超长、细、深PHC混凝土管桩施工研究及应用

2011-02-05李华安沈霞王宏卫云昌

四川建筑 2011年1期

李华安，沈霞，王宏，卫云昌

(中国五冶集团上海有限公司，上海200940)

1 研发背景

宝钢不锈钢项目设计生产能力为年生产钢水265.6×104t，热轧板卷239.9×104t。该项目采用当今世界上先进、成熟、可靠的工艺装备，设备荷重大、安装精度高，对基础沉降量有严格的要求。

宝钢以往类似工程都采用钢管桩或钢管混凝土桩(设计桩长大都在70m以上)，但具有造价高的缺点。自上世纪90年代后期以来，PHC混凝土管桩在上海钢铁企业建设工程中逐步使用后，取得了一定的经验，但都用在上部荷载不大、对沉降要求不高的工程项目中，设计桩长一般都为45 mm左右，施工难度不大。工程之初，宝钢提出以PHC混凝土管桩代替钢管桩应用于该项目。本工程如采用混凝土管桩，根据上海的地质情况，必须保证桩顺利穿透70～80 m土层而到达持力层。较之于钢管桩，混凝土管桩在较大锤击应力作用下，桩头及桩身容易破损，加之无类似工程经验可借鉴，对施工提出了巨大的挑战。

主要施工技术性能指标:

(1)施工长度达62～80 m、长细比最大达187;

(2)桩头及桩身损耗率控制在3%以下。桩身及桩头在较大锤击应力作用下容易破碎，质量不易保证;

(3)垂直度控制在0.3%以下。长桩施工中对桩的垂直度控制也提出了较高要求，否则，桩基开挖后桩顶平面位移很难满足规范及设计要求;

(4)桩材质量控制。桩材混凝土等级为C60以上;

(5)超深送桩工艺控制。最深送桩深度14.4 m。

针对上述困难，公司成立了课题小组，对超长、细、深PHC混凝土管桩施工进行攻关，以保证该项任务顺利完成。

2 项目简介

本课题主要研究PHCφ400、PHCφ500、PHCφ600混凝土管桩在施工长度达62～80 m、长细比最高达187、送桩深度达14.4 m的施工技术。该项目在国内及国外均无前例可参照，研发主要通过解决施工中存在的问题，在工艺上、设备上进行了一系列改进，以保证该项目顺利实施，达到工期和质量要求。

课题组从桩材研究与改进、沉桩工机具研究与改进、超深送桩研究与改进、“封闭桩”施工措施、形成长桩施工工艺等方面进行了研发，形成了该成果的关键技术及施工工艺，成功地在宝钢不锈钢、宝钢ERW、宝钢UOE项目中应用，保证PHC混凝土管桩顺利穿透62～80 m土层而到达持力层，保证所施工桩的完好性，质量满足设计要求，也满足了工期要求。

课题研究的“超长深预应力高强度混凝土离心管桩施工方法”、“预制混凝土桩超深送桩器”“透气的桩帽”已陆续申请发明和实用新型专利，并已被国家知识产权局受理(申请号分别为:200810200463.7、200920077666.1、20092007776 67.6)。

3 研发过程

3.1 关键技术与创新点

3.1.1 材料改进与创新

(1)桩尖结构研究及改进:为增加桩在硬土层的穿透力，将混凝土桩尖改成钢桩尖，以增强其穿透硬土层的能力(图1)。其工作机理为:加焊了环板的桩尖直径略大于桩身直径，减小沉桩过程中桩侧的摩擦阻力。

图1 改进后的桩尖结构形式

(2)PHCφ400AB型桩的壁厚向设计建议由85 mm改为95 mm，以降低桩单位截面受力，提高桩抗锤击应力的能力。

(3)桩头加固:施工实践表明，桩顶所承受的锤击应力最大，桩头破损是施工中桩最主要的损坏形式。在该工程中，桩制作时，设计在最顶端桩节的上部2 m长范围内，每m3混凝土内添加RC－65/35－BN型钢纤维20 kg，以增加桩顶的耐打击力。这一措施极大地降低了施工中桩头的破损率。实验数据表明，添加了钢纤维的桩的抗破裂能力提高了10%～30%。

3.1.2 桩机的改进与创新(实用新型专利——“透气的桩帽”)

改进桩帽结构:传统桩帽如下图2(a)所示，由于桩帽没有开设排气孔，随着桩入土深度的增加，桩中的土芯高度随之升高，桩中的空气无法排出，桩中的空气逐渐受到压缩，形成压缩空气，高压气体容易使桩身产生竖向裂纹。改进后的桩帽如图2(b)所示，增加了排气孔，有效地避免了这一现象的发生。

图2 桩帽

3.1.3 超深送桩技术研究与创新(实用新型专利—“预制混凝土桩超深送桩器”)

工程中送桩深度最深为14.4 m，远远超出常规施工送桩深度，主要难点是送桩器不易拔出。一旦遇到这种情况，常规施工方法是将桩送至常规送桩深度，待桩基开挖时再将桩切割至设计标高。而本项目由于施工桩量大，采用常规方法割桩将造成桩材的巨大浪费，影响工程造价及施工工期。课题组通过对送桩器结构的改进，有效解决了超深送桩送桩器不易拔出的难题。

传统送桩器结构如图3(a)所示，送桩器头部有台肩，由于土体反作用力F作用在台肩上，拔出时较困难。改进后的送桩器如图3(b)和图3(c)所示。两种方案的优缺点比较如下:图3(b)方案是在原有送桩器头部增设减阻板，减小拔出时土的阻力，每施工4套桩需更换一个缓冲垫，但由于拔出时土的阻力比图3(c)要大些，故在常规送桩时采用;图3(c)方案是用与桩同直径的钢管制作而成，投入较大，拔送桩器时，缓冲垫会从送桩器中脱落，基本施工1套桩需更换一个缓冲垫，增加了缓冲垫的消耗量，但送桩器拔出时的阻力比图3(b)方案小，故一般送深桩时才采用。图4为送桩器及缓冲桩照片。

3.1.4 长桩施工工艺研究与创新

与常规的桩基施工工艺相比，超长、细、深PHC混凝土管桩的施工工艺要求更高，课题组对以下几个方面进行了研发。

图3 送桩器结构形式

图4 送桩器及缓冲垫

3.1.4.1 施工机械

(1)机械设备的选择。该工程配备了先进的全液压履带式打桩机及经工程实践证明性能良好的德马克D8.0 t、D6.2 t、D4.6 t桩锤。其中，D8.0 t桩锤施打PHCφ600AB、PHCφ500AB长桩，D6.2 t桩锤施打PHCφ400AB长桩;

(2)用D6.2 t桩锤施打PHCφ400AB长桩的可行性和必要性。根据规范和以前的施工经验，PHCφ400AB型桩宜选用4.6 t桩锤施打，但是该工程PHCφ400AB桩长达60～80 m，要求桩尖穿透⑧3层进入⑨1－2层，显然选用4.6 t桩锤是不适宜的，桩是难于达到设计深度的，故选用6.2 t桩锤施打。选用D6.2 t锤施打有以下优点:①减少冲击疲劳，避免桩头和桩身的损坏。冲击疲劳对打入式长桩的损坏是很大的，每锤击一次，桩身受压应力和拉应力的交替作用，容易使混凝土内砂浆和粗骨料粘结面上已存在的微裂缝逐渐扩展，继而强度随之降低，即使锤击应力未超过混凝土的强度，仍可能导致桩的损坏。选用较大的6.2 t柴油锤施打较之4.6 t柴油锤，反而会因打击次数少且打击能量迅速转化为桩的贯入，从而降低桩身损坏的可能性。②重锤施打也可缩短打桩的时间，有利于作业效率的提高，可以加快施工进度，充分发挥规范要求的重锤轻击效果。

3.1.4.2 施工工艺

(1)单节桩长度控制:打桩施工过程中，严格控制单节桩长度在10 m以内，可避免锤击时桩身中部产生较大的颤动，避免桩身损坏;

(2)垂直度控制:一是严格控制单节桩材的垂直度，避免桩身弯曲变形。二是严格控制桩入土时的垂直度，避免桩在锤击时偏心受压(图5);

(3)桩垫选用:做到一桩一垫，桩垫厚度大于100 mm，材料选用蜂窝纸。桩垫的作用可以缓冲桩的锤击应力，使打桩应力分布均匀，延缓撞击时间以利于桩的贯入。传统上桩垫用木垫或纸垫，在本工程中的实践表明，纸垫的效果比木垫好，因为木垫易板结，失去缓冲作用;

图5 垂直度控制

(4)打桩作业中断时间:一套桩从开始施打到结束施打这一段时间里，尽量避免长时间中断。因为随着时间的推移，桩周围的土体应力就会恢复，这样打桩就会比较困难。施工中一旦发生这种情况(如设备坏、桩破损等)，一定要先用小档位施打，待桩周围的土松动后再根据情况慢慢加大档位。本工程采用CO2气体保护焊也是为了避免因焊接时间较长而长时间中断打桩作业，用CO2气体保护焊每道焊缝只需7～8 min(至少2道以上)，而手工焊则需25～30 min以上;

(5)小样桩定位:每次所施放的小样桩数量仅满足每台机组一天作业量为限，从而避免打桩排土对小样桩挤压而造成平面位移。同时，班组测量人员在沉桩之前还应对小样桩进行复核，及时纠正小样桩的平面位移;

(6)桩顶标高控制:由于群桩施工挤土量大，造成整个桩基现场土体上涌，从而造成已施工桩上浮，所以对于群桩送桩一般控制在超送桩20～40 mm。

3.1.5 “封闭桩”施工研究及创新

由于该工程边设计边施工，所以造成112套PHCφ400AB*90*72 m地坪桩在周围桩和基础已施工完毕的情况下施打。如何保证周围已施工基础不受挤压是施工难点。经设计院同意，采取了如下措施并取得了良好效果。

(1)采用复合桩:靠近已施工基础的桩全部改成开口钢管桩，其余桩由于考虑投资费用，改成复合桩(图6)，即下面35 m采用钢管桩，上面37 m仍用混凝土管桩。现场实测结果表明，72m钢管桩土芯高度达35m左右，而混凝土管桩土芯高度仅20 m左右。该结果表明钢管桩的排土量比较小。施工时对周围基础及已施工的桩的影响较小;

(2)加强监测、减缓施工速度。

3.2 施工结果

该工程共施工PHC长桩2 000套，总长14.8×104m。平均长度为74 m，采用多台桩机同时施工(图7)。最长桩打入深度最长为80 m。送桩最深为14.4 m。施工中共损坏桩26套，其中有桩材质量原因、施工原因、地质条件等因素，破损率及补桩率为1.3%，低于常规的混凝土桩施工的破损率3%。施工结果表明，本项目长桩施工工艺是成功的。

图6 复合桩施工

图7 多台桩机同时施工

4 与国内外技术水平对比

大量、集中施打长度为62m至80m的PHC混凝土管桩在国内外未有类似先例，经过上海市科学技术查新:该技术成果达到国际先进水平。其先进性主要体现在:

(1)PHC单桩打入深度达80 m，长细比最大达187，尚无类似工程先例;

(2)通过用PHC混凝土管桩代替钢管桩或钢管混凝土桩，极大地降低了工程投资;

(3)施工中长桩的破损率为1.3%，低于常规的一般混凝土桩3%的破损率;

(4)超深送桩:本工程最深送桩深度14.4 m。传统方法将桩送至常规送桩深度(4～5 m)，待桩基开挖后再将桩切割至设计标高，本技术将桩直接送至设计标高，不需割桩，节约桩材、工期及机械台班。

5 经济效益及应用前景

5.1 经济效益

本工程共采用混凝土管桩2 000套，总长达14×104m左右。由于采用了超长PHC混凝土管桩代替钢管桩，节省桩材费用5 780万元;由于超深送桩技术的运用，产生经济效益29.9万元;复合桩技术的运用，节约φ406.4×10钢管桩5 376 m产生效益206万元。该工程总计节省费用6 015.9万元。

5.2 应用前景

与钢管桩相比，预应力混凝土管由于受桩穿透土层能力差、挤土量大、打桩时桩身不能承受较大锤击应力等缺点限制，目前在上部载荷较大、单桩设计较深的工程项目中的应用受到一定的限制。本研究结果表明:预应力混凝土管桩应用于上部载荷较大、单桩设计较深的大型工业与民用建筑是可行的。由于预应力混凝土管桩具有优良的受压特性及工程造价低等优点，将其应用于大型工业与民用建筑必将成为桩基工程研究方向和发展趋势。