预应力高强混凝土管桩在软土地基中应用关键技术研究

2024-04-04黄锁昌百信颐云南建设有限公司云南昆明650000

中国房地产业 2024年9期

文／黄锁昌百信颐云南建设有限公司云南昆明 650000

引言：

目前，我国预应力高强混凝土管桩的研发水平与生产质量都处于世界领先地位，由于预应力高强混凝土管桩存在诸多优势，在高层建筑、公路桥梁、水利港工等领域的应用与发展日趋广泛。其中，软土地基作为当前我国公路施工中的一大难点，预应力高强混凝土管桩不仅可以有效解决公路施工病害，在提高公路施工质量及保障施工效率上发挥着积极作用。对此，文章以预应力高强混凝土管桩在软土地基中应用的关键技术进行讨论，以期为相关人员提供参考帮助。

1.预应力高强混凝土管桩概述

预应力高强混凝土管桩主要采用先张预应力钢筋、高速离心成型及高温高压蒸养的方法形成环状断面桩。预应力高强混凝土管桩主要组成部分具体包括：环形截面桩身、桩端板及桩套箍。桩身采用了强度等级C80 的高强混凝土、高强度预应力钢棒，预应力高强混凝土管桩主要适用于抗震设防烈度小于等于8 度，混凝土结构环境类别为二 a.二 b 类的低承台基础，其应用领域包括普通软土地基及道路桥梁、市政港口及软土路基。根据外径大小，预应力高强混凝土管桩可分为300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm、1200 mm、1400 mm 等规格，常用的管桩规格为300 mm、400 mm、500 mm 和600 mm。根据混凝土有效预应力值，将管桩型号分为 A 型、AB 型、B 型和 C 型，其有效预压应力值应该分别为4.0 N/mm2、6.0 N/mm2、8.0 N/mm2和10.0 N/mm2，其计算值偏差应该在各自规定值的5%范围内。先张法预应力高强混凝土管桩的制造过程，主要包括六个部分，即：搅拌高强混凝土、滚焊钢筋、形成笼子、浇注混凝土、张拉预应力钢棒、混凝土旋转离心、普通蒸养、高压蒸养。依据《先张法预应力高强混凝土管桩》（GB13476-2009），用于混凝土搅拌的强力搅拌器由电脑控制，离心成形分慢速、低速、中速、高速四个阶段，管桩脱模后需要在饱和水蒸气中进行压力蒸汽养护。预应力高强混凝土管桩之所以能在实际工程中被广泛使用具有如下优势：

表1 预应力高强混凝土管桩优势

2.预应力高强混凝土管桩在图软土地基中应用的关键技术

2.1 勘察技术

软土地基施工过程中，使用预应力高强混凝土管桩施工技术首先要做好前期的勘察工作。唯有对现场区域内不同土层的类型、起伏特点、岩土特征、地下水类型和深度、不良地质条件等进行详细的勘察，才能对成桩可能性进行准确的评估及对施工环境不良因素进行分析，以此才能制定出完善施工方案计划。特别是在以基岩为桩端持力层的情况下，利用前期勘察的技术措施，可以对岩石的性质和构造特点进行准确的分析，确定岩体的风化和完整程度、质量等级与坚硬度，对其中是否存在的软弱岩层和破碎岩体进行调查分析，为预应力高强混凝土管桩的施工提供保障[1]。为此，在工程实践中，应科学、合理地运用前期调查技术。具体如下：

（1）对地质勘查点进行合理的布置，针对软土地基的复杂特性，对其进行严密的勘察，控制好点与点之间的距离，以建筑周边的边线与焦点为中心，确定勘查点，在无特别要求的前提下以建筑群为中心确定勘查点。

（2）对于同一建筑物范围内土层及桩基础下的沉降量大的地区，应适当加大前期调查的布点数量，以地掌握软土地层的变化规律。

（3）利用先进钻井和地球物理技术制定完整勘察技术方案，对软土地基地形成条件、膨胀土性质、地质条件等进行精确的调查，并对调查井进行合理的设置，以此调查结果的准确性、可靠性。

2.2 技术要点

软土地基上采用预应力高强度混凝土管桩技术应对桩身在软土中的力学特性进行分析，并注意技术关键环节的落实，以此确保施工质量。如在软土和硬土的交接部位若打桩速度太快，极易引起土质的位移，导致桩在软土和硬土的交接部位出现横向裂缝。在进行管桩的焊接时，要注重焊接质量及确保焊接人员具有专业的作业资格，可采用更多的现代焊接技术确保焊缝饱满、无裂缝、无气孔。具体技术要点如下：

2.2.1 管桩运输与吊装

运输管桩时，应采用平板车或钢制弯车进行堆叠，堆叠层数不得超过5 层。输送时，可采用钢索进行绑扎，管桩悬吊高度不得大于1.5m。管桩运输至施工现场后，应堆放于平地，防发生打滑破坏。为了防止管桩因失衡而发生下落，不能采用单点起吊的方法。作业人员应严格遵守有关规定，采用两端同时起吊的方式[2]。

2.2.2 压桩

压桩采用单点起吊方法，用钢丝绳将桩体捆绑牢固后再将桩基调平与桩位对齐。施工中，应对桩身垂直度进行认真检测，确保其垂直度、长度偏差小于标准值的1%以内。在进行压桩工作时，水力抱桩器的持桩力应控制在8000-12000 帕值，如持桩力太小会影响压桩工作的平稳性，反之如若持桩力量过大极易可能导致爆桩。压桩应持续、匀速地进行压桩工作。

2.2.3 接桩和焊接

预应力高强混凝土管桩施工中极易发生管桩长度不足的问题，通过管桩末端进行焊接才能保障管桩长度，对此，为确保焊缝质量，应在焊缝进行前用钢丝刷对焊缝的端部进行清洗，以此保证焊缝的牢固。焊接时，应确保桩端对接处无裂缝且错位偏差应控制在3 毫米以内。施工人员可在坡口位置点焊6 个点，先进行内层的焊接，再进行外层的焊接，要保证焊缝的连续性和完整性。焊接完毕后，应使焊缝自然冷却，冷却时间约为10 分钟后，冷却后方可继续压桩。

2.2.4 挖土

软土路基挖土多由机械设备进行，在具体挖土中应注重如下要点：

（1）因为软土凝固时间较长，施工时应等待全部的软土凝固后才能进行挖掘，以此才能稳固周边的结构，减少安全事故的发生。

（2）严禁采用大型挖掘机、履带挖掘机，设备重量不超过120 吨，挖掘时，尽可能减少挖掘区域，避免多次撞击顶部。

（3）施工中应采取分层施工，使桩周土高程相差不超过1 米。在管桩高出基坑表面时，应首先清除上部土层，以减少侧压及防止开裂。

2.3 不均衡力控制

预应力高强混凝土管桩在软土地基施工过程中，极易可能会受到内因、外因的影响造成桩基两侧产生不均衡力。造成这一现象的主要因素如下：

预应力高强混凝土管桩在软土地基施工过程中如无法对不均衡力的控制，将会造成施工效果和水平的下降。所以，施工企业应该根据软土路基特点和情况合理地对不均衡力进行防治处理。具体措施如下：

2.3.1 采用软土地基加固的技术

预应力高强混凝土管桩在软土地基施工过程中，由于软土地基不稳定、压缩性过高、含水量过大造成不均衡力，因此，应要对软土地基进行加固处理，比如采用水泥搅拌技术、注浆加固技术、排水固结技术等，提高地基结构的稳定性和可靠性，降低不均衡力问题的发生概率。

2.3.2 提升桩基开挖的稳定性

在桩基开挖过程中由于缺少稳定性，极易出现不均衡力问题，所以要做好各项处理工作采用分层对称开挖技术，在基坑边缘位置不能进行堆载，要防止大型机械设备开挖振动所带来的影响，对地下水位控制要严格及对工程施工进行监测，及时发现施工工作问题，迅速有效地解决和应对，确保工程项目的良好建设和施工效率。

2.4 管桩参数控制技术

为进一步保证在软土地基的建设中充分发挥出预应力高强混凝土管桩的作用，应加大对管桩参数的控制，将预应力高强混凝土管桩参数设置在合理的范围内，以此保证施工技术的高效、有效应用[3]。

2.4.1 预应力管桩参数的控制

管桩施工技术是为了提高软土地基的可靠性和安全性，为了将预应力管桩的效果最大限度地发挥出来，预应力高强混凝土管桩在软土地基施工过程中应该对极限承载力、使用极限状态进行科学合理的分析，并对各种参数进行严格的控制。

（1）基于可靠度指标，对桩的可靠性进行综合分析，并精确地对各种因素进行趋势分析，并对桩的极限状态进行数值计算。

（2）通过荷载效应、地震效应的联合分析，精确确定桩基础的极限承载能力，并将荷载、地震效应的取值与地震效应相结合，使桩基础极限承载能力达到要求。

（3）以正常服役极限状态为基准对桩基础的抗裂度、裂缝宽度、水平位移等进行验算，并结合实际服役需求和裂缝控制需求，采用荷载作用的短期效应组合方式对桩基础的参数进行计算，并依据长期效应组合对桩基础的影响对桩基础的参数进行严格控制。

（4）根据软土地基特点对预应力管桩的承载能力参数、桩身承载力参数、桩身使用极限状态参数等进行严格控制，以保证桩身整体结构参数的科学合理。

2.4.2 预应力高强混凝土管桩参数控制

对软土地基上的预应力高强混凝土管桩进行参数控制时，需要对单桩竖向承载力参数、抗裂弯矩和极限弯矩等参数进行合理设置，保证各种参数都能够满足技术的应用标准和规范的要求，进一步提高软土路基施工质量。

2.4.3 抗裂和极限弯矩参数控制

根据施工技术的特点以及预应力高强混凝土管桩的实际情况进行好抗裂和极限弯矩参数的计算控制工作，为提高管桩施工强度、稳定性奠定基础。

2.5 管桩施工方法

软土地基工程项目建设中要根据预应力高强混凝土管桩特性以及现场实际情况，选择最优施工方法，以此提高工程施工质量和水平。

2.5.1 锤击施工法

在预应力高强混凝土管桩施工中，锤击沉桩技术得到广泛应用。其中，由于预应力高强混凝土管桩整体结构强度高具有耐打击性能和穿透力，而柴油锤设备具有爆发力和能量大特点，适用于管桩沉桩施工，且锤击施工法应用十分简便，施工速度很快，锤击作用时间长，以随时根据贯入阻力高低来调节锤击应力。为进一步提高锤击施工法应用效果和施工水平，预应力高强混凝土管桩在软土地基施工过程中应注意以下几点：

（1）选择合适柴油机打桩锤装备。施工技术部门要根据工程项目地质条件和环境特点选择可将管桩顺利沉桩到的设计深度，确保桩体结构承载力符合要求，桩体破损率在1%以下贯入度满足设计标准柴油打桩锤设备，防止由于设备选用不当而引起施工问题。使用柴油打桩锤设备进行施工时，应结合管桩结构尺寸、规格特点制定出完善管桩施工方案和计划，利用柴油打桩锤系统化、规范化进行相关施工工作，使得管桩可以更快地被压入到土体之中，有效地解决软土地基问题，提高地基结构强度、稳定性和可靠性，保证对软土地基处理效果和施工效果提高，以满足目前软土地基施工处理的实质需要。

（2）对桩身和锤头收放进行合理控制。鉴于沉桩回锤过程中收锤控制，将直接影响到沉桩施工质量，对此，应按照管桩承载力设计规范减少沉桩破坏为目，严格进行沉桩回锤过程控制。如根据工程现场地质特点和管桩类型长度等，精确计算管桩承载力指标，对柴油锤冲击能量特征进行分析，在收锤控制过程中，合理设定桩入土深度指标、锤击参数指标、总锤击数量指标、最后锤击数或者最后贯入度指标等提高收锤管理效果。

（3）对下桩速度及次序进行控制。软土地基施工过程中，由于在桩体挤压下饱和淤泥层中水分不易被排除，很难保证土体挤压作用，使得在沉桩过程中，会出现土体隆起问题导致管桩周围土壤摩阻力下降，甚至会引起桩体结构偏移和倾斜，因此，在沉桩过程中要注意控制好成桩速率和次序，防止由于沉桩速率过快而导致土体隆起问题及保障工程建设质量。同时，在打桩过程中要持续跟进，不能中途停歇，保持管桩桩身垂直度在合理范围，避免打偏，保证锤击施工工作顺利进行[4]。

2.5.2 静压施工法

静压施工法主要是利用静压力桩基设备压桩部分、桩架配重形成反作用力，使预应力高强混凝土管桩可以压入土体成桩。与锤击沉桩法比较，静压施工法噪声问题降低，不会出现污染、振动现象，可进行连续施工，在缩短工期、提高效益上具有促进意义。具体施工原则如下：

（1）压桩装备科学选择。建设单位要根据工程特点、地质情况等，依据有关标准、规范，对管桩承载能力进行合理选择。如压装设备吨位不适将会造成管桩不能正常压入土体，使得桩体结构承载性能不能满足设计标准，反之，如而压装设备吨位过大，则有可能出现陷机情况，所以，在施工前，应对压桩机进行合理选择，使用在管桩极限承载力1.2 到1.5 倍压装设备，避免对工程施工质量造成影响。

（2）静压桩施工过程中，桩身极限承载力与压力配合问题。当管桩结构在静压作用下沉到软土地基时，桩周社会发生挤压扰动，土体中孔隙水会在静压作用下升高，管桩周边土体会发生塑性化，其抗剪强度会下降，而管桩则会直接插入到软土地基中，在沉桩过程中，其摩擦力主要来自桩周土冲切力，沉桩阻力并不会随管桩插入深度增大而增大，而是受桩周土冲切力阻力影响。同时，不同土层中的沉桩阻力为恒定，这种情况下，需要通过电脑自动生成沉桩阻力曲线，以反映桩周土阻力变化，进而根据实际情况进行施工控制[5]。