预应力管桩是工厂化制造的水泥制品 , 具有生产工艺稳定 , 桩体质量可靠 , 桩身砼强度高 , 耐锤打性好 , 贯穿能力强 , 单桩承载力高 , 单桩承载力价格便宜等特点 . 对不同地质条件适应性强 , 施工速度快 , 工期短 , 施工现场简洁文明 , 成桩质量监测方便 . 因而 , 预应力管桩在世界各国得到了广泛应用 . 在国内的华南及华东地区预应力管桩正被广泛应用于工民建、港口、码头、水利建设中 . 现在高速公路软土地基处理中 , 预应力管桩也开始被引 入 . 对于深度 20m以上的软基处理 , 管桩具有一定的优势 , 主要在于其桩身质量可靠 , 克服了水泥搅拌桩在大深度条件下的质量不稳定 , 施工困难等缺点 .
1 预应力管桩的加固机理
公路工程中预应力管桩与周围土形成复合地基 , 提高了复合地基的承载力 , 增加土基稳定性 , 桩对土基还具有一定的挤密作用 . 预应力管桩作为一种刚性桩 , 为充分发挥其高承载力的优势 , 均要求设置桩帽 , 桩帽尺寸在排列允许的条件下尽可能较大 . 同时 , 为改善复合地基的整体工作性 , 可在桩帽上设置垫层 , 以便于路基荷载的应力扩散 . 具体承载力计算如下 :
1 1 1 单桩垂直极限承载力的确定
当进行静载荷载试桩时 , 单桩垂直极限承载力设计值应按下式计算 .
Q d = Q k / C R
式中 :Q d ))) 单桩垂直极限 承载力设计值 ( kN );Q k ))) 单桩垂直极限承载力标准值 ( kN ), 当试桩数量 n E 2 , 且各桩的极限承载力量大值与最小值之比值小于或等于 1 1 3 时 , 应取其平均值作为单桩垂直极限承载力标准值 ; 其比值大于 1 1 3 时 , 应经分析确定 ; C R ))) 单桩垂直承载力分项系数 . C R 取 1 1 3 , 当地质情况复杂或永久作用所占比重较大时 , C R 取1140 .
1 ) 凡允许不作静载荷试验的工程 , 可根据具体情况采用承载力经验参数法或静力触探等确定单桩垂直极限承载力 .
2 ) 当按承载力经验参数法确定单桩垂直极限承载力设计值时 , 应按下式计算 :
Q d = ( U 2 q fi l i + q R A)/ C R
式中 :Q d ))) 单桩垂 直极限承载力 设计值 ( kN ); C R ))) 单桩垂直承载力分项系数 . C R 取 1 1 45 , 当地质条件复杂或永久作用 所占比重较大时 , C R 可取11 55 ; U ))) 桩身截面周长 ( m );q fi ))) 单桩第 i 层土的极限侧摩阻力标准值 ( kPa ). 如无当地经验值 , 对预制 砼挤土桩可按文 献 [ 1 ] 表 3 1 2 1 3 - 1 采用 ; l i ))) 桩身穿过第 i 层土的长度 ( m );q R ))) 单桩极限桩端阻力标准值 ( kPa ). 如无当地经验值时 , 对预制砼挤土桩可按文献 [ 1 ] 表 3 1 2 1 3 - 2 采用 ;A ))) 桩身截面面积 ( m2).
3 ) 凡允许不作静载荷试桩的工程 , 其单桩抗拔极限承载力设计值可按下式计算 :
T d = ( U 2N i q fi l i + G cos A )/ C c R
式中 :T d ))) 单桩抗拔极限 承载力 设计值 ( kN ); C c R ))) 单桩抗拔承载力分项系数 . C R 取 1 1 45 , 当地质条件复杂时 , C R 取 1 1 55 ; N i ))) 土类折减系数 . 对粘性土取 0 1 7 ~ 0 1 8 ; 对砂土取 0 1 5 ~ 0 1 6 . 桩的入土深度大时取大值 , 反之取小值 ;G ))) 桩重力 (kN ), 水下部分按浮重力计; A ))) 桩轴线与垂线夹角( b ).
4 ) 对重要工程和地质复杂的工程 , 以及其他情况影响桩的垂直承载力的可靠性 , 宜采用高应变动力试验法对单桩垂直承载力进行检测 . 检测桩数可取总桩数的 2 % ~ 5 %, 且不得少于 5 根 . 采用动力试验法对桩承载力进行检测时 , 应符合国家现行标准规定 .
5 ) 当遇下列情况时 , 在基桩设计中宜考虑负摩阻力的影响 :
¹ 桩身通过新近沉积或人工填筑的土层 , 该土层在其在其自重力作用下仍未固结稳定 ;
º 桩台附近地面有大面积堆载时 ;
» 存在有其他会引起桩入土范围内的土层产生压缩的因素时 .
1 1 2 复合地基承载力计算
应用控沉刚性疏桩技术形成的复合地基 , 其承载力可按下式计算 :
Q SP = mQ d /A 1 + B ( 1 - m) Q SK
式中 :Q SP ))) 复合地基承载力 ( kPa ); B ))) 桩间土应力发挥系数 , 取 0 1 9 ; Q SK ))) 天然地基承载力 , 根据试验设计值求得 ( kPa );Q d ))) 桩的设计承载力( kN) ;m ))) 置换率 ; m 1 ))) 有桩帽的组合单桩形成复合地基的置换率 ( 正方形布桩 ), m 1 = A 1 /A;A 1 ))) 桩帽 面积 ( m2);A ))) 加 固 总 面积 ( m2); m 2 ))) 单根桩与复合地基置换率 ; m 2 = AP/A; 其中 :A P ))) 桩的载面积 ( m2) .
当仅采用单桩加固地基时 , 式中 m 用 m2代入 .其桩数可按下式计算 :n = m A /A p
2 预应力管桩分类与生产工艺
2 1 1 分类
先张法预应力管桩按砼等级分为 : 预应力砼管( 代号 PC ) 、 预应力砼薄壁管桩 ( 代号 PTC ) 和预应力高强度砼管桩 ( 代号 PHC ). 按外径分为 : 5 300mm 、5 350mm 、5 400mm 、5 450mm 、5 500mm 、5 550mm 、5 600mm 、5 800mm 和 5 1000mm , 按管桩抗弯性能分为 A 、AB 、B三种型号[ 1 ]
2 1 2 原材料要求
水泥 : 采用标号 \ 525#的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥 , 其质量要求应分别符合GB175 、 GB1344 的规定 , 禁止使用火山灰质硅酸盐水泥[ 1 ]
钢筋 : ¹ 预应力钢筋宜采用预应力砼用热处理钢筋 ( 但必须具有良好的可镦性 ) 、 预应力砼用筋或预应力砼用钢铰线 , 亦可采用冷拉热轧变形钢筋 , 其质量应分别符合 GB1499 、 GB4463 、 GB5223 、 GB5224 、GBJ204 的规定 . º 螺旋筋应采用 I 级冷拔低碳钢丝 , 其质量要求应符合 GBJ 204 的规定 . » 架立圈应采用普通低碳钢热轧圆盘条或热轧变形钢筋 , 其质量要求应分别符合 GB701 、 GB1499 的 规定 . ¼ 端部锚固钢筋应采用普通低碳钢热轧圆盘条或热轧变形钢筋 , 其质量要求应分别符合 GB701 、 GB1499 的规定 . ½ 端板、桩套箍和法兰盘所用钢材为 A 3 或 AY 3 钢板 , 其质量要求应符合 GB700 的规定 . 砼 : PTC 桩砼为 C60 级 , PHC 桩砼为 C80 级[ 1 ]
2 1 3 运输堆放注意事项
1 ) 管桩虽由高强度砼制成 , 但质地脆、 又属长细构件 , 起吊、 运输时 , 严禁碰撞、 跌落 . 运输时还必须绑紧 , 避免因路面不平 , 使管桩出现 / 掷、抛现象 0 .
2 ) 工地存放管桩 , 场地必须平整 , 坚实 , 堆放层数不得超过二层 .
3 施工应用
3 1 1 地质情况
沪宁全线土层主要由亚粘土层、 淤泥质粘性土层、亚砂土层、粘土层和粉砂层等组成 . 原设计 A 至E 五大施工标准段代表性土层分层钻孔资料 , 从中可见各标段软土位置及厚度变化规律 : ¹ A 标段的最大含水量超过 50 %, 淤泥质土层出现在表层 30m 左右深度内 ; º B 标段的含水量大多小于 35 %, 几乎没有淤泥质 土 ; » C 标段最大含水量高达 60 % ~70 %, 淤泥质土大多在表层 2m 以下 20m 范围内 ; ¼ D标段含水量大多小于 45 %, 淤泥质 土在表层 5 ~12m 深度内 ; ½ E 标段土层中含多层粉土间夹薄淤泥质土层 , 其中薄层淤泥 质土含水量一般在 30 % ~40 %.
3 1 2 方案选择
通过沪宁高速公路沉降观测结果与营运情况的对比分析、已扩建公路的实践经验 , 拼接路基施工完成后 , 原高速公路路基中心与老路肩的横坡度增大值应小于 0 1 5 %. 老路肩与新路肩工后沉降差小于4cm , 与原公路横坡相比不得出现反坡 . 拼接路基施工后 , 原路中心附加沉降增量应小于 3cm ( 拼接施工完成前的工后累计沉降增量 , 可通过在原沪宁路路面结构层大修时进行调整 ).
在高速公路上 , 传统的地基加固的方法主要是采用粉 ( 湿 ) 喷桩、旋喷桩 , 通过形成复合地基 , 在提高地基承载力的同时 , 起到减小差异沉降的目的 . 笔者曾在某高速公路为研究粉 ( 湿 ) 喷桩加固效果 , 特选择了三处不同处理深度和常规每延米喷粉 ( 湿 ) 量为 50kg 的处理路段进行了观测 ( 表 1 ).
结果表明 : ¹ 处理效果明显 , 消除总沉降可达63% ~ 89%; º 处理深度有限 , 桩体部分累计沉降量可达 10~ 12cm, 桩体以下也达 6~ 11cm, 因此为满足工后沉降的要求仍需补加超载预压措施 ; » 应用于拼接路基后 , 由于从施工开始所发生的沉降量即为工后沉降量 , 因此为减少总沉降增量 , 必须适当增加喷粉或喷浆的数量和增加处理深度 , 然而其最大处理深度仅为 20m 左右 .
在深厚软基上进行高速公路的拼接拓宽 , 一般的地基处理方法显然不能满足拓宽工程对沉降的要求 , 因此必须采用桩身强度高的桩来进行置换 , 杭甬高速拓宽工程中 , 将先张法预应力薄壁管桩应用于拼接工程中 , 有效的解决了差异沉降问题 . 但这必然会增加投资成本 , 为此提出利用桩顶配置桩帽和疏化桩距措施 , 既能最大限度地发挥单桩和桩间天然地基的承载力 , 又能达到有效控制工后沉降目 的的刚性疏桩处理的复合地基处理方法 , 桩间距为 2 1 5m时 , 桩帽尺寸 1 1 2m @ 1 1 2m @ 0 1 3m, 桩间 距为 3 1 0m时 , 桩帽尺寸 1 1 5m @ 1 1 5m @ 0 1 4m. 为提高设在其上的碎石垫层的整体刚度 , 在碎石垫层之间铺设一层钢筋网 , 形成桩网复合地基 . 采用控沉预应力疏桩方案 , 对于原路未稳定的段落 , 还可以起到减载作用 , 减小与新拓宽路基间的差异沉降 .
3 1 3 设计方案
预应力管桩选用了 PTC 、 PHC 两种类型桩 , 视各路段不同地质条件需要予以选用 .
1) 一般路段以先张法预应力 (PTC) 砼薄壁管桩为主 , 砼强度 等级采用 C60, 直径为 400mm, 壁厚70mm; 对于地层中存在双层软土且中部夹有硬土层 ( 粘性土或砂层 ) 的路段 , 当硬土层 Ps> 5000kPa 或N > 20 时 , 采用 PHC 型高强度预应力砼管桩 , 砼度等级采用 C80, 直经为 400mm, 壁厚 80mm. 预应力管桩桩位在平面呈正 方形布置 , 桩中心间距 2 1 5~3 1 0m, 管桩入土端部视需要决定是否采用桩靴[2]
2) 预应力管桩沉桩采用静压方式 , 预应力管桩预制采用标准长度成桩 , 选择标准长度 6 1 0m 、 8 1 0m和 10 1 0m 进行施工接长组合 , 接桩采用焊接法 . 预应力管桩的生产应选择具有资质的厂家进行工厂化标准生产 .
3) 预应力管桩植桩完成后 , 在其桩顶现浇砼桩帽 , 桩帽通过桩塞砼与管桩连接 , 桩帽为正方形 , 采用 PTC 型预应力管桩时 , 采用 A 型桩帽 , 尺寸为 140@ 140 @ 30cm, 采用 PHC 型预应力管桩时 , 采用 B 型桩帽 , 尺寸为 140 @ 140 @ 30cm, 桩头处理段应将台背台后 4 排预应力管桩桩帽纵向连成整体 , 桩帽采用C20 砼现浇 .
4) 桩帽 施工 完成后 , 摊铺 10cm 碎石 , 在 其上10cm 处铺设一层钢塑格栅 , 再摊铺 20cm 碎石 , 并在其上铺设一层钢塑格栅 , 完成后再摊铺 10cm 碎石 , 碎石垫层厚度 40cm, 钢塑格栅材料要求其经、 纬向抗拉强度 \ 80kN/m.
3 1 4 施工工艺
1) 机械设备 (1 台桩机配套设备 )
2) 施工工艺流程图 ( 图 1)
3) 施工方法
¹ 桩位放样 : 根据设计文件和技术交底所确定的坐标和控制水准点进行桩位放样 , 采用经纬仪定出桩位 . 用消石灰作出桩位的圆形标记 , 圆心位置用小木桩标记 , 并注意保护所作标记 .
º 压桩 : 用钢绳绑住桩身单点起吊 , 小心移入桩机 , 然后调平桩机 , 开动纵横两向油缸移动桩机调整对中 , 同时利用相互垂直的两个方向经纬仪检查垂直度 . 第一节桩入土 30~ 50cm 后检查和校正垂直度 , 垂直度 控制在 0 1 5% 以内 , 开动压桩装置 , 记录压桩时间和压力表读数 , 保持连续压桩并控制压桩速度 1m/min~ 2m/min.
» 接桩及焊接要求 : 接桩时其桩头要高出地面1 1 0m 左右 ; 接桩前下节桩的桩头加上定位板 , 然后将上节桩吊放下节桩端上 , 依靠定位板将上下桩接直 , 其错位偏差不大于 2mm; 上下桩如有空隙 , 用锲形铁片全部垫实焊接牢固 ; 管桩焊接之前 , 上下端表面用铁刷清理干净 , 直至其坡口处刷出金属光泽 ; 焊接时应分层焊接 , 在坡口四周先对称点焊 6 点 , 焊接由两个焊工对称进行 ; 焊接层数不得少于 2 层 , 层间焊皮要清理干净 , 焊缝达到三级要求 ; 焊接好的桩头
应自然冷却 , 冷却时间至少 8min, 严禁用水冷却。
¼ 送桩 : 送桩前用水准仪确定地面标高 , 在送桩杆上作记号 , 送桩过程中进行跟踪 , 动态检查送桩深度 . 送桩器下端宜设置桩垫 , 桩垫厚度均匀并与桩顶全断面接触 .
½ 终止送桩 : 正常情况按设计压桩力送桩 , 达到设计高程后持荷 ( 正常压力 )10min 且每分钟沉降量不超过 2mm 后方可结束送桩 .
¾ 截桩 : 如需截桩 , 要有确保截桩后管桩质量的措施 , 严禁使用大锤硬砸 , 要先将不需要截除的桩身端部用钢箍包紧 , 然后沿钢箍上沿凿槽打穿后 , 用锤打下 , 用气割法切断钢筋 .
¿ 压桩记录
a 1 施工现场必须有技术人员对所有沉桩的施工过程如实进行记录 , 描述施工过程中发生的意外情况及 处理结 果 , 并将每天沉桩记录的复印件在24h 内报送监理工程师 .
b 1 压桩记录按监理工程师规定的统一 格式填写 . 施工现场必须有技术人员记录压桩过程的各种相关数据及各桩施工的先后顺序 .
4) 质量保证措施
¹ 在压桩开始时 , 严格控制桩位及竖桩的竖直度或斜桩的倾斜度 , 在压桩过程中 , 要随时注意防止桩的偏移 . 并不得采用顶、拉桩头或桩身的办法来纠偏 , 以防止桩身开裂并增加桩身附加力矩 .
º 压桩时 , 遇有下列情况之一 , 要立即暂停 , 并报告监理工程师 , 查明原因后 , 采取适当措施报经监理工程师同意后 , 方可继续压桩 .
a 1 压入的管桩未达到设计标高却无法继续压入 ;
b 1 桩身突然倾斜、位移或压桩时有严重回弹 ;
c 1 桩头破碎或桩身开裂 ;
d 1 桩周地面有严重隆起或下沉 ;
e 1 桩架发生偏移或晃动 ;
f 1 整根桩压桩完毕 , 桩有上浮 .
» 压桩时 , 如发生断桩、 裂桩或位置不准确的桩 , 要进行更换或处理 .
¼ 损杯的桩
a 1 桩如有长度不符设计规定的、 明显 裂纹 , 或任何缺点影响其强度、 抗弯能力或寿命时 , 都被认为是有缺陷的桩 , 不使用于工程中 .
b 1 由于桩本身原因 , 或由于不正确施工操作而使桩损坏、位置偏移、没沉入到图纸规定的标高 , 都必须加以纠正和补救 , 纠正可采用以下方法 : 首先将桩拨出 , 换用新桩 , 必要时换用较长的桩 ; 其次在有缺陷桩的旁边再补一桩[3]
4 结束语
尽管预应力管桩在高速公路软基处治中应用时间还不长 , 且在施工中还有许多问题需要解决 , 但预应力管桩以其在软基处理中良好的技术性能、综合经济指标佳、文明便捷施工速度快等优点 , 必将在高速公路的建设中被广泛应用和推广 .
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