预应力混凝土管桩的工程应用实践

1　预应力混凝土管桩行业的发展及现状

　　预制混凝土管桩包括预应力混凝土管桩(代号PC管桩) 、预应力高强混凝土管桩(代号PHC管桩) 及先张法薄壁预应力混凝土管桩(代号PTC管桩) 。1984年广东省构件公司、广东省基础公司和广东省建筑科学研究所合作,研制成功新型接桩形式的PC管桩, 将以往法兰接口桩接头连接改为焊接连接[ 1 ]、[ 2 ]。1987年交通部第三航务工程局从日本全套引进预应力高强混凝土管桩生产线, 主要规格为D = 600～1 000 mm。1987～1994年, 国家建材局苏州混凝土水泥制品研究院和广东番禺市桥丰水泥制品有限公司在有关科研院所的合作下, 通过对引进管桩生产线的消化吸收, 自主开发了国产化的PHC管桩生产线。20世纪80年代后期, 宁波浙东水泥制品有限公司在有关研究院所的合作下, 针对我国沿海地区淤泥软土层较多的特点, 通过对PC管桩的改造, 开发了PTC 管桩, 主要规格有D = 300 ～600 mm。经过近20年来的快速发展, 据不完全统计, 目前国内共有管桩生产企业约300 家, 年销售额200 多亿元,管桩的规格D = 300～1 200 mm。预应力混凝土管桩已被广泛应用到高层建筑、民用住宅、公用工程、大跨度桥梁、高速公路、港口、码头等工程中。本文主要论述预应力混凝土管桩在建筑工程中的工程应用。

2　预应力混凝土管桩性能特点

　　建筑工程桩基础中普遍采用的桩型有预应力混凝土管桩、钢筋混凝土预制方桩、钻孔灌注桩和钢管桩, 桩型的选择主要依据施工条件和工程造价来确定。表1对这4种桩型的应用特点进行了总结对比[ 3 ]。

3　预应力混凝土管桩的工程实践

3、1　工程概况及地质资料

    本工程为浙江省温州市某购物中心项目, 建筑高度221450 m。地下部分为1层地下车库,深度315 m,建筑面积为84 682 m2 ;地上部分为3～4层商业建筑,采用钢筋混凝土框架结构,建筑面积143 279 m2。

    依据地质报告场地地下水位位于地下室底板以下,故本工程基础设计不存在抗浮问题。场地地质资料情况详见表2。

3、2　桩型经济性分析

    温州市当地常用桩型有预应力混凝土管桩、钢筋混凝土预制方桩和当地一种简易灌注桩。结合地质报告及当地经验,穿越第四层圆砾层(该层厚度起伏,故不适合作为桩基的持力层)不存在问题,故选取5 - 2层土作为桩基持力层并进入持力层118m。依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007- 2002) [ 4 ]和《建筑桩基技术规范》(JGJ 94 - 94) [ 5 ] ,本文分别给出了这三种桩型的单桩承载力,并且每种桩型各取两种规格进行对比分析。具体数据详见表3。

    分析表3中的数据可以看出:从材料用量上比较,预应力混凝土管桩与钢筋混凝土预制方桩相当,管桩比方桩耗用混凝土略少,两者都远比灌注桩经济高效。虽然本工程不存在抗浮问题,但不难看出钢筋混凝土预制方桩提供抗拔力最有效,所以一般抗拔桩优先考虑采用预制方桩;而预应力混凝土管桩由于接头连接问题(桩与承台、桩与桩)比较麻烦,因此在工程实践中较少作为抗拔桩使用。一般混凝土管桩的钢筋用量比方桩少50～60%。综合考虑施工条件、工程造价及柱底上部结构传来的荷载值,本工程选用PHC管桩[ 2 ] ,管径为500 mm,桩长为52 m。

3、3　单桩承载力的确定

    应当指出:采用现行规范设计公式计算确定的管桩单桩竖向承载力往往较单桩实际承载值小很多。单桩承载力特征值定得很低,会造成很大的浪费,显现不出预应力管桩的优越性,也不利于管桩的推广应用。设计时不应该仅按现行规范公式计算单桩承载力,而应该通过静载试验来确定单桩承载力特征值。本工程在桩基全面施打前进行了12根试桩及静载试验,图1为1#和4#试桩Q - S 曲线。从图中曲线可以看出两根试桩的单桩极限承载力均大于3 450 kN。最终确定取用的单桩承载力特征值为1 700 kN。本项目共用管桩3488根。

4　预应力混凝土管桩的施工问题

　　沉桩方法及设备的选择和确定合理的施工控制参数是确保桩基工程质量的核心,本节结合实际工程就这两方面的问题进行展开讨论[ 1 ]、[ 3 ]。

4、1　沉桩方法和设备

    目前,预应力混凝土管桩的沉桩工法主要有静压法和锤击法。静压法施工通过静力压桩机将桩压入土中,具有无噪音、振动很小、无空气污染等优点,很多城市市内严格要求管桩必须使用静压法施工。但压桩机对场地的地基承载力要求较高,且机器占地面积较大,这也限制了静压法施工工艺的使用范围。而锤击法具有施工灵活、桩机对地基耐压力要求低、进退场容易、施工进度快、效率高、操作方便、地层穿透性能良好等优点。经过多年的使用经验,锤击法的运用已经非常成熟,目前该施工方法仍占有70%的市场份额,以柴油锤为主。本工程亦选用柴油锤锤击法进行沉桩。锤击法施工机具应按“重锤低击”的原则选取,尽量避免小锤打大桩和高承载力的桩。上述工程试打桩过程中,起初施工单位在穿越场地第四层土———圆砾层时,遇到了沉桩困难的问题,后经过置换大号的柴油锤型号,采用重锤低击等措施解决了穿越圆砾层的问题。

4、2　锤击法施工控制参数

 

    影响确定收锤标准的因素有:场地工程地质条件、单桩承载力设计值、桩的规格和长短、锤的大小和落距(冲程)等因素。综合考虑最后贯入度、桩入土深度、总锤击数、每米沉桩锤击数、最后1 m沉桩锤击数、桩持力层的岩土类型、桩基进入持力层的深度、桩垫弹性压缩量等。上述因素中尤以达到持力层、最后贯入度或最后1 m沉桩的锤击数为主要指标,其它指标可以根据具体情况有选择地作为参考指标。桩端达到持力层作为定性控制,最后贯入度或最后1 m沉桩的锤击数作为定量控制。作为摩擦桩,原则上收锤标准是以设计桩端标高和桩长作为主要控制指标;而端承桩则是以最后贯入度作为主要控制指标。本工程基础工程桩为摩擦桩,因此沉桩过程中以设计桩端标高和桩长作为主要控制指标,辅以最后贯入度作为参考指标,来进行施工控制。最终成桩过程顺利,且经过静载试验,承载力均符合设计要求。

5　结束语

　　本文结合工程实例论述了预应力混凝土管桩在建筑工程应用中的优势,并探讨了管桩施工中的沉桩工艺和施工控制参数两个关键问题。作为一种相对成熟的工程产品,管桩已得到了广泛的应用,但其应用仍有一定的局限性。笔者认为预应力混凝土管桩的发展方向是大直径和改良拼接工艺,相信预应力混凝土管桩今后必将在建筑工程中得到更为广阔的应用。

参考文献

[ 1 ] 　徐至钧,李智宇. 预应力混凝土管桩基础设计与施工[M ]. 机械工业出版社, 2005.

[ 2 ] 　03SG409. 预应力混凝土管桩图集[M ].

[ 3 ] 　顾小鲁,钱鸿缙,刘惠珊,等. 地基与基础(第三版) [M ]. 中国建筑工业出版社, 2003.

[ 4 ] 　GB50007 - 2002 建筑地基基础设计规范[ S].