小议高层建筑预应力管桩施工技术

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  【摘 要】本文详细分析了高层建筑基础工程中的预应力管桩的施工技术与预防控制措施。供同行参考。
  【关键词】高层建筑;预应力;管桩施工
  1.预应力管桩概况
  目前城市建设中高层建筑越来越普遍,且越来越密集,预应力混凝土管桩基础由于自身的特点,在市区高层建筑基础中所占的比重越来越大。
  预应力混凝土管桩可分为后张预应力管桩和先张法预应力管桩。预应力管桩沉入土中的第一节桩称为底桩。底桩下端部都要设置桩尖。管桩桩尖形式主要有三种:十字型、圆锥型和开口型。如果桩尖封闭,当桩沉入土层中后,桩身内腔在电灯和手电光的照射下一目了然,因此可用目测法检查成桩的桩身质量,并用直接量测法复测沉桩长度。
  预应力管桩沉桩方法有多种,在我国国内施工过的方法有:锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法等,而以静压法用得最多。由于柴油锤打桩时震动剧烈、噪音大,为适应市区施工需要,我国各地开发并采用了大吨位的静力压桩机施压预应力管桩的工艺,静力压桩机可分为顶压式和抱压式,抱压式是桩机的夹板夹紧桩身进行沉桩,大吨位静力压桩机的出现大大推动了预应力管桩的应用和发展。
  2.预应力管桩的特点和作业条件
  2.1预应力管桩的特点
  预应力混凝土管桩,系采用先张法预应力工艺和离心成型法,制成的一种空心圆柱体细长混凝土构件,主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。预应力混凝土管桩的特点:单桩承载力高,桩端承载力可比原状土提高80%-100%;设计选用范围广,单桩承载力可从600KN—4500KN,既可适用于多层建筑,也可用于50层以下的高层建筑;桩运输吊装方便,接桩快速;桩长度不受施工机械的限制,可任意接长;桩身耐打,穿透力强,抗裂性好,其单位承载力价格仅为钢桩的1/3—2/3。预应力混凝土管桩适用范围:适用于粘性土、粉土、砂土等土层。
  静力压桩是采用静力压桩机将桩分节压入地基土层中成桩。自动化程度高,行走方便,运转灵活,桩位定点精确,可提高桩基工程质量;施工无噪声、无振动、无污染;本工艺适用于软土、填土、一般粘性土层中,以及居民稠密和危房附近环境保护要求严格的地区进行施工。锤击桩与静力压桩相比,锤击桩打桩时震动,噪声和挤土量大。但是,锤击桩施工速度快,打桩机相对较轻,对场地的承载力要求低。因此,能够满足部分场地的实际情况。锤击桩适用于粘性土、粉土、砂土等土层。
  2.2管桩施工作业条件
  施工前应对工程地质资料、桩基施工平面图、桩基施工组织设计进行审核,对施工人员进行了技术、安全和文明施工的交底。施工用电已接至现场,场地已平整压实,能保证压桩、打桩机械在场内正常运行。雨期施工,需做好排水措施。
  桩基的轴线桩和水准基点桩已设置完毕,并经过复查办理了签证手续。每根桩的桩位已经测定,用小木桩或钢筋条(一端系上标示带)打好定位桩,并用白灰做出标志。已选择和确定桩机设备的进出路线和压桩顺序。检查压桩或打桩机械设备及起重工具,铺设水、电管线,进行设备架立组装。在桩架上设置标尺或在桩侧面画上标尺,以便能观测桩身入土深度。检查桩的质量,将需用的桩按平面布置图堆放在压桩或打桩机附近,不合格的桩另行堆放退货。施工前先进行试桩施工,以确定压桩或打桩技术参数,校验压桩或打桩设备性能和施工工艺及技术措施是否符合要求。
  3.施工工艺与技术
  3.1试桩
  在正式施工前,必须先进行试桩,并且请勘探单位和设计单位参加,试桩数量应在整个场区范围内多点选择,至少三根,以便真实确定地质情况和桩的承载力,并且可以预防部分施工中出现的问题,如配桩、桩机状况、沉桩顺序等。经过试桩后,根据实际情况,还可以对设计作出调整,比如设计桩长过于保守,可以调整桩长为建设单位节省造价。
  3.2施工要点
  当采用静压桩机时,压桩机安装必须按有关程序和说明书进行。压桩机的配重应平稳配置于平台上。压桩机就位时应对准桩位,启动平台支腿油缸,校正平台处于水平状态。当管桩桩尖插入桩位后要用两台经纬仪或线锤在两个成90度的侧面观察,调整好桩的垂直度,微微启动压桩油缸,待桩入土至50cm时,再次校正桩的垂直度和平台的水平度,使桩的纵横双向垂直偏差不超过0.5%。然后再启动压桩油缸,把桩徐徐压下,控制施压速度不超过2m/min。沉桩过程中应经常检查桩身垂直度,若桩身垂直度偏差超过1%时,应找出原因,并设法纠正,当桩尖进入较硬土层后,严禁用移动桩架或强行回扳方法纠正。
  桩的接头采用钢端板焊接法。在桩端头埋设端头板,四周用一圈坡口进行电焊连接。当底桩桩头露出地面0.5~1.0m时,即应暂停沉桩,进行管桩接长。方法是先将接头上的泥土、铁锈用钢丝刷刷净、再在底桩桩头上扣上一个特制的接桩夹具,将待接的上节桩吊入夹具内就位,调直后,先用电焊在剖口圆周上均匀对称点焊4~6点,待上、下节桩固定后卸去夹具,再由两名焊工对称、分层、连续的施焊,焊接层数不小于2层,焊缝应饱满连续,待焊缝自然冷却8~10min,始可继续沉桩,严禁用水冷却或焊好后立即施打。
  当压桩力已达到两倍设计荷载或桩端已到达持力层时,应随即进行稳压。桩长大于15m或密实砂土为持力层时,宜取2倍设计荷载作为最后稳压力,并稳压不小少3次,每次1min。测定其最后各次稳压时的贯入度。沉桩过程中出现贯入度反常、桩身倾斜、位移、桩身破损等异常情况应立即停机压桩,待查明原因,进行必要处理后方可继续施工。
  当采用打桩机施工时,首先启动门架支腿油缸,使门架作微倾15°,以便吊插管桩。起吊管桩时先拴好吊装用的钢丝绳及索具,然后应用索具捆绑桩上部约500mm处,起吊管桩,使桩尖垂直对准桩位中心,缓缓插入土中,回复门架,在桩顶扣好桩帽,卸去索具,桩帽与桩顶之间应有相适应的衬垫,一般采用硬木板,其厚度为100mm左右。桩在打入前,可在桩的侧面画上标尺,以便在沉桩时记录入土深度。桩锤、桩帽和桩身要控制在同一轴线上,桩的垂直度偏差小于L/100,可采用2台经纬仪或吊锤成90°角跟踪观测控制,经纬仪或吊锤应设置在不受打桩影响处,并经常加以调平,使之保持垂直。由于桩打入过程中修正桩的角度较困难,因此就位时应正确安放。第一节管桩插入地下时,要尽量保持位置方向正确。开始要轻轻打下,若有偏差应及时纠正,通过桩机导架的旋转、滑动及停留进行调整,必要时要拔出重打。   如地层较软,初打时可能下沉量较大,宜采取低提锤,轻打下,随着沉桩加深,沉速减慢,起锤高度可渐增;同时,初打时保证落距在0.5-0.8米,全落距打桩时保证桩锤落距不超过1.2米。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。要注意尽量不使管桩受到偏心锤打,以免管桩受弯受权。打桩较难下沉时,要检查落锤有无倾斜偏心,特别是要检查桩垫桩帽是否合适。如果不合适,需更换或补充软垫。每根桩宜连续一次打完,不要中断,以免难以继续打下。打桩过程中应详细记录各种作业时间,每打入0.5-1m的锤击数、桩位置斜最后10击的平均贯人度和最后1m的锤击数等。
  若桩基施工区域旁有临近建筑物,打桩过程中应详细观察并记录周围建筑物沉降或上升情况,在建筑物上设置观察点或标志物,利用固定水准点进行对比分析,从而确定沉降或上升情况。若桩基施工区域与已有建筑物的距离过近,必要时需在两者之间增设防震隔离沟,防震隔离沟的设置可有效地降低了对临近建筑物的影响,防震沟的深度需比临近建筑物的基础深度至少低1米,宽度一般为1米左右,沟中满填黄砂,用来缓冲土的挤压力。
  4.常见问题及防治对策
  4.1出现“露桩和短桩”问题
  由于持力层高低起伏,勘测资料误差较大或勘测精度不够,施工中未能针对持力层起伏变化情况和持力层性质对桩长及时调整。持力层变硬,沉桩时难以继续打入,使桩身露出设计桩顶过多而形成露桩。或持力层变软,沉桩时贯入度太大,必需继续沉桩,造成短桩。出现问题首先从分析地质勘察资料入手,查清原因,必要时在持力层起伏变化较大处补充勘测。重要柱子位置针对性的布置钻孔查清持力层深度和性质。对露出地面的桩应截桩,截桩应优先采用机械截桩,先将不需截除的桩身端部用钢抱箍抱紧,然后沿钢箍用电锯开槽,再行扩大截断。如短桩则需要大开挖或做护筒开挖后用高标号砼接桩。
  4.2出现“斜桩”问题
  桩在沉入过程中,桩身垂直偏差太大(垂直偏差不得超过桩长的0.5%)形成斜桩。据有关资料介绍,倾斜偏位超过25cm的管桩,承载力就会明显不足。采用锤击式打桩时,桩不垂直,桩帽、桩锤及桩不在同一直线上。沉桩时遇到大块坚硬障碍物,把桩挤向一侧,发生偏斜。桩打入一定深度后发现桩身发生严重倾斜时,不能采用移动桩架来校正,以免把桩折断,应采取其他措施。合理布置桩位,尽量减少接桩,接桩要在桩尖穿过硬土层后进行。浅部遇到障碍物,无法排除时,先用钻机钻孔,将障碍物钻穿,然后再把桩植入孔内再沉桩。管桩打完后,进行深基坑开挖时,分层均匀进行,桩周土高差不能超过1米,坡顶不得堆土或停放挖土机械,不得用铲斗碰撞桩体。因基坑开挖方法不当或一次性开挖过深造成的斜桩,采用顶桩的办法处理。
  4.3出现“桩顶位移”问题
  沉桩过程中,相邻的桩产生横向位移或桩上升现象。主要是由于桩数较多,土层饱和密实、桩间距较小。在沉桩时土被挤到极限密度而向上隆起,相邻的桩一起被涌起。在软土地施工时,由于沉桩引起的空隙压力把相邻的桩推向一侧或涌起;另外桩位放线不准、施工中桩位标志丢失或挤压偏离或选择的行车路线不合理;土方开挖方法及顺序不正确等也会造成这种现象。因此沉桩期间不得同时开挖基坑,需待沉桩完毕后相隔适当时间方可开挖,一般宜两周左右;基坑开挖注意有一定排水措施,留置边坡。基坑边不得堆放土方,基坑较深应分层开挖;施工前认真按设计图纸放好桩位,设置明显标志,并做好复查工作,选择合理桩机行车路线。
  4.4出现“沉桩达不到设计要求”问题
  桩设计时是以最终贯入度和最终标高作为施工的最终控制。一般情况下,以一种控制标准为主,与另一种控制标准为参考,有时沉桩达不到设计的最终控制要求。主要原因:勘探点不够或勘探资料粗略,勘探工作以点带面。致使设计考虑持力层或选择桩尖标高有误,有时因为设计要求过严,超过施工机械能力或桩身砼强度;桩机及配重太小或太大,使桩沉不到或沉过设计要求的控制标高;桩身打断致使桩不能继续打入。 施工前应采取预防措施,首先探明工程地质情况,必要时应作补勘,正确选择持力层或标高;施工中严格执行操作规范,防止桩身断裂,同时打桩时随时注意桩身变化情况,及时做出调整。
  4.5出现“桩身断裂”问题
  桩在沉入过程中,桩身突然倾斜错位,当桩尖所处土质条件没有特殊变化,而贯入度逐渐增加或突然增大,桩身出现回弹现象,即可能桩身断裂。主要原因是桩身在施工中出现较大弯曲,在集中荷载作用下,桩身不能承受抗弯度;桩身在压应力大于混凝土抗压强度时,混凝土发生破碎;同时不排除桩的质量存在缺陷,使桩身局部强度不够,施工时在该处断裂;桩在堆放、起吊、运输过程中的不规范操作,也会产生裂纹或断裂。针对以上原因,施工前应首先清除地下障碍物。严格检查每一批桩的质量证明文件和外观质量,每节桩的细长比不宜过大,一般不超过30,否则是施工难度加大。在初沉桩过程中,如发现桩不垂直应及时纠正。桩打入一定深度发生严重倾斜时不宜采用移动桩架来纠正。接桩时,要保证上下两节桩在同一轴线上。桩在堆放、起吊、运输过程中,应严格按照有关规定或操作规程操作。当施工中出现断裂桩,应会同设计人员共同研究处理办法,根据工程地质条件、上部荷载及所处的结构部位,必要时采取补桩的方法。
  4.6出现“接桩处开裂”问题
  当施工完成后,进行小应变检测时发现桩身接桩处有缺陷,实际上表示接桩处可能有开裂现象。造成该问题的原因较多,比如采用焊接连接时,连接处表面未清理干净,桩端不平整。焊接质量不好,焊缝不连续、不饱满、焊肉中夹有焊渣等杂物。两节桩不在同一条直线上,接桩处产生曲折,压桩过程中接桩处局部产行生集中应力而破坏连接。焊接好停顿时较短,焊缝遇地下水出现脆裂。因此接桩前,必须保证连接部件清洁。接桩时,两节桩应在同一轴线上,焊接预埋件应平整服贴。接桩后,停顿时间要达到施工规范要求,如果地下水位较高,必要时可适当延长停顿时间。
  5.结束语
  对于目前越来越多的高层建筑工程而言,基础的施工往往成为其工作重点之一,其中预应力管桩基础则是一种普遍采用的基础类型,特别是静力压桩具有明显的环保优势。相对而言预应力管桩基础设计经验比较成熟,但由于施工中地质条件、施工环境等相关因素的复杂性及差异性,所出现的问题具有较多的不确定性,其处理经验尚不够全面。但随着预应力管桩技术的推广应用,以及对预应力管桩的理论和工程实践经验的不断积累,预应力管桩施工技术将会越来越完善。
  【参考文献】
  [1]建筑桩基技术规范(JGJ 94-1994).
  [2]预应力混凝土管桩静压施工规程(DB45/T36-2002).
  [3]锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程(DBJ/T15-22-2008).
  [4]预应力混凝土管桩,中国建材工业出版社.
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