先张法预应力静压管桩的应用和检测

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   摘要:先张法预应力管桩在建筑桩基中大量使用。重点介绍了混凝土预应力管桩性能类型、特点及适用范围,施工工艺、施工技术要点、质量验收及检测技术,并结合实际工程介绍了预应力管桩在施工中应注意的问题。
  关键词:静压管桩 适用范围 施工技术 检测技术
  中图分类号:TU473.1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)12(a)-0000-00
  
  
  1 引言
   先张法预应力管桩已在建筑地基基础处理中运用,经过十多年来的改进和完善,其设计和施工技术已相对成熟,并在我国各大工程的应用中得到了证明。该项技术在施工过程中具有噪音低、无震动、无污染、施工快等特点,具有技术先进、安全适用、经济合理、质量易控制等特性。随着建筑业的蓬勃发展,新材料、新工艺、新技术的不断涌现,先张法预应力管桩也由原先的低压桩力(800~1600kN)发展到高强(C80)型高压桩力(800-6000kN),其桩径也由原来的小规格(Ф300~400mm)发展到现有的大规格桩径(Ф300~1000mm)。本文重点介绍了混凝土预应力管桩材料性能及适用范围、施工工艺及技术、验收检测中的控制要点。
  
  2 预应力管桩类型和适用范围
  2.1 预应力管桩类型
   预应力管桩包括预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC,混凝土强度≥60MPa)、预应力混凝土管桩(代号PC,混凝土强度≥60MPa)和预应力高强混凝土管桩(代号PHC,混凝土强度≥80MPa)三种,桩长一般为7~15m,短桩根据施工需要可直接由厂家专门制作。PC桩和PHC桩外径一般为300mm、350mm、450mm、550mm、600mm、800mm和1000mm等规格,壁厚一般为60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、100mm、110mm、130mm和140mm等几种。PTC桩外径一般为300mm、350mm、400mm、500mm、550mm、600mm、700mm 和800mm等规格,壁厚为50mm、55mm、60mm、70mm和80mm等几种,也可根据设计要求委托厂家另行制作。桩尖形式根据不同的地质情况采用封口型(又分为十字型和圆锥型)和开口型。工程中应用较多的为PHC桩,常用PHC管桩的技术指标如表1所示。
  2.2 适用范围
   管桩适用于抗震设防烈度≤7度的地区,当用于8度地区时,所选桩型的各项力学指标满足建筑物桩基的实际受力状况时可选用。管桩适用于素填土、杂填土、淤泥、淤泥质土、粉土、粘性土、碎石土等,不适用于密实且较厚的砂土层及风化岩层。一般选择较硬土层作为桩端持力层(如强风化或全风化岩层,坚硬粘性土层、密实碎石土、砂土、粉土层等)。桩端全面进入持力层的深度(不包括桩尖部分)对于粘性土、粉土不宜小于2.5d,砂土不宜小于2.0d,桩基以下硬持力层厚度不宜小于4.0d(d为桩身截面直径)。管桩用于摩擦桩或端承摩擦桩穿越坚硬土层较薄时,宜选用A、AB型桩,当用于端承桩或摩擦端承桩且需穿越一定厚度较硬土层时,宜选用AB、B型桩。
  
  3 施工技术实例
  3.1 施工准备
   3.1.1 工程概况及场地要求
   本工程建筑面积5万平米,框架结构,抗震设防烈度7度,安全等级为二级。施工前将场地大面积深度积水通过专用泵站抽干后,土质呈松软淤泥状,且有下陷性,项目监理机构进场后发现不利于桩机作业,监理机构向业主提出了场地必须先进行处理后方可施工,后经业主采纳回填800~1000mm厚建筑垃圾。由于西侧距农民群体宅基地较近,且这些民房多为砖混式空斗墙结构,结构性能较差,为防止挤土效应对这些建筑物的影响,施工之前先在桩基位置外侧开挖防震、防挤地沟。
  
   3.1.2 机械选择
   静压桩机选择见表2,因本工程桩径为Φ300~400,压桩力为1600kN,单桩承载力最高1050kN,施工单位申报,经监理确认选择3YZYl60—180型桩机。
   3.1.3 材料准备
   管桩进场应提供生产厂家资质证书,材料质保书和检测报告,混凝土强度应达到100%的设计值,且混凝土龄期应大于7d (锤击施工应大于14d)。管桩的堆放应保证场地平整,堆放时应设垫枕,垫枕中心位置离桩两端0.207L处(L为桩长),并设置防滑、防滚措施。堆放层高控制:Φ400mm桩≤5层,Φ400mm~Φ500mm桩≤4层,Φ500mm~Φ600mm桩≤3层,Φ700mm~Φ800mm桩≤2层等。桩进场后应逐个验收,监理工程师应对外观质量及尺寸偏差进行验收,可泼水检查桩身是否有裂缝,其尺寸允许偏差见表3。
   3.2 压桩技术
   3.2.1 工艺流程
   静压预应力管桩施工工艺流程为:测量定位→桩基就位→压第一节桩→焊接接桩→压第n节桩→终压→移机。
   3.2.2 测量定位及桩机就位
   根据规划红线图,结合设计桩位图进行桩位的平面放样,并在有利位置选择几个控制点,利于检查与核对,同时将主轴线引测至桩基施工场区以外,标注上各轴线名称,测量放样完毕自检合格后,填写定位放线验收记录表,报监理工程师复验。
  静压桩机移至压桩位置,将桩机调整水平,并将夹桩器的中心对准桩位中心。
   3.2.3 压桩
   压好第1节桩是保证整根桩施工质量的关键,第一根桩的定位及垂直度应严格控制。桩机正、侧两方向10~15m处设置两台垂线架或设立经纬仪观测桩身前后、左右的垂直度,桩插入土中定位时的垂直度控制在0.5%之间,若超过此偏差值应将桩拔起,重新调整机身水平度。
   施工过程中经常遇到地下障碍物影响正常压桩,遇到此类情况,浅表障碍可用人工或挖土机进行清障,障碍清除后重新覆土沉实后再施工。也可采用送桩杆进行引孔,一般比较脆弱的障碍物均能击穿或挤偏到一边。如无法清障的情况下应报设计重新调整桩位。
   每根桩应一次连续压(送)到底,接、送桩中间不得无故间歇,尽量缩短休歇时间,尽可能避免在接近设计持力层时接桩。
   桩帽与送桩杆底端接触处应设置弹性衬垫,未能压到设计标高,高出地面的桩应及时截除,防止机械碰撞或影响桩机行走,切不可用做拉锚点。送桩遗留的桩孔应及时覆盖,防止桩机行走地面下陷及土石掉入桩腹腔内或给行人带来安全隐患。
  压桩过程中,注意观察桩尖入土情况,同时观察油压力表,控制压桩阻力,调整桩机压力同步平衡,压入第一节时,暂停送油压,复测桩身垂直度后方可继续施压,施工过程中应实事求是地记录好压桩时间及压入每米桩长的压力表读数,以判断压桩质量及承载力。
  当遇到压力值突然下降、桩身混凝土剥落、破碎、桩身突然倾斜、位移、桩周涌水、地面明显隆起、邻桩上浮或位移、压桩力在终压时仍达不到设计值或压桩长度未达到设计值时压桩力已满足要求等情况下,应对照地质资料分析查找原因,以便妥善处理压桩过程中遇到的问题,必要情况下暂停压桩,并及时与设计、监理等有关人员联系,研究处理方案。
   3.2.4 接桩
   接桩焊接应满足《钢结构工程施工及验收规范》(GB50205-95)二级焊缝的要求,本工程接桩采用CO2气体保护焊,依靠焊丝和焊件之间产生电弧来熔化金属进行焊接,此种焊接方法能保证焊接过程中的稳定性。CO2的纯度要求不低于99.5%,否则会影响焊缝物理性能和产生气孔。
  管桩焊接时,其入土部分桩身的桩头宜高出地面0.5~1.0m,以方便操作。对接前应用钢丝刷清上、下桩节的端板,坡口处应刷至露出金属光泽,上下对接偏差≤2mm。
   如采用电焊条焊接时,焊条宜采用E43,焊接层数宜为三层,不得少于二层,内层焊渣必须清理后再施焊外一层。焊接时宜先在坡口周围上对称点焊4~6点,两人对面对称焊接,焊缝必须连续饱满,不中断,尽量缩短压同一根(节)桩的停顿时间。
   焊好的焊接接头应自然冷却后,才能继续沉桩,自然冷却时间不应小于8min,严禁用水冷却和焊好即沉,焊接应按隐蔽验收进行,焊好后报监理工程师验收,并填写预制桩隐蔽验收记录。
  
  4 质量控制要点
   管桩在吊运时应轻吊轻放,严禁碰撞、滚落,吊点位置在桩身两端0.207L处。施工时吊点位置控制在0.293L处。管桩堆放超过2层时应用吊机取桩,严禁拖桩,不超过2层时可用废旧轮胎等弹性材料保护桩端进行拖拉取桩。
   压桩顺序应自中间向两个方向或四周对称施打,根据设计标高打桩顺序先深后浅。
  为避免和减少沉桩挤土效应对四周建(构)筑物、地下管线等影响,在施工大面积密集群桩时,可采用以下辅助措施,同时对周围建筑物的变形进行监测,并做好记录:①在场地四周开挖防震、防挤地沟,并可与其他防护措施结合使用;②设置隔离板桩或地下连续墙;③全部或部分群桩可采用引孔沉桩;④设置袋装砂井或塑料排水板,以清除部分超孔隙水压水;⑤尽可能采用开口型桩尖。
   对有孤石较多的地质部位的桩的施工可采用送桩杆先进行引孔,再压桩,配桩时应根据地质报告和实际情况确定配桩计划,并考虑同一承台的桩接头位置应错开,压桩过程中,应控制沉桩速率,以减少地基中孔隙水压力的增长速率,防止对周围土体及相邻桩产生挤压,使桩位产生偏移,土方开挖时应做好成品保护,编制具有可操作性的土方开挖方案报监理审批,避免挖机在桩顶端及与桩较近的位置行走和挖铲碰撞桩体。土方开挖应在压桩结束2周以后进行,采用分层均匀开挖,桩间土尽量采用人工掏挖。
  截桩应采用专用割桩器截割,严禁采用大锤敲击或用挖机扳拉截桩。
  
  5 检测和验收
  5.1 检测
   桩基的检测数量、检测方法及受检桩的选择应符合《建筑基桩检测技术规范》(JGJl06-2003[S])规定,并由建设、设计、监理、施工四方相关人员共同选桩,形成选桩记录,必要时邀请质监及有关专家共同参与。
   5.1.1 静载检测
   (1)检测数量
   当①设计等级为甲级、乙级的桩基;②地质条件复杂、桩施工质量可靠性低;③本地区采用的新桩型或新工艺,这三种情况有一种时应采用静载试验检查单桩竖向抗压承载力,检测数量同一条件下不少于3根,且不宜少于总桩数的1%,当工程桩在50根以内时不应少于2根。
   (2)检测数据分析和判定
   单桩竖向抗压极限承载力Qu可按下列方法综合分析确定:1)根据沉降随荷载变化的特征确定:对于陡降型Q-S曲线,取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。2)根据沉降随时间变化的特征确定:取S-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。3)对于缓变型Q-S曲线可根据沉降量确定,宜取S=40mm对应的荷载值;当桩长大于40m时,宜考虑桩身弹性压模量;对于直径大于或等于800mm的桩,可取S=0.05D(D为桩端直径)对应的荷载值。
   单桩竖向抗压极限承载力统计值的确定应符合下列规定:1)参加统计的试桩结果当满足其极差不超过平均值的30%时,取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。2)当极差超过平均值30%时,应分析极差过大的原因,结合工程具体情况确定,必要时可增加试桩数量。3)对桩数为3根或3根以下的柱下承台,或工程桩抽检数量少于3根时,应取最低值。
   5.1.2 高应变检测
   (1)检测数量
   高应变检测的目的:①判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求;②检测桩身缺陷及其位置,判断桩身完整性类别;③分析桩侧和桩端土阻力。高应变抽检数量不宜少于总桩数的5%,且不得少于5根。
   (2)检测数据分析和判定
   单桩承载力的统计和单桩竖向抗压承载力特征值的确定应符合下列要求:1)参加统计的试桩结果,当满足其极差不超过平均值的30%时,取其平均值为单桩承载力统计值。2)当极差超过30%时,应分析极差过大的原因,结合工程具体情况综合确定,必要时可增加试桩数量。3)单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值Ra应按得到的单桩承载力统计值的一半取值。
  桩身完整性判定可采用式(1)、式(2)计算:
   β= (1)
  x=c× (2)
  式中:β—桩身完整性系数;—缺陷反射峰对应的时刻(ms);x—桩身缺陷至传感器安装位置的距离(m);Rx—缺陷以上部位土阻力的估计值,等于缺陷反射波起始点的力与速度乘以桩身截面力学阻抗之差值;
  Z——桩身截面力学阻抗(kN·s/m);L—— 测点下桩长(m);t1——速度第一峰对应的时刻(ms);
  F(t)——t时刻的锤击力(KN); V (t)——t 时刻的质点运动速度(m/s);c——桩身波速(m/s)。
   5.1.3 低应变检测
   (1)检测数量
   低应变法检测的目的:检测桩身缺陷及其位置,判断桩身完整性类别。低应变检测数量不应少于总桩数的20%,且不得少于10根,当遇到施工质量有怀疑桩、设计方认为重要的桩、局部地质条件出现异常的桩或施工工艺不同的桩的情况下应适当增加抽检数量。桩身完整性可按表5确定。
   (2)检测数据分析与判定
   桩身缺陷位置应按式(3)、式(4)计算:
   式中:x—桩身缺陷至传感器安装点的距离(m);tx—速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差(ms);c—受检桩的桩身波速(m/s);’—幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差(Hz)。
  5.2 验收
  土方开挖后,由项目监理机构组织桩基、总包、设计、建设并邀请质监站等单位相关人员组织桩基工程竣工验收,验收检验批按每台班、每桩机、同规格进行划分,对桩位超过规范偏差值的应报设计人员确认是否要重新处理。
  
  6 结语
   先张法预应力静压管桩正处于推广应用阶段,施工工艺及材料的质量控制是把好工程质量的关键。设计人员应根据勘察资料对桩型进行合理选择;勘察单位对地质较复杂的地段应增加勘察钻孔,以便为设计提供合理的设计依据;施工企业应加强材料的施工前检验及施工工艺的合理设计;监理企业应对压桩及土方开挖的施工方案进行认真审核,并对桩位的定位、压桩力及标高、桩身垂直度进行督促检查。
  
  参考文献
  [1] 江苏省建设厅《先张法预应力混凝土管桩基础技术规范》.苏JG/T011-2003[S].
  [2] 江苏省工程建设标准设计站《先张法预应力混凝土管桩》.苏G03-2003[S].
  [3] 《建筑基桩检测技术规范》.JCJl06-2003[S].
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