )： 6 7 4 5 9 熊炳贤 ， 钮泽明 预应力 管桩 的承 载力研究 J 广东土木与建 筑 ， 1 9 9 7 ( 4) ： 3 5 - 3 7 宋建军 锤击预应力管桩单桩竖向承载力的试验研究 J 工 业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 8) ： 4 4 _ 4 8 蓝星育 预应力混凝 土管桩 承载力 的计 算与施 工技术 J 桥 梁建设 ， 1 9 9 2 ( 3 ) 张忠苗 预应力管桩在浙江的应用研究 c 杭州市深基础及 基坑 围护学 术讨 论 会 论文 集 北 京 ： 中 国水 利水 电 出版 社 ， 】 9 9 9 ( 上接 第 1 4 0页) 2 贾彦龙 高土壤电阻率变电站接地降阻实现 J 电力建设 ， 2 0 0 9， 3 0 ( 7 ) ： 4 3 _ 4 6 3 匡红刚 接地新技术在黄荆堡 2 2 0 k V变电站中的应用 D 重 庆 ： 重庆大学 ， 2 0 0 4 4 李承 国， 何金 良 利用周边地理环境降低城 区变电所接地 电阻 J 中国电力 ， 2 0 0 1 ， 3 4( 1 1 ) ： 5 0 - 5 3 5 王颢， 付龙海， 吴广宁， 等 降低青藏铁路格拉段变电站接地 电阻方法的探讨 J 电瓷避雷器， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 2 4 6 6 D u r h a m M O， D u r h a m R A L i g h t n i n g ， g r o u n d i n g a n d p r o t e c t i o n f o r c o n t r o l s y s t e m s J 1 E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ， 1 9 9 5， 3 1 ( 1 ) ： 4 5 5 4 7 h t t p ： w w w n j x l t c o p r o d u c t s a s p ?M I D= 4 1 2 & A I D=1 1 5 3 UY_ 5 O 8 李统锦 ，赵斌 ， 张玉泉 ，等 西藏南部花 岗岩类熔化实 验的 初步研究 J 地球化学 ， 2 0 04 ( 3 ) ： 2 6 1 - 2 6 7 9 莫宣学， 董国臣， 赵志丹， 等 西藏冈底斯带花岗岩的时空分 布特征及地壳生长演化信息 J 高校 地质学报 ， 2 0 0 5， 1 1 ( 3 ) ： 2 8 1 ， 2 9 0 1 O 马冠卿 西藏区域地质基本特征 J 中国区域地质 ， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 1 ) ： 1 6 - 2 4 1 1 王俊璇， 赵明阶， 苏初明 岩石在受载条件下电阻率变化特征 研究综述 J 重庆交通大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 41 9- 4 2 3， 46 4 1 2 B r a c e W F D i l a t a n e y - r e l a t e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a n g e s i n r o c k s J P u r e a n d A p p l i e d G e o p h y s i c s ， 1 9 7 5 ， 1 1 3 ( 1 ) ： 2 0 7 - 2 1 7 1j 1j 1 J 1， 1J 心