1 PHC管桩概述
高强预应力混凝土管桩(简称PHC桩), 是上世纪八十年代我国引进日本、美国等发达国家的先进生产技术而研究开发的一种新型预制桩。该产品按照国标GB13476-92《先张法予应力混凝土管桩》设计制造, 是采用预应力工艺、经离心成 型、常压—— —高压蒸汽养护工艺在工厂标准化、规
模化生产制造的预应力中空圆筒体细长混凝土预 制件, 运往施工现场后, 可采用钻孔插桩、中掘法、半中掘法等不同沉桩工艺或通过锤击、静压的方法沉入地下作为建(构)筑物的基础。管桩外径为Ф40~60cm,主要由圆筒形桩身、端头板合钢套 箍等组成。按预应力施加方法可分为先张法预应
力管桩和后张法预应力管桩。PHC管桩混凝土强度等级不应低于C80。
经过近十几年的实践发展, PHC管桩作为高强混凝土水泥制品在我国生产制造已经非常成熟, 其产品工艺技术与机械设备装备水平先进,设计、施工与检测方法也日臻完善。PHC桩以其桩身混凝土强度高, 耐冲击性能好, 贯穿能力强,对不同地质条件适应性广; 具有单桩承载力高, 抗弯抗裂性能好, 产品工厂流水线生产, 质量稳定可靠, 耐久性好; 运输吊装轻便, 施工速度快, 工期短, 施工现场简洁文明以及成桩质量监测方便等一系列优点, 而被广泛应用于各种建筑物和构筑物的基础。如工业和民用建筑、高层建筑、高速公路和桥梁、铁路、机场、港口码头等基础工程。现在国内研制生产的预应力管桩70%以上都是PHC管桩, 广东地区几乎100%都是PHC管桩, 目前国内已有生产厂近百家, 年产量超过1000万m, 在国家建设中发挥着愈来愈大的作用。
2 PHC管桩优点( 1) 单桩承载力高: 由于采用精心设计的混凝土配合比并使用超塑化剂, 加之应用了高速离心 成型工艺和二次湿热养护工艺, PHC桩混凝土抗压强度大于C80, 因此单桩容许承载力高(见表1), 单位承载力造价低。( 2) 抗弯、抗拉性能好: 由于管桩桩身混凝土强度高, 加上使用了高强度、低松驰率的预应 力专用钢筋, 使桩身具有较高的有效预压力(3～8MPa), 因此PHC管桩具有相当大的抗弯和抗拉能力(见表1)。
( 3) 耐久性好: 由于采用了高速离心成型工艺(离心加速度高达30～35g, g为重力加速度)和高温高压(压力1MPa; 温度180℃)蒸汽养护, 因此 桩身混凝土密实性好(混凝土容重为26kN/m3 )。其抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性、耐碳化性均优于普通混凝土。
( 4) 对不同地质条件和不同沉桩施工工艺的
适用性好:PHC桩可采用钻孔插桩、中掘法、半中掘法等不同沉桩工艺或通过锤击、静压的方法施工, 可根据设计要求和试桩情况选用不同长度和 规格的单节灵活配桩, 现场焊接, 最大限度地减少截桩量。PHC桩配有十字形、锥形、开口形等桩尖可供选用, 适合不同地层贯入作用。若使用开口桩尖, 沉桩过程中内腔可进土约2/5桩长, 大大减小了挤土效应, 减轻了对周围建筑物的挤压作用。
( 5) 质量稳定可靠: 由于采用工厂预制的生产 方式, 可利用先进的工艺和设备, 产品质量容易控 制。
( 6) 应用范围广: 工厂生产、商品供应, 可以有不同的规格, 长度供选择, 设计选用范围广, 容易布桩, 对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。
( 7) 施工速度快, 工期短:PHC桩在工厂商品化生产, 能按施工要求及时供桩, 施工前期准备时间短, 一般能缩短工期1～2月。
( 8) 施工现场文明: 施工现场无砂石、水泥, 无泥浆污染, 对施工现场狭窄的工程特别有利。
( 9) PHC桩符合建设部制定的《建筑基础工程技术政策》中关于“积极发展高强预应力混凝土管桩的制作和沉桩技术”规范要求。
( 10) 经过调查发现, PHC管桩在抗震方面具有明显优势, 因此, 目前日本桩基础普遍使用PHC管桩。
( 11) PHC桩为中空圆筒体细长混凝土预制件, 桩身耗材较低、单桩造价低。PHC管桩力学性能见表1。
3 工程实例
3.1 工程介绍
近年桥梁设计、施工实践中, 有几座人行天桥及广州市东二环辅道上四座中桥基础均采用了PHC管桩, 下文以东二环辅道上四座中桥为例,介绍PHC管桩在桥梁基础上的应用。桥型布置见图1, 设计荷载: 公路- I 级, 桥宽:7.5m, 上部结构采用16mC40先张预应力混凝土空心板, 下部结构设计时, 进行了钻孔灌注桩与PHC桩的方案比较, 最后决定采用B型管径Ф50cmPHC管桩。
3.2 工程地质分析
本项目所在位置地势平缓, 主要是耕植地。地质情况大致为地面下0～18.1m为软土层( 淤泥质土层) , 地面下23～33.8m为全风化至强 风化混合岩, 地面下33.8～41.30m为弱风化至微风化混合岩。 3.3 PHC管桩与钻孔灌注桩比较根据地质情况, 桩基均按摩擦桩设计。本项目桥梁基础钻孔灌注桩与PHC桩优缺点及经济比较, 见表2、表3, 从表中可知, PHC桩要比钻孔灌注桩经济, 节约造价约20%左右, 经济效益要好,施工文明、速度快, 无噪声污染, 质量易保证等优点, 所以本项目采用PHC管桩基础。
3.4 PHC管桩设计
PHC管桩一般不易贯穿坚硬岩石, 不易按嵌入坚硬岩石的端承桩设计, 可以摩擦桩或摩擦端承桩进行设计验算。本项目PHC管桩均按摩擦桩进行桩基计算。单桩轴向受压容许承载力[P]计算公式如下:
[P]=1/2(U∑αi liτi+αAбR) ( 1)
式中, U- 桩的周长(m);
A- 桩底横截面面积(m2
), 用设计直径计算;
li- 承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度(m);
τi- 与li 相应的各土层与桩壁的极限摩阻
力(kPa);
бR- 桩尖处土的极限承载力(kPa);
αi 、α- 分别为震动沉桩对各土层桩周摩
擦力和桩底承压力的影响系数, 对
于锤击沉桩其值均为1.0。
本项目其中一座桥( 跨径组合:3×16m) 每桥墩采用4根B型, 外径Ф50cmPHC管桩, 每根桩长33m( 3节8m和1节9m预制PHC管节连
接而成) , 单桩容许承载力为1400kN。每个桥台采用4根B型, 外径Ф50cmPHC管桩, 每根桩长
29m( 由2节9m和1节11m预制PHC管节连接而成) , 单桩容许承载力为1000kN。桥墩、台承台尺寸均为300cm(长)×120cm(宽)×150cm(高), 桩顶嵌入承台100cm, 桩间距200cm。3.5 PHC桩与承台的连接( 1)桩顶直接埋入承台连接:PHC桩外径为Ф40～ 60cm, 埋入承台长不应小于2倍桩径。本项目外径Ф50cmPHC管桩埋入承台长度1m。( 2) 桩顶200～300cm高度范围内插入8Ф25钢筋, 并用C30细石混凝土填实与承台连接, 钢筋伸入承台长度不小于50d(d为钢筋直径), 承受拉力的管桩, 其与承台的连接和主筋伸入长度应符合受力要求。本项目次设计未采用这种连接方法。( 3) 方式( 1) 、方式( 2) 组合与承台连接, 桩顶埋入承台长不小于2倍桩径, 并在桩顶200~300cm高度范围内插入钢筋用C30石混凝土填实。本项目外径Ф50cmPHC管桩埋入承台长度1m, 桩顶200cm高度范围内插入6Ф25钢筋, 并用C30细石混凝土填实与承台连接。
4 PHC桩施工
PHC管桩主要施工方法、步骤及质量控制详见有关规范及文献, 本文主要介绍PHC管桩施工中与设计有关注意事项。( 1) 桩机施工终止条件: 对纯摩擦桩, 终止条件应以设计桩长为主要控制条件。实际施工中, 当桩长已达设计要求, 而贯入度仍较大时, 应继续锤击, 使贯入度接近控制贯入度。当贯入已达控制贯入度, 而桩长未达到设计要求时, 应继续锤击100mm左右( 或锤击30～50击) , 如无异常变化时, 即可停锤, 或桩进入持力层且最后三次贯入力达1.8～2.0倍单桩设计承载力而累积下沉≤10mm时为停压控制标准; 对长度大于21m的端承摩擦桩, 宜以设计桩长控制为主, 终压力值作对照; 对长14～21m静压桩, 应以终压力达满载值为控制条件, 开挖后采用截桩处理, 当压力值未能达到设计要求, 但桩底标高已达到设计标高, 宜继续送桩( 1m范围内) , 直至压力值达到设计要求, 施工结束后及时与设计单位联系, 出具处理方案。( 2) 尽量减少接桩, 预制管桩接头不宜超过3个, 接桩宜在桩尖进入硬土层后进行。接桩时上、下段桩的中心线偏差不宜大于2mm, 节点弯曲矢高不得大于桩段的0.1%,同一承台下不同桩不宜在同一截面进行接长。( 3) 合理布置桩位, 桩与桩的中心距不宜小于3倍桩径。( 4) 施工过程中要严格控制好桩身垂直度, 重点应放在第一节桩上, 控制倾斜度在1%之内, 垂直度偏差不得超过桩长的0.5%。( 5) 制定桩基合理施工顺序, 使地基应力扩散均匀, 减轻桩挤土效应及对邻近地基基础的影响。5 结语经过近十几年的实践发展, PHC管桩的设计、施工与检测方法日臻完善, PHC桩技术性能好,综合经济指标佳, 施工文明、便捷、速度快, 在国内工业与民用建筑、港口码头等工程基础建设中得到了迅猛发展与应用, 受到越来越多的设计人员和建设单位的欢迎。相信在未来几年内, 在桥梁基础工程建设中将会更为广泛得到应用和推广特别是在中、小桥、人行天桥及城市立交桥、高架桥基础中的应用前景广阔, 值得推荐。
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