预应力管桩在基坑围护中的应用

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  摘要:桩基础作为建筑工程强制性控制内容之一,是建筑工程质量控制重中之重。本文主要对近年来应用较广的预应力管桩技术进行了简要分析,尤其是静压法施工及注意事项,希望可以为相关单位提供一点参考。 
  关键词:预应力管桩;静压法;施工 
  中图分类号: U443 文献标识码: A
  预应力管桩的施工分静压式和打入式。当采用锤击法时,应根据桩径,壁厚,打入深度,工程地质条件及桩密集程度等合理选择桩锤;当采用静压法时,可以根据具体工程地质情况及桩基设计要求合理选择配重,压桩设备应有加载反力读数系统,对预应力混凝土薄壁管桩不宜采用抱压。静压高强预应力管桩具有施工工期短、质量稳定、承载力高、穿透力强、低噪声、无震动、无污染、运输吊装方便等特点,近年来已广泛运用。打入式的工艺与原来广泛使用的普通预制桩基本一致,工艺比较成熟;目前静压预应力管桩工程实践经验尚不够丰富,但随着静压预应力管桩技术的推广应用和发展,以及人们对静压预应力管桩的理论和工程实践经验的不断积累,其应用水平将会不断得到提高。 
  1 预应力管桩施工技术 
  预应力管桩施工技术有静压法、锤击法或预钻孔插桩等方法施工。锤击法沉桩机械通常采用柴油锤、液压锤,不宜采用自由落锤,其特点是穿透能力强、承载力高、施工成本较低,应用广泛,缺点是存在着噪音及振动污染。静压法施工的特点是成桩后承载力直观可预测,噪音和振动不明显,适合在市区人口密集地区施工,缺点是穿透能力差,对机械装备的性能要求较高,设备笨重,难于下到较深的基坑中施工,且有些靠基坑壁的边桩不能施工。在建筑密集的老城区或附近存在着对挤土效应敏感的设施的施工,则宜考虑钻孔插桩施工法或相应采取其他防护措施。随着人们环保意识的不断增强及城市对建筑施工噪音控制越来越严格,桩基础施工方法成为设计及施工首要考虑的问题,为解决过去沉桩产生的强噪音和废气污染,以及钻孔挖孔桩产生的水污染问题,静压法便应运而生。 
  静压法技术特点:本法利用电力,具有液压操作,自动化程度高,运转灵活,桩位定点精确,可提高桩基施工质量,施工无噪声、无振动、无污染。 沉桩采用全液压夹持桩身向下施加压力,可避免打碎桩头,混凝土强度等级可降低 1-2 级,配筋比锤击法可省钢筋 40%左右。施工速度快,压桩速度每分钟可达 2m,比锤击法可缩短工期 1/3。适用范围:本工艺标准适用于软土、填土、一般粘性土层中,特别适合于居民稠密和危房附近环境保护要求严格的工业与民用建筑的低承台桩基础施工。 
  2 施工准备
  2.1机具选择
  根据施工方法结合实际现场情况,选择桩机与桩锤。选择桩锤时,必须充分考虑管桩,必须对桩的重量、入土深度、地层岩分布、厚度作综合分析,再按照桩锤的特性进行选择的设计长度及地质情况与施工成本,并掌握各种锤的锤型和锤级(锤重)特性。桩锤的夯击能量必须克服桩的贯入阻力,包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等。锤重与桩重比必须相适应,一般情况下锤重与桩重比越大,打桩的效率也越高。如果桩锤的能量不能满足上述要求,则会引起桩头部的损坏,难以将桩送到设计标高。但当用大型锤打小断面的桩时,也会使桩产生纵向压曲或局部破坏。鉴于本工程现场实际情况和设计要求,我们采用锤击法沉桩。锤击法打桩机选用三点支撑滚管自行式柴油打桩机,锤型为 DD-45 柴油锤,冲击部分重4.5t,总锤9.6t,冲击力4 000 kN~5 000 kN。[[3]裴凤山.预应力管桩在软土地基处理中的应用[J].山西建筑,2011年。]
  2.2平整场地
  由于在淤泥质土层上施工,稳定性差,桩机自重大,振動力强,与地面接触面小,在施工中容易扰动土质造成桩机沉陷倾斜。为了防止施工中出现这种现象,提高地基承载力,应将原场地平整,铺上不小于50 cm 厚的工作垫层,工作垫层的材料可以用粒径不大于10 cm 弃碴,但是大块片石不能使用,否则施工时易引起桩位的偏差。[[4]裴凤山.预应力管桩在软土地基处理中的应用[J].山西建筑,2011年。]
  2.3桩位放样
  桩位放样时应根据设计要求及现场实际情况,确定打桩方案,按每台施工区域划分测量定位控制网,一般一个区域内根据每台桩机每天施工进度放样10 个~ 20个桩位,在桩位中心点用木桩打入地面,再在木桩上将桩中心点放出,用生石灰线按桩径大小圈定,以方便插桩和对中。沿线路方向每隔25 m设置一个水准控制点,与桩机应保持一定距离防止扰动。该控制点作为管桩标高的控制点,每周都要用全站仪复核、校正一次控制点的位置和标高。
  3 施工工艺
  施工流程:整平强夯后的场地→测量放样布置桩位→静压机拼装就位→吊管桩就位→试桩→正常压桩施工→接桩(桩长达不到设计要求)→截桩(桩长超出设计要求)→静压机移位→下一根管桩施工→重复前面的压桩工艺→绑扎桩帽钢筋→支模板→现浇水泥混凝土桩帽并养护→铺筑第一层碎石垫层并整平压实→铺设一层钢塑格栅→铺筑第二层碎石垫层并整平压实。
  1) 桩机就位。桩机设备进场后,先进行安装调试,然后移至桩位处就位,安装就位后应垂直平稳。在桩机移至桩位对中后,用两台经纬仪对桩机进行垂直度调正,使导杆垂直,打桩期间经常检查,随时保证导杆的垂直度。[[5]陈汉彪.预应力管桩处理客运专线铁路软土地基施工[J].山西建筑,2007年。]
  2) 吊桩。起吊前在桩身上划出以米为单位的长度标记,以便沉桩过程中记录每米锤击数。利用桩机自身携带的卷扬机具将管桩拖拉就位并起吊,将桩吊起后,将管桩准确对中桩位后,再用两台经纬仪(互成 90°) 双向调整管桩的垂直度,通过桩机导架的旋转、滑动及停留进行调整; 插入时的垂直度偏差不得超过0.5% ,确保位置及垂直度符合要求。第一节管桩( 底桩) 的对中调直对成桩的垂直度起到关键作用,调直可防止偏心锤击。如管
  桩发生偏斜,将桩拉起修正或者拔起再重新对中。当桩对中完毕后利用桩锤的自重将桩压入土中。
  3)锤击沉桩。柴油锤爆发力强,锤击能量大,工效高,锤击作用时间相对较长,落距能随桩端阻力的大小而自动调整,人为的控制因素较少。柴油锤的油门分4档,如选锤合理,一般只开到 2 档,这样桩不易被打碎,锤也不易受到损坏,还应做到“重锤低击”。遇到特殊的地质情况时,选锤应更加慎重。如持力层较薄,宜选择较低能量的桩锤,以防击穿;而需穿越厚度在 5m 以上的密实砂层或进入强风化层的话,则应选择能量较高的桩锤并采用“低击”的方法施打,避免因桩锤能量低而导致总锤击数偏高。[[6]欧德义.软土地基预应力管桩施工质量控制[J].工程质量,2006年。]施打过程中,用两个方向的经纬仪监控管桩垂直度,使得桩锤与桩帽和桩身的中心线应重合。(锤击桩机施打预应力管桩的各项参数见表2)
  
  4)接桩。当超过预制桩长度时,接头质量是管桩桩基质量的关键,均采用钢端板焊法。每段管桩沉管后,需要桩段对接时,应对接口的管端预埋钢箍进行除锈处理,对连接部位上的杂质、油污、水分也要清理干净。同时还应注意焊条的质量,在拼接处应由两个焊工对称进行环焊,焊接层数不小于两层,焊缝应饱满连接,并做好相应的后继防腐工作。[[7]李复军.预应力管桩在软土地基施工中的质量控制[J].广东建材,2012年。]管桩中心线与拼接管桩中心线偏差不大于2mm,焊接后焊缝应自然冷却,严禁用水冷却和焊完立即施打。对于一部分管桩在沉桩后桩顶标高超过设计标高时,要采取截桩措施(一般不宜截桩)。为确保截桩后的管桩质量,不得使用大锤硬砸。应使用截桩机械或手工方法,先将截桩处桩身下部一定范围用钢抱箍紧,或用混凝土堵住再沿其上缘用钢钎在桩身四周对称凿穿后再用锤打下。如须切断钢筋可用气割法进行。[[8]朱伟民.预应力管桩桩基施工的质量控制.[J].四川建筑,2005年。]
  5)送桩。如设计标高低于原地面标高,则借助送桩器将管桩打到地面下设计标高。
  6)收锤标准。收锤标准的确定因素较多,根据设计参数、地质条件及工程实践经验等因素结合起来确定。主要是抓住关键性控制指标: 最后贯入度、最后1m 锤击数、进入持力层深度等要素,才能保证桩达到设计要求。本工程按设计要求,桩类型为摩擦桩,以满足设计有效桩长为主结合贯入度控制的原则收锤。确定管桩端地层符合设计时,最后贯入度不宜小于20 mm/10 击; 当持力层为基岩风化层时,最后贯入度可适当减少,但不宜小于20 mm /10 击。[[9]裴凤山.预应力管桩在软土地基处理中的应用[J].山西建筑,2011年。]
  
  4、施工注意事项 
  设计从质量的稳定性和经济性等方面考虑,一般都会选用挤土桩,可是挤土效应和振动影响制约了其在城区的使用,因而城区多采用静压法施工。预应力管桩施工中最典型的问题是挤土效应,下面重点介绍。 
  1 静压桩挤土效应防治。预应力管桩属于挤土类型,往往由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动,改变了土体的应力状态,产生挤土效应;桩机施工过程中焊接时间过长;桩的接头较多而且焊接质量不好或桩端停歇在硬夹层;施工方法与施工顺序不当,每天成桩数量太多、压桩速率太快、布桩过多过密,加剧了挤土效应。静压施工前应根据场地周边环境条件及工程地质情况,制定切实可行的施工方案,采用经济、有效的技术措施,减少挤土效应所造成的危害,保证静压施工的顺利进行。 
  2 配桩問题。桩长控制,预应力混凝土管桩的表面虽然光滑,但是属于摩擦桩,设计一般以桩长作用静压桩的控制止压条件,就是说根据地质土层分布情况,桩长达到设计要求的数值已经有足够的摩擦力承受上部荷载。而现场实际操作则未必与设计相符,当小于设计要求长度时,监理方应通知设计院,要求对已经无法继续下压而桩长不满足要求的桩的承载力进行核算看是否满足设计要求,出书面通知,如不够时是否采用加桩处理等,管桩是属于挤密桩,桩尖下的土层受压后形成向上的应力,就算当时是能满足承载力要求,而随着时间的推移,此处的应力会逐渐消失,如果桩周摩擦力不能满足设计要求时,会在建筑物建设或使用过程中随着荷载的增加而出现意想不到的下沉,对建筑物的结构产生巨大的影响。 
  作为一个有经验的施工单位,在管桩施工前必须做配桩计划,依据是地质勘察报告和设计要求的桩长,根据持力层的等高线图可以预计到管桩施工时能达到的有效桩长,根据这个配桩方案进行管桩的采购、桩长是否与设计要求相符判断等方面的工作,由于没有做这项工作引起现场管桩长度过大,损失只能由施工单位承担,如果是按配桩方案执行却由于地质突变原因造成长桩剩余,则需与甲方协商,对此部分的桩做适当的补偿。 
  3 特别注意事项。压桩过程中,对周围的建筑物包括已完成的桩基,一定要采取切实可行的位移、沉降监测措施,这是整个施工过程中的重中之重。对桩的上浮、桩平面位移的监测,监测的数据需详细记录,及时统计、分析比较,当发现桩有较大上浮时,说明挤土效应的不利作用已经产生。此时应作出相应的调整措施,如放慢施工速度。在土方开挖过程中,要注意开挖方式,严禁各种机械的运行引起未开挖之土向已开挖方向蠕变,对管桩形成单侧压力,加强施工过程中基坑土体位移的监测,要求落实专人负责基坑的集水排水工作,严格控制开挖分层厚度。为避免机械碰撞桩身,可考虑在桩周围 30~50cm 范围内的土方用人工开挖。 
  5、预应力高强管桩作为基坑支护结构在设计和施工过程应注意如下几方面:
  (1)设计计算时对于各层地质的岩土参数取值应合理。
  (2)设计时应考虑是管桩的施打是否有足够的场地,有时基坑与已建建筑物靠得太近,桩机则无法靠近施压(打)。
  (3)设计时应清楚了该工程的地质情况,因为管桩的使用受到很多不利地质条件的限制,比如孤石和障碍物多的地方;有坚硬夹层;石灰岩地层;还有就是密实粉细砂较厚时,如果采用静压桩,有可能很难压下管桩。
  (4)因为管桩本身没法做成止水帷幕,如果地下水位较浅时,还应考虑基坑止水设计。
  (5)设计时还应考虑桩长,不可过长而导致接桩的现象。
  (6)施压(打)桩时应控制施质量,不可打断、打裂桩身,如果桩身结构受到损害将大大降低桩身的承载能力,影响基坑支护。
  参考文献 
  [1] 史佩栋,高大钊,钱力航.21 世纪高层建筑基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:5-6 
  [2] 王杰.预应力管桩设计理论及其工程应用研究[D].湖南大学工程硕士学位论文,2009
  [3]《深基坑工程》(第2版) 陈忠汉 黄书秩 程丽萍 编著
  [4]《理正深基坑操作说明》(北京理正)
  [5]《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ/T15-22-2008)
  [6]《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012
  [7]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008) 
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