预应力砼管桩在武汉地区的应用
发布日期：2014-08-26 查看次数：3055
[摘要] 简要介绍管桩在武汉地区的发展状况，通过施工中存在的常见问题，提出参考性建议及解决办法，解决目前施工中的困惑。[关键词] 管桩 静压桩
§1.前言
近年来，随着建筑技术的发展，在武汉地区预应力砼管桩以其质量可靠、经济高效、工期短、施工便捷、对环境影响较小等优势，获得越来越多建设单位的青睐，建筑高度在100米范围内的民用建筑物其首选桩型为高强砼管桩，其单桩极限承载力取值己逼近管桩的桩身结构所对应的竖向承载力最大值，充分有效地发挥发了管桩的效能。但在武汉地区，相对于广东、江浙地区而言，管桩的生产和施工技术相对落后，技术监管部门对管桩的施工质量控制没有跟上建筑市场的发展，与本地区实际情况结合紧密的质量控制标准、验收规范尚没有出台，湖北省地方标准中对管桩的施工技术规范尚不是十分详尽，在施工现场，各施工单位、建设单位、监理单位等目前均参照目前国家管桩图集03SG409与《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202—2002），给管桩的施工带来一定的困惑，因而在施工过程中，不可避免地出现了一些质量问题和隐患，本文根据笔者在施工现场的一些实际经验谈谈一些初浅看法，供业界人士参考。
§2.质量控制要点
§2.1场地平整质量要求
对场区的地基土处理，存在以下两种情况：
（1）湖塘地区、耕植地
湖塘场区、耕植地的地表土平整质量直接关系到压桩施工质量和施工进度，场地回填处理达不到质量要求，由于桩机自重大，压桩机导致桩机在行走时陷机，轻则导致无法行走，重则导致压桩压坏桩头、压偏桩位，致使桩倾斜、断裂。在前在武汉桩基施工市场，由于市场竞争十分残酷，己形成低价竞标之势，加上建设单位对场区的回填、处理等不是十分到位，一部分施工单位承接到工程后，出于自身利润考虑，对施工现场场区的处理未引起足够的重视，导致质量事故时有发生。在东西湖马池路某工程中，桩型选用PHC—A500（125）型管桩，送桩深度不足1米，局部桩头基本与自然地面齐平，由于现场原为东西湖农场菜地，建设单位将场区的回填处理交给施工单位，但所考虑的处理费用极其有限，该施工单位为自身成本考虑，同时自身施工经验不足，压桩施工过程中，处理不当，出现陷机时推土机推来建筑砖碴、毛石等回填，最后导致该工程所施工4栋楼的管桩近80%偏移，最大达到0.99m，最后结果是4栋楼桩全部作废，改用钻孔灌注桩，其直接经济损失达200余万元。
根据笔者的施工经验，对湖塘地区、耕植土的地表土处理，为确保桩机行走、施工，场区地表土如为淤泥质土，要进行换土处理，地土现场根据实际情况用建筑砖碴硬化（其厚不小于0.5m），根据目前武汉市所选用桩机大小，以YZY600吨桩机为例，对单桩承载为4800KN的桩基工程，桩机自重不小于520吨，其短船大小约为10.7m×2.2m，则现场经回填处理后的地表土的承载力不小于220KPa。在目前的湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》（DB42/242—2003）中对地基表层中的承载力做了“不宜小于100KPa”的要求，与桩机实际所要求的承载力相差尚有差距。
（2）老城区的地下障碍物
对老城区的地下障碍物直接影响压桩进程和质量，在老城区施工，一般存在原拆迁建筑物基础，在施工前应尽可能进行清除，清除时，对超过50cm的砼块、块石等应清除出场外，如埋在表层土中，对压桩仍然存在影响。在施工过程中，除遇地下障碍物，应及时停止施工，待清除障碍物后再进行施工，如强行施工，桩极易倾斜、甚至爆桩。
§2.2施工过程中的质量控制
§2.2.1桩位控制
静压桩的挤土效应对桩位偏移的影响十分明显，对桩位控制，除压桩前进行测量定位、复核之外，施工过程中、施工完毕后，均应进行控制观测，所设的控制点均应在不受压桩影响的区域，对设在施工场区的控制点，要及时进行校核。影响影响桩位的因素有以下几方面：
（1）压桩施工顺序
施工顺序选取不当，有可能整个建筑物的桩位整体偏移，一般而言，宜先压中间桩，从中间向两侧施工；对多桩承载台桩，应压承台中间桩；如场区周围有建筑物或其他设施，应先压临近建筑物周边的桩。
（2）场区地质条件
场区表层土如载承力达不到压桩施工要求，且桩顶埋深小于1米，桩机在行走过程中，极有可能挤偏己施工的桩，甚至造成断裂。
对此种情况，应尽量避免桩机在己施工桩上行走。
（3）场区周围的地形地貌
场区地形地貌主要指建筑物、陡坎、湖塘等，地形地貌对桩位的影响主要是限制或加大挤土效应。对周围有陡坎、湖塘的场区，由于场区土体压力不均匀，在压桩过程中桩会朝土压力小的方向偏移，导致桩的超规范偏位，笔者在东西湖和沙湖湖边的几个工程中，碰到此种情况，根据常规的桩位控制方法，己难以见效，上述几个工程所采用的方法是，对己施工的桩位抽样开挖进行偏移测量，找出桩位偏移规律、方向、大小，对未施工的桩位在测放定位时有意反向偏移，以抵消挤土效应，其中最大的反向定位值达15cm。
对临近湖塘的软土地基，要充分考虑压桩机作用于土体以及水、土介质不同所产生的“相对主动土压力”后，土体的整体向湖塘方向的蠕动作用，出现此种情况，极有可能造成建筑物桩基整体大位移偏移，甚至倾斜，一旦出现此种情况，暂停压桩，待对场区进行处理后再进行施工压。
§2.2.2垂直度控制
目前施工单位在压桩施工过程中，对垂直度的控制方法通常是在桩机控制室内吊一线锤，同时在桩机一侧的也设一线锤，用目侧进行控制，但最好是在上述基础上再架设经纬仪进行观测控制，以提高精度。
但在施工过程中，如桩尖进入较硬土层后垂直度偏差超过规范要求时，不可通过移动桩架回扳来调整垂直度，以防桩断裂，要根据现场实际情况进行分析处理。
在送桩时，由于送桩器与桩段之间没有焊接，在施压时，操作人员在操作时，动作要小，以防夹持机构对送桩器的扰动过大，导致送桩器与桩头的接触面太小，致使桩头局受压，桩头易受损甚至爆桩。
§2.2.3焊接质量控制
对焊接质量的控制，在目前的管桩图集中，提出了具体要求，其中焊接层数为三层，焊接冷却时间小少于8分钟，但在GB50202—2002规范中，对焊接层数没能有做要求，焊接结束后的停歇时间为不少于1分钟，施工单位在施工时对此感到十分困惑。在压桩过程中，特别是桩尖进入砂层等较硬土层后，压桩过程中停歇时间过长，难以施压，保证不了桩的入土深度，特别是单桩承载力较高的桩。
§2.2.4桩尖选用
工程中，对是否采用桩尖，采用什么型式的桩尖，建设单位、设计单位及施工单位均有不同的意见，国家及地方技术规范是也没有详细的规定。作为建设单位，要求使用桩尖，而且是封闭桩尖，但设计人员在考虑桩尖时，要求采用开口桩尖，但作为施工单位，从成本方面考虑，不愿采用桩尖。事实上，是否采用桩尖，对桩的施工质量、承载力及入土深度，几乎没有影响：
其一、采用桩尖与否，对桩的入土深度，几乎不产生任何影响，不采用桩尖时，在桩入土一定深度以后，桩管内己被挤入一段土体，随着入土深度的加大，桩管内土体的密实度会增加，挤入土体长度不会呈线性变化而增加，到了一定的土体长度后，桩管内的土体的作用己相当于桩尖，笔者在汉正街某试桩工程中，压桩施工完毕后，经测量，桩管内填充土的高度最小的仅为1.2m，大的有近5m。
其二、对一部分设计人员提出采用开口桩尖以消除超静水压力的情况，有分析认为，在压桩施工过程中，要想超静水压力瞬时消失，也是不可能的，对桩的入土深度的不产生影响。超静水压力的消散，在压桩施工完毕后的养护期内，会缓慢消散，试桩施工完毕后最短养护期为7天。
§2.2.5单桩竖向承载力特征值的理论计算
笔者最近接触的几个管桩工程中，桩段选用PHC—A/AB500（125），单桩承载力极限值均较高，超过了4800KN，个别工程甚至达到5200KN，己逼近了该直径管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力最大值（5400KN），有些根据工程岩土工程勘察报告，设计的持力层均较深，但在实际施工过程中，在压桩油压值达到承载力要求时，压桩深度均小于设计深度，给施工单位在施工过程中带来了施工难度和风险，按设计要求，必须达到持力层深度，但达到该持力层时容易引发爆桩及安全事故。笔者分析认为，在压桩过程中，桩尖进入较硬土层中后，由于土体的挤密压实效应，桩侧及桩端土本被挤压密实，在达到一定程度后，作用于桩端土体的端阻力迅速加大，土体端阻力特征值与原状土体的物理力学性质发生了变化，使单桩承载力值与理论值有较大的差距。这种情形也可以用太沙基理论进行解释。根据太沙基土压力理论，桩端土体受力后产生的滑动面可以分为三个区域，如下图所示：
根据太沙基假设滑动面，在桩端以下土体中，可能分为三个区：
Ⅰ区—桩端下的楔形弹性压密区，由于土与基底的摩阻力作用，此区土不发生位移而处于压密状态，其与桩底所形成的夹角为φ；
Ⅱ区—滑动面按对螺旋线变化，b点处所对应的切线垂直，c点处螺线的切线与水平角成（45°－φ/2）角；
Ⅲ区—底角与水平线成（45°－φ/2）的等腰三角形。
图中B为桩的直径，D为桩端埋深，γ为土体重度，由太沙基地基土限承载力公式：
Pu=0.3γB Nγ＋cNc＋qNq(Nγ、Nc、Nq分别为太沙基公式承载力系数，c为土体内聚力)
以武汉汉口市区某工程为例，桩端持力层为细砂层（其上土体γ取均值为18.5KN/m3，持力层土体c=0，埋深D为40米），管桩选用PHC—AB500（125），查表得Nγ、Nc、Nq分别为40、35、1，则
地基土极限载力Pu=851（KPa）
而事实上，该工程岩土工程勘察报告所提的该层土的地基承载力特征值为256KPa，极限承载力值为512KPa，与太沙基公式所计算的Pu=851KPa有较大的差值，但目前在计算单桩承载力值时桩端土挤密压实效应没有考虑，在实际施工时，用岩土工程勘察报告中所提供的参数进行承载力计算的承载力值与实际施压情况差距较大，笔者在汉口台北一路、万松园路等几个工程中均出现这样的情形，最大差值达1000KN。
§2.2.6终压条件
工程施工中，设计要求采用双控，即桩长与油压值双向达到设计要求，这在施工中给桩长配置带来较大困难，施工中难以达到这一要求。在施工中，由于土质非均习性产生挤土效应的波动，在不同的桩位上产生的情况是不同的，压桩时桩的入土深度对应的压力值是有出入的，一般在施工中，均以油压值控 控为主，桩长控制为辅，但桩端必须进入设计持力层，且持力层必须有一定的厚度。对于持力层中有软弱夹层的，桩端要穿透该层土。
笔者在施工中碰到有些业主或监理单位代表提出，桩在压至设计承载力值时，能否稳压多长时间桩不再下沉，证实该桩确实到达了设计承载力值。事实是这是不可能的，因为桩端持力层为非钢性介质，在压力的作用下，会发生变形，直接的反应是桩会缓慢下沉，即桩不可能维持稳定。
§2.2.7桩段质量控制
目前在武汉地区正规生产厂家的管桩主要存在以下两类问题：
（一）端板不平
桩端板不平的主要原因有两方面，其一端板质量达不到规范要求，预应力钢筋在张拉过程中，由于端板质量不合格，导致端板受力后变形；其二是预应力钢筋下料长短不一，张拉过程中端板各点受力不均而变形。端板不平在压桩过程中不利于焊接，即使焊接好后，桩段上、下节之间的垂直度误差较大，在施工过程中容易出现质量问题。
（二）桩端板下1米范围内砼不密实或砂浆厚度超规范要求
端板下1米范围内砼由于在生产过程中，布料不均或不够容易出现砼不密实甚至空洞；在离心时同由于端板的及桩头箍套内的砂浆不易外渗，导致砂浆厚度规范要求。以上问题的存在在施工过程中极易爆桩，特别是承载力较高的桩，在高压力作用下，桩本身容易疲劳破坏，在桩有质量缺陷时，更易出现爆桩。在对桩段进入施工现场后，要仔细进行验收，对有缺陷的桩，不可心存侥幸，一定要弃用。
引起爆桩的原因除了桩段本身的质量缺陷外，桩机的施工质量也是很重要的因素。桩机的夹持机构是否平整；夹持机构中心与桩段的中心是否在同铅垂线上，否则容易引起偏心受压而爆桩。
§3.结语
管桩在武汉的发展方兴未艾，但在施工过程中，也暴露了诸多问题。随着管桩应用的推广，需要更加切实可行操作规范的加强管理，在目前的设计规范中，对管桩的送桩深度没有限制，笔者在武汉汉口中心城区的某工程中，两层地下室，6万余米管桩中，有近18%要求送深12.3米，其余送深在10.5~11.5米不等，对送深在12.3米的桩，在目前武汉的桩工机械中，均无法达到这一送深，因为这要求送桩器达到16米长，而目前的压桩机上吊车的最大起吊长度仅15米，而且即便送至该深度以后，所遗留下的问题也是难以处理的，其一是桩机是否有足够的能力拔出送桩器；其二，送桩以后留下的孔洞也需要处理，首先是需要回填，用什么回填能够确保孔洞密实，事实上桩位孔洞在拔出送桩器后，孔壁土会回缩、坍塌，难以确保其密实，留下不密实的孔洞，对后续桩的施工的垂直度难以控制，留下的孔洞会造成挤土效应不均匀，桩可能会向有孔洞一侧倾斜，一旦倾斜便难以纠偏，留下质量隐患难以处理。
