软土地基地区预应力管桩处理技术应用

张辛

（山西晋建集团五建有限公司， 山西 晋中 030600）

预应力管桩基础具有单桩承载力高、 稳定性好的突出特点， 充分发挥出各桩的承载性能优势， 切实保证成桩质量的可靠性。 同时， 预应力管桩的施工成本相对较低， 在地基处理中可取得突出的经济效益。

1 预应力管桩的应用优势分析

1） 单桩承载力高。 通常， 桩体混凝土强度等级达到C80， 具备较强的竖向极限承载力， 可有效打入密实的砂层和强风化岩层， 以保证桩体的稳定性。 在挤压作用下， 桩端的承载力提高， 以同直径的桩体为例， 其具备的承载力明显优于钻孔灌注桩， 因此在提升地基稳定性方面有突出的优势。

2） 质量可靠。 预应力管桩的强度高、 耐锤击，抗裂弯矩远高于方桩， 桩身在穿越坚硬土层时有足够的稳定性， 可有效降低断裂、 断桩的发生率。

3） 施工效率高。 预应力管桩的施工采取的是“厂家预制、 现场打设” 的流程化作业模式， 根据施工进度计划， 可提前在厂内预制成型， 缩短混凝土浇灌和养护的时间。 若采用静压法施工预应力管桩， 单个台班的沉桩量可达到7 ～15 根， 具有较高的施工效率。

4） 经济效益突出。 在应用预应力管桩处理软土地基时， 得益于质量可靠、 流程化作业、 效率高等特点， 材料、 机械设备等方面的成本投入得到有效的控制， 单桩造价普遍低于灌注桩， 具有较高的经济效益， 且此类优势在大面积的软土地基加固处理中体现得尤为明显。

2 预应力管桩的结构形式和参数设计

1） 预应力管桩的类型多样， 若桩身额定承载力R与单桩承载力标准值R一致， 此时属于最经济的施工方式。 具体至工程实际环境中， 可考虑R= （0.8～1.0） R的取值关系， 对于R， 可按如下公式计算。

R=0.25（f-σp）·A

式中： R-桩身额定承载力； f-桩身混凝土抗压强度， 不同混凝土强度的取值不尽相同， C60 时， 取f=60MPA， C80 时， f=80MPA； σpc-桩身有效预压应力； A-桩身有效横截面积。

2） 根据现场的地质条件和施工单位的作业水平，选择规格适宜的管桩和可行性较高的沉桩方式。 例如， 若持力层为强风化层， 以锤击贯入的方法为宜，管桩可考虑PHC类桩， 或是视实际情况采取组合型方案， 即最上一节为PHC桩， 除此之外的其他各节均为PC桩或PTC桩， 在此方式下可有效将桩体打设到位，避免桩体被打碎的情况。 若现场为淤泥质土或粘土，可考虑静压法， 根据单桩承载力确定合适的压桩力P（具体关系为P=1.3 -2.0R）， 进而有效调控静压机的工作参数， 有效打桩。

3） 管桩挤土效应较强， 可考虑开口桩靴的方法，其在缓解挤土效应方面有良好的应用效果； 此外， 严格控制桩距， 不可小于管桩直径d 的3.5 倍， 而在高层建筑核心筒施工条件下， 较为合适的是桩距不小于4.0d。 施工顺序方面， 首先完成桩场中心的打桩作业， 再向四周推进， 同时还可灵活应用桩原位取土、现场开挖隔离沟等方法， 此时也有助于缓解挤土效应。

3 预应力管桩的作用机理及单桩承载力分析

桩身上部有垂直应力和弹性变形， 且具有向下传递的变化， 桩身处于弹性压缩状态。 在逐步增加荷载的条件下， 桩身垂直应力传递至桩端， 在外力作用下促使桩端土受到压缩， 发挥出桩侧摩阻力的作用。 随着加载量的增加， 桩端阻力同步增大， 桩顶侧阻力优先达到极限值， 并且该极限阻力的范围逐步扩大， 作为抗力的摩阻力增量减小， 桩端阻力增量占比增大，在一系列的变化下， 桩端土产生塑性区且有范围扩大的变化趋势， 桩由于快速下沉而失效， 显现出桩向土的刺入破坏。 从整个桩体的受力和破坏特性来看， 具有桩身强度超过桩身应力的特点， 成为刚性桩。

竖向单桩承载力R的确定是管桩设计中的重点内容， 具体按如下公式计算。

式中： N-桩端处强风化的标贯值； A-桩尖（封口） 投影面积； U-管桩桩身外周长； L-各土层划分的各段桩长； Q-桩周土的磨擦力标准值。需注意的是， 只有在桩尖进入强风化层的锤击贯入施工中， 才可采用前述提及的R值计算公式， 而在软土地基以摩擦为主的桩中则缺乏可行性。 因此， 在部分设计中仍需考虑到现场土质的物理指标和承载力参数， 判断两者具备何种关系， 进而明确合适的单桩承载力， 具体如下。

式中： U-桩身周边长度； q， q-桩端端阻力， 桩侧阻力特征值； L-第i层岩土层的厚度；A—桩底端横截面面积。

通常， 在预应力管桩的参数设计中， 相比于单桩静载试验数据而言， 理论计算的单桩承载力标准值普遍更低。

切实提高预应力管桩单桩承载力是有效加固地基的重要途径， 具体考虑如下几点： 1） 应保证有足够的静压力， 以便有效地将预应力管桩打设到位， 使其可以到达强风化岩层或密实砂层。 通过外力的作用，促进桩尖持力层的挤压加固作用， 经过此项处理后的地基承载力较之于原始状态有明显的提高； 2） 软土地基上部分布淤泥层， 静压力作用在桩端土体， 静压能量具有向下传递的特点， 逐层向下挤压， 此时可形成桩端土反力和静压作用的恒等关系， 换言之， 具有作用力与反作用力的关系； 3） 在地基加固中， 预应力管桩通常设置为开口桩尖的结构形式， 在打设过程中， 土挤力与桩壁摩擦力达到平衡状态， 此时产生强烈的土塞效应， 对于提高桩体承载力而言有重要的意义。

4 预应力管桩技术在工程实例中的应用分析

4.1 工程概况

某工程的地基加固采用到PHC500AB100 预应力混凝土管桩， 总量495 根， 包含3 根试桩和492 根工程桩。 于现场适配两台静力压桩机， 凭借此类设备性能稳定、 高效、 低噪音等优势高效施工， 具体型号包含YZB800HB型、 ZYJ800B型， 按照每台3 人的人员数量关系予以分配， 协同完成预应力管桩的打设作业。

4.2 施工方法

4.2.1 施工工艺流程

基本流程为： 定位放线→桩机就位→喂桩→吊桩及调整桩体姿态→施压→复核桩体→继续施压→完成单桩作业→桩机移位以便继续施工。

压桩的流水作业顺序应具有合理性， 其是顺利压桩的重要前提， 将直接对压桩质量、 效率等方面造成影响。 为了富有秩序性地完成压桩作业， 提前编制清晰明了的桩位图， 确定具体的编号， 有序推进压桩作业进程。 此外， 根据压装机的运行特性， 采取的是直线行走路线。

4.2.2 施工要点

1） 测量放线。 以红线规划定位图、 设计施工图为主要的参考， 用全站仪测放轴线控制点， 做好标记； 进而将轴线网测设在现场， 明确具体的桩位， 设置醒目的标记。 有效提高桩位测放精度是后续顺利打桩的重要前提， 要求桩位放样偏差不超过1cm， 测量放线后先安排自检， 在确认无误后， 由业主、 监理安排检验， 全面保证测量放线结果的准确性。 施工工艺流程如图1 所示。

图1 施工工艺流程图

2） 标高的测量。 以测绘部门提供的高程控制基准点为准， 将其引测至现场， 设半永久性高程控制点。 在此方式下， 有利于打桩时精准控制管桩的标高， 确保打设后的管桩能够满足标高要求。

3） 规划打桩路线， 确定具体编号。 立足于现场施工条件， 合理规划施工路线， 秉承着打桩机能走直线就不绕路的原则规划其行进路线。 此外， 路线规划时还考虑到设备进出场的便捷性要求， 以便及时投入到工程施工中。 桩机的进场组装位置以临近起始打桩点为宜， 在设定具体的打桩路线后， 依次设定桩位号。 在本工程中， 按照“自西向东、 自北向南” 的顺序依次压桩。

4） 桩机就位。 桩机配备横移、 纵移机构， 通过两类机构的共同配合， 将桩机移动至指定打桩点位。桩机移动全程均要保持平稳， 不可磕碰， 同时加强对桩位点的有效防护， 以免因操作不当而导致桩位产生偏位。

5） 吊桩、 插桩。 以现场施工要求为准， 提前将预制场生产的预应力混凝土管桩运送至现场， 到达距离打桩位置20m以内时， 用起重机高效吊装。 现场作业人员加强检查， 若发现捆绑桩的钢丝绳有断丝现象， 及时安排换新， 保证吊装的安全性。 吊装时， 捆绑位置选取在桩身上部3m处， 保证绑扎的稳定性。待管桩绑扎到位后， 用起重机缓慢将桩转至桩机夹桩钳口处， 向钳口内准确插入管桩， 再缓慢下放， 直至桩头与地面保持接触为止。 经过检查， 在确保桩机有效钳好桩身后， 钢丝绳脱钩， 以便根据作业计划吊装下一根桩。

6） 桩身的对中调直。 联合应用桩机的纵移、 横移机构， 精细化调整桩机的作业姿态， 直至桩尖中心对准桩位点为止， 此时对支撑四脚升降高度做灵活的调整， 有效校直桩身。

7） 静压沉桩。 经过调整后， 若桩身姿态无误，则开始静压沉桩， 具体要如下。

①根据预应力管桩的长度， 在桩身上划出长度标记（以米为单位进行）， 同时注明管桩的长度， 此举目的在于给沉桩施工提供参照基准， 以便作业人员及时掌握每米沉桩锤击数、 入土深度， 保证打桩的有效性。

②打桩期间打桩机可能有下陷的情况， 为此在桩机履带板下方垫厚度约2cm、 宽度超过桩机2m的钢板桩， 分散桩机作用力， 以便桩机的平稳运行。

③桩机行走时需调整桩锤的姿态， 使其处于桩架中下部， 以免影响到桩机的正常行走。

④桩机进场后， 准确调节位置， 用导杆垂直仪辅助调节， 使导杆初步垂直。 在此前提下， 开始起吊第一节桩， 以缓慢的速度将桩尖插入土中， 深度控制在30 ～50cm， 并保证其有足够的稳定性； 随后， 联合应用两台经纬仪， 做双向垂直校正操作， 确保桩身垂直度达到要求， 若有偏差则及时调整。 但需注意的是，若桩端入土深度达到3m， 此时不允许调节垂直度，需按照起拔回填、 重新插入的方法进行处理。 桩锤的打击能量根据现场地质条件而定， 若存在虚土或软弱土层， 作业初期关闭油门冷打， 随着施打作业的持续进行， 在每击贯入度在100mm以内时， 开启油门，继续锤击， 使管桩准确到位。 沉桩期间， 桩锤、 桩帽、 桩身中心需共处相同的垂直线上， 且注重锤击的连续性， 尽可能避免中途停锤。 若沉桩时有贯入度突变、 桩顶碎裂等异常状况， 需及时停锤， 查明原因，妥善处理。

⑤打桩顺序的控制至关重要， 其直接关乎打桩效率、 质量等多个方面， 具体根据周边建（构） 筑物的分布特点、 桩密集程度而定。 此处均以桩体布设较为密集的条件为例进行分析： 若桩与周边建（构） 筑物的距离较远， 从中间开始向四周依次沉桩； 若两者距离较远同时场地狭长， 则从中间开始， 而后向两端有序推进； 若管桩一侧临近周边建（构） 筑物， 先完成临近一侧的打桩作业， 再逐步向远处推进。 此外， 还需遵循“先大后小、 先长后短” 的原则打桩。

8） 接、 送桩。 在本次施工中， 预应力管桩较短，单根桩体的长度即可满足要求， 无需额外接桩。 若由于局部作业条件特殊而需接桩， 则用端板焊接连接，并于桩头处设导向箍， 以便两节管桩对接的准确性。接桩焊接时， 采取CO气体保护焊的方法， 并在距离地面约1m处操作。 焊接前， 先对管桩接头做详细的检查， 判断是否有杂物， 若有则用钢丝刷清理干净，直至坡口处露出金属光泽为止， 此时可避免因杂物的存在而导致焊接缺乏足够的稳定性。 焊接时， 在坡口周边对称点焊4 ～6 个点， 目的在于初步固定两节管桩， 待管桩准确对位且有足够的稳定性后， 拆下导向箍， 以分层、 对称的方式完成后续的焊接作业， 通常焊接层数以三层为宜， 且只有在确保内层焊接质量无误、 焊渣得到有效的清理后， 方可安排外一层的焊接， 以此类推。 焊缝根部必须焊透， 焊缝应有足够的饱满性， 待焊接接头自然冷却后， 方可沉桩。 焊接部位的冷却必须是自然冷却， 时间至少达到8min， 禁止采取浇水或其它人为干预的冷却手段。 相邻接头相互错开， 不可布设在同一截面内。 上、 下节桩的中心线偏差不得超过2mm， 否则不满足接长要求。 经现场测量， 确定管桩的实际标高， 综合考虑设计标高， 经对比分析后， 确定各桩适宜的桩顶标高， 进而有效控制送桩深度。 沉桩时需加强桩位偏差的检验与控制，具体要求如表1 所示。

表1 桩位偏差检验标准

5 结语

综上所述， 预应力管桩处理技术因具有加固效果好、 经济高效等特点而在软土地基加固处理中取得广泛的应用。 在具体的工程施工中， 施工单位需要具有统筹兼顾的理念， 注重现场地质条件、 软基加固要求等内容， 合理设计管桩的规格， 妥善选择打桩机， 规划打桩机的运行路径； 在打桩时加强检查， 及时发现管桩的偏差并予以调整， 将管桩的偏差控制在许可范围内， 最终顺利将预应力管桩打设到位， 起到加固软基的效果。