灌注桩桩头快速整体破除法研究及应用实践

2018-04-26张杨洋孔令贵李忠祥

西北水电 2018年1期

张杨洋，孔令贵，李忠祥

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

灌注桩基础作为建、构筑物基础的一种形式，因其承载可靠、施工灵活、工艺成熟、地层适应能力强等特点，目前广泛应用于土建施工领域。由于水下浇筑时桩顶会存在浮浆沉淀，故需进行超灌以保证设计桩身段的混凝土强度。因此完成桩身浇筑后，需对桩头超灌混凝土进行破除，剥离出主筋再施做承台、系梁等，以形成整体受力结构。桩头破除质量好坏直接影响到桩基承载能力的发挥，针对桩基当前广泛使用的行业背景，如何提高桩头破除技术在质量保证、进度、经济及环保方面的水平，此项工作具有较大的研究意义。

1 桩头质量控制重要性分析

限于目前灌注桩施工技术及工艺水平，桩基浇筑完均需要对桩头部分进行处理，破除超灌部分混凝土，剥出主筋以进行上部承台、连系梁、墩柱等施做。桩头锚固部分同上部结构的连接质量直接影响到桩基承载性能的发挥，主要关系如下[1-3]。

(1) 受力：尽管桩基的受力同地层特征、桩长、桩身强度等因素有关，但桩基承载能力的发挥不论在何种边界条件下，都建立在桩头同上部结构形成有效连接的基础上。一般情况下，桩头部分同上部结构体的连接形式介乎于刚接和绞接之间，而连接处的受力通常是竖向压/拉、弯矩、剪力的综合，结合处刚性的差异将直接影响力矩分配，此效应在群桩中更为明显。在同等受力下，桩头连接处的变形会因刚度不同而产生差异，当变形差达到限值时，也会产生混凝土开裂。

(2) 变形：不论是上部结构的变形向下传递或是地层移动造成桩身变形自下向上传递，桩头的连接处均是位移的突变部位，而承台、连系梁等在此起到变形协调的作用。同样，由于连接处刚度的不同，在联系体发生同等位移下，不同连接处将产生不同的抵抗力，当应力达到对应的强度值时将发生结构破坏。

(3) 工序：桩头钢筋剥出后需与上部结构体钢筋进行接长或布设水平钢筋网片，此时桩头钢筋成型的好坏将直接影响后续钢筋安装的质量及难易程度。

(4) 不同桩头破除方法所形成的桩头混凝土表面效果不同，而在采用应变法进行桩身成型质量检测中，需要自桩顶敲击从而形成应变波，此时桩头混凝土质量的好快将对波形产生直接影响，进而影响检测结果的准确性[4-5]。

2 桩头破除方法分类及优劣分析

依据桩头破除所采用的主要设备不同，目前破除方法主要有液压破碎锤法、人工风镐破除法、环切法、机械挤压破碎法以及整体破除法，具体工艺及优劣如下[6-13]。

2.1 工艺简介

(1) 液压破碎锤法

将液压破碎锤安装于挖机臂前端，依靠破碎头的冲击力将桩头凿碎清除。

(2) 人工风镐破除法

空压机提供动力，人工手持风镐进行破除。当桩径较小时，一般采用全部破除法；当桩径较大时，多先将主筋外保护层进行破除拨出主筋，后于桩顶处打水平钻孔，插入钢楔并配合风镐冲击，利用素混凝土抗拉强度低的特征，使钻孔处混凝土产生水平向贯通裂缝，进而配合吊车等将桩头整体吊出。

(3) 环切法

根据桩顶设计高程，于桩身外侧标出环向切割线，测出该处钢筋保护层厚度，确定环切深度。采用附着式切割机(或手持式)沿标记线以事先测定的保护层厚度进行切割，见图1。之后于切割线上部采用人工风镐凿出宽约10 cm的环槽，接着进行保护层破除，后续施工同人工风镐法。

(4) 机械挤压破碎法

此方法也称为Mr Cropper法，需配备专门的破碎设备，具体方法：根据桩径不同选择相匹配的环向液压破碎装置，该装置特征在于刚性环内侧安装有数组带破碎齿的液压千斤顶，在截桩设计高程处安装设备，通过多组千斤顶对桩侧面加压，实现桩头混凝土的破碎切断目标。

图1 挤压破碎刀头图

(5) 整体破除法

整体破除法的技术核心在于浇筑时采取一定的方法将钢筋和混凝土进行隔绝，消除混凝土凝固后对钢筋的握裹力，从而省去保护层的破除时间，同时显著提高钢筋成型质量。在桩头水平截断工序上，依据施力方式不同分为膨胀剂致裂整体破除法(也称Recepieux法)和机械致裂整体破除法(也称Elliott法)。

图2 膨胀剂致裂整体破除

图2为膨胀剂致裂整体破除法原理示意图[7]。本技术要点在于浇筑前，预先在桩头钢筋上安装有膨胀装置，破除桩头时通过向装置内注入膨胀剂以实现设定位置处的致裂目的。经验参数：膨胀装置沿桩周间距约0.4～0.5 m进行布置，膨胀剂注入约2 h后膨胀力可达30 MPa以上。

机械致裂法主要包含钢楔顶进致裂及液压扩张致裂，工艺较为简单，此处不再赘述。在消除混凝土握裹力上，主要通过浇筑前事先加装隔离套管来实现，目前常用的有PVC套管、PE管、橡塑发泡管等，管材的主要技术要求是隔离浆液及具有一定的受压抗变形能力。考虑到混凝土浇筑时水泥浆沿套管内上升，未实现消除混凝土握裹力的目的，因此安装套管时应注意上下口的封堵。另一方面，套管安装后，应采取定位措施，防止混凝土浇筑时管体串动脱落。

2.2 优缺点对比

桩头不同破除方法的选择主要依据桩径、进度、经济性、质量控制、职业健康要求等方面综合比选。具体对比如表1。

表1 桩头破除方法对比表

对比可知，对于中小直径桩，整体破除法在质量保证、施工速度以及健康环保方面均优势显著；以破碎锤、人工风镐以及需较多辅助人工风镐的方法在质量控制及健康环保方面均存在劣势，综合处理速度因桩径不同而存在一定差异。现场破桩工艺选择，应遵循以质量、进度为主控目标，在文明施工符合业主及监管部门要求下，尽可能选取综合成本较低的方式，并尽可能采用新技术。

3 桩头整体破除法实践

3.1 工程概况

汉中市兴汉新区梁中路24号桥，桥梁全长142 m、宽44 m。拱跨采用30 m+50 m+30 m现浇上承式钢筋混凝土空腹式拱桥。采用钻孔灌注桩基础，标号C30，桩径1.5 m、桩长31 m(承台锚固深度1 m)，桩基总数168根。桩基下穿地质土层依次为粉质黏土-粉土-卵石-圆砾。桩基主筋设计采用Φ28三级钢，上部20 m采用双排筋布置(34×2根)，下部11 m采用单排筋布置，主筋环向间距12.2 cm。

3.2 破除方案分析比选

3.2.1 情况分析

最初在采用人工风镐进行桩头破除时，情况如下：

(1) 桩径较大，加之桩头部分为双排筋，主筋拨除工程量较大。

(2) 主筋拨出后，弯曲变形严重，部分主筋不得已采用局部加热进行校直，造成钢材强度受损。

(3) 为保证桩头螺旋筋的安设质量，桩头主筋需保证顺直及统一角度，钢筋校正工作量大。

(4) 风镐破除时，噪声大、粉尘多、震动强，施工人员健康威胁大，劳动强度高。

(5) 破除速度慢，以3人1组配2个风镐进行配备，速度快时1 d仅能破除2个桩头，影响关键线路施工进度。在布承台筋和螺旋筋时，主筋需要校直，由于弯曲变形严重加之强度高，平均处理每个桩头需要近1.5 h(以3人1组统计)，费工费时。

现场施工环境及破桩效果见图3。

3.2.2 方案比选

为提高施工质量、加快进度、提高综合效益，项目部决定对破桩方案进行优化。经分析，限制本工程破桩速度和质量的关键在于：大直径双排筋的客观条件，造成保护层破除工序耗时显著增加，也是造成桩头钢筋成型质量差弯曲严重的重要主因；保护层破除以及后续的钢筋校直占用了破桩工序用时约60%，如何缩短此部分耗时，是提高速度的关键。

通过参考已有文献及经验交流，项目部结合自身技术、质量、进度及成本目标，最终确定采用PVC套管钢筋隔离+机械致裂的整体破除法。

图3 风镐破除效果及钢筋校直图

3.3 工艺流程

本次制定的整体破除法主要工艺流程如下：桩基钻孔施工→下放钢筋笼→安装PVC套管→套管端头封堵并固定→桩基浇筑→桩间土挖除→放桩顶标记线→打水平钻孔→安装钢楔→风镐顶进、桩头截断→挖机或吊车整体吊出。

具体操作如下：

(1) 钢筋笼制作时，考虑到高程控制误差，为确保桩头锚固长度不低于设计标准，桩头部分长度比设计多预留20 cm。

(2) 套管长度按照设计桩头制作，即套管底部距离桩顶加强筋约10 cm，用扎丝固定好，防止浇筑时管体脱落错位。应当注意声测管及吊筋处同样需要安装套管进行隔离。

(3) 端头封堵。上端头可购买成品保护盖，下端口采用塞堵配合填缝剂进行封堵。

(4) 水平钻孔打设时，沿截断线每25～30 cm打1孔，钻孔周向范围约占桩周1/3，钻孔深度约30 cm左右，本次实施按照周向打8个孔设计。

(5) 桩头混凝土劈裂截断后，形成桩头起吊单元。采用挖机或吊车，完成桩头分离。

图4 完成套管安装图

4 实践效果评价及总结

4.1 效果评价

采用整体破除法后，对桩基破除的效果进行评价：

(1) 钢筋成型质量

图5为人工风镐与整体破除法的钢筋成型效果对比。可以看到：在采用套管隔离及整体破除方法后，钢筋成型效果非常好，表观无机械损伤，喇叭口成型美观，螺旋箍筋绑扎可靠。

图5 人工风镐法与整体破除法钢筋成型效果对比图

(2) 职业健康环保

整体破除法仅在打水平钻孔及进行顶楔施工时会产生一定噪声、粉尘及振动，相比人工风镐法，其省去了总用时近40%的保护层破除环节，工人劳动强度及粉尘产生量均大大降低。

(3) 破桩速度

破桩耗时应包括钢筋拨出以及校正两部分时间，人工破除时正常情况下每根桩需6 h左右(4.5 h+1.5 h)，而在采用整体破除法(工人操作熟练后)，平均速度可达3 h左右(2.5 h+0.5 h)，施工速度提高显著，缩短关键线路工期。

(4) 直接经济效益估算

选取人工费、材料费、电费、易损件及设备损耗4方面做经济分析。

1) 人工费：每根桩人工用时从6 h缩短至3 h(3人)，节约1个工日，约200元。

2) 材料费：PVC套管费=(34+3+2)×7=273元。

3) 电费：1.5 m桩径，28双排筋情况下人工风镐法每根电费约120元，新工艺实施后，电费可节约按60元计算。

4) 易损件及设备损耗：每根桩节约按照20元计算。

综合以上，每根桩成本节约=200-273+60+20=7元

4.2 总结

(1) 综合效益方面

新方案实施后，桩头钢筋质量、施工速度均有大幅提高，职业健康环保方面有明显改善；直接成本基本与人工风镐法持平，PVC管材成本占比较高，但在分析管材质量、可替代管材(如PE管、橡塑管)后，此部分成本可进一步降低。综合分析：在新工艺实施后，质量保证、进度、外观、健康环保均有较明显提高，虽未获得显著的直接经济成本节约，但质量提升、进度提速所带来的潜在社会及经济效益不可忽视。

(2) 技术要点方面

1) 套管安装：为节约下钢筋笼及浇筑时间，下笼前可提前安装不受起吊时吊绳拖拽的大部分套管。

2) 声测管、吊筋：安装套管时声测管和吊筋同样需要进行隔绝保护，其中吊筋套管安装时，需先将套管套入吊筋，完成吊筋焊接后，进行套管定位及端头封堵。

3) 桩基高程控制：浇筑过程中务必做好桩顶高程控制，以保证在后期桩头截断时，套管部分桩体能整体吊出。