PHC管樁機(jī)理分析及施工工藝

李顏艷

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(簡(jiǎn)稱PHC樁),是在近代高性能混凝土(HPC)和預(yù)應(yīng)力技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的混凝土預(yù)制構(gòu)件,它是建設(shè)部科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。PHC樁是專業(yè)工廠里采用先張法預(yù)應(yīng)力和離心成型工藝,經(jīng)過(guò)蒸壓養(yǎng)護(hù)而制成的一種空心圓筒體的等截面構(gòu)件,運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)后,通過(guò)錘擊或靜壓的方法沉入地下作為建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)。這是一種新型的基樁,由于它的優(yōu)良性能,得到了建筑界人士的青睞,在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速,日本、我國(guó)港澳地區(qū)及東南亞各國(guó)使用都很廣泛。廣泛應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、橋梁、港口碼頭、水利工程等,在國(guó)家建設(shè)中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。

1 PHC樁特點(diǎn)

1)單樁承載力高,單位承載力價(jià)格便宜。2)抗彎性能好。3)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。4)應(yīng)用范圍廣。5)施工速度快。6)施工現(xiàn)場(chǎng)文明。

2 PHC管樁處治路基的機(jī)理

1)擠土效應(yīng)現(xiàn)象及解釋。沉樁時(shí),靠近樁尖的土體發(fā)生極限破壞,形成塑性流動(dòng)狀態(tài),向樁尖以下和樁側(cè)向排開(kāi),通常在樁尖處形成4倍～6倍樁徑的球狀擾動(dòng)區(qū),土體擠密、開(kāi)裂、樁尖嵌入,并使樁周土體發(fā)生豎向隆起(表層)和水平徑向位移(深層)。樁體表面存在樁土間的接觸、滑移和摩擦效應(yīng)。樁土接觸面上有較大的剪切作用,使得樁周土體產(chǎn)生相對(duì)樁體的豎向位移和變形。

當(dāng)樁周土體為飽和軟土?xí)r,將產(chǎn)生相當(dāng)高的孔隙水壓力,從而大幅度的降低了土體中的有效應(yīng)力,使土體隆起及水平運(yùn)動(dòng),造成擠土效應(yīng);當(dāng)樁周土為砂土?xí)r,因?yàn)樯巴劣泻軓?qiáng)的排水能力,沒(méi)有超孔隙水壓力產(chǎn)生,但沉樁過(guò)程中樁體的擠壓與振動(dòng)作用會(huì)造成樁周土體應(yīng)力狀態(tài)的改變和土體顆粒的重新排列,也會(huì)產(chǎn)生一定程度的擠土效應(yīng)。

樁的入土體積越大,土的密度提高越高,擠土效應(yīng)的影響范圍就越大,一般在樁側(cè)約為3倍～7倍的樁徑、在樁尖以下約為2.5倍～5倍的樁徑范圍內(nèi)。

2)擠土效應(yīng)的研究方法。靜力壓樁的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)研究、理論分析研究和數(shù)值模擬等方法。其中現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)研究開(kāi)展的最早,人們從實(shí)測(cè)資料中總結(jié)了一些規(guī)律,提出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式,有些地區(qū)性施工技術(shù)手冊(cè)給出了簡(jiǎn)易的計(jì)算方法,如下式:

其中,k1,k2,k3,k′3均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為樁的截面面積,m2,R為計(jì)算點(diǎn)與樁中心的距離,m;ΔH和ΔV分別為計(jì)算點(diǎn)的水平位移和隆起量,m。

模型樁試驗(yàn)也是靜壓樁研究的一種重要手段,以下介紹一種這樣的試驗(yàn)。

試驗(yàn)用模型試驗(yàn)槽平面尺寸為2.0 m×2.7 m,深2.4 m,一面裝有機(jī)玻璃,可以做半模試驗(yàn),觀察土體在沉樁過(guò)程中的位移。試驗(yàn)用砂為普通中砂,最大和最小干密度分別為1.812 g/cm3和1.413 g/cm3。模型樁為半圓形,直徑 8 cm,長(zhǎng)220 cm,用靜壓方式沉入土中80 cm(10倍樁徑)。模型樁與試驗(yàn)槽的距離與樁徑比值達(dá)到70,試驗(yàn)槽壁對(duì)樁土系統(tǒng)的邊界約束很微弱,可將本沉樁試驗(yàn)看作軸對(duì)稱問(wèn)題,填砂方式采用稱重后均勻拋撒,并在填至不同深度時(shí)實(shí)測(cè)填砂的密度與含水量,校核所控制的填砂相對(duì)密度。最終的相對(duì)密度為40%左右。位移觀測(cè)點(diǎn)在樁體一個(gè)側(cè)面及樁尖以下區(qū)域水平均勻布置,通過(guò)觀測(cè)土體的位移可以求得各處土體的密度。試驗(yàn)結(jié)果是,松砂中靜壓沉樁的徑向位移影響區(qū)域在40 cm(5倍樁徑)左右,樁尖以下位移影響區(qū)域?yàn)?倍～5倍樁徑。樁側(cè)以徑向位移為主,樁尖以下土體徑向位移迅速減小,豎向位移顯著增加。受沉樁影響的樁周土分區(qū)示意圖見(jiàn)圖1。

實(shí)際工程中,受沉樁影響的周圍土體范圍沒(méi)有以上松砂試驗(yàn)的那么大。

在理論研究方面,提出的方法有圓孔擴(kuò)張法、應(yīng)力路徑法、有限單元法等。Lambe和Horn在應(yīng)力路徑方法的基礎(chǔ)上,提出了壓樁之后樁周附近土體的隆起和隨后土體的固結(jié)沉降的估算方法。雖然按這個(gè)方法計(jì)算的結(jié)果比實(shí)測(cè)的結(jié)果要大一些,但該估算方法仍是值得應(yīng)用于實(shí)際工程計(jì)算的。Sagaseta應(yīng)用球形孔擴(kuò)張理論得出了地表水平位移和垂直隆起的計(jì)算公式。

3)沉樁過(guò)程中的孔隙水壓力。國(guó)外Milligan等人研究了沉樁過(guò)程中的孔隙水壓力,結(jié)果顯示:超孔隙水壓力等于甚至大于附加應(yīng)力。然而,產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨著離樁距離的增加而急劇下降,即孔壓消散的非?？臁Ａ硗?土的靈敏度對(duì)孔壓大小有顯著的影響,靈敏度高的土中的孔隙水壓力值也高。

4)壓樁過(guò)程中產(chǎn)生的土體位移。當(dāng)樁擠開(kāi)周圍土體時(shí),土體中的總應(yīng)力在增加;同時(shí),樁周土體由于剪切和重塑,有效應(yīng)力在增大或減小(依賴于剪切時(shí)土體趨于膨脹或收縮)。正常固結(jié)黏土不排水剪切時(shí)趨于收縮,故其有效應(yīng)力減小,根據(jù)有效應(yīng)力原理可知,超孔隙水壓力等于總應(yīng)力與有效應(yīng)力之差,因此,正常固結(jié)黏土中孔隙水壓在增加。沉樁完成后,孔隙水壓力將從較高的孔壓區(qū)向較低的孔壓力區(qū)消散,這將使樁周土體產(chǎn)生固結(jié)。所以,靜力壓樁問(wèn)題也是一個(gè)固結(jié)問(wèn)題。

擠土效應(yīng)現(xiàn)象,使土體產(chǎn)生隆起和水平向的擠壓,引起相鄰建筑物和市政設(shè)施的不均勻變形以致?lián)p壞;擠土效應(yīng)引起的環(huán)境影響以混凝土預(yù)制方樁和閉口鋼樁為最,開(kāi)口鋼樁和開(kāi)口混凝土管樁次之。

擠土效應(yīng)不僅影響環(huán)境,也影響到樁基礎(chǔ)本身,靜壓樁施工中常出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題都與擠土效應(yīng)有關(guān)。一個(gè)是樁體上浮問(wèn)題,不少靜壓樁,特別是 PHC管樁,因?yàn)樯细　皯铱铡逼饋?lái),復(fù)壓時(shí)出現(xiàn)了非常大的沉降,很多樁的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,存在著嚴(yán)重的質(zhì)量隱患;另一個(gè)是靜壓樁的“樁塞”問(wèn)題,在滲透性很低的軟土(淤泥、淤泥質(zhì)黏土)地基中壓樁,會(huì)產(chǎn)生很高的孔隙水壓力,若不能很快消散,會(huì)造成沉樁困難,甚至損壞樁身,也就是通常所說(shuō)的“樁塞”現(xiàn)象。同時(shí)由于有效應(yīng)力降低,土體會(huì)發(fā)生隆起和側(cè)向位移,使樁體產(chǎn)生上抬和水平擠動(dòng)。

3 PHC樁沉樁施工

3.1 施工工藝流程

1)施工順序。沉樁施工順序一般宜采用先長(zhǎng)樁后短樁,先大徑后小徑的原則,自中間分兩邊對(duì)稱前進(jìn),或自中間向四周進(jìn)行。2)測(cè)放樁位。測(cè)放的樁位經(jīng)測(cè)量監(jiān)理復(fù)測(cè)無(wú)誤后方可進(jìn)行沉樁,并且每天施工前要檢查即將施打的樁位與鄰樁之間的尺寸是否正確。為便于控制送樁高度設(shè)一定數(shù)量的水準(zhǔn)點(diǎn)。3)樁機(jī)就位。檢查樁機(jī),確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)后移動(dòng)設(shè)備就位、對(duì)中、調(diào)直。4)插樁。先用吊車取樁,起吊前在樁身上畫(huà)出以米為單位的長(zhǎng)度標(biāo)記并將開(kāi)口樁尖焊接到底樁上(短樁無(wú)樁尖),起吊支點(diǎn)宜在樁端(無(wú)樁尖)0.3L處;將樁吊起后,緩緩地將樁一端送入樁帽中,就位準(zhǔn)確后,再用兩臺(tái)經(jīng)緯儀(軸線互相垂直)雙向調(diào)整樁的垂直度,通過(guò)樁機(jī)導(dǎo)架的旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)及停留進(jìn)行調(diào)整;插入時(shí)的垂直度偏差不得超過(guò)0.5%,確保位置及垂直度符合要求后先利用樁錘的自重將樁壓入土中。5)錘擊沉樁。因地層較軟,初打時(shí)可能下沉量較大,宜低錘輕打,隨著沉樁加深,沉速減慢,起錘高度可漸增。在整個(gè)打樁過(guò)程中,要使樁錘、樁帽、樁身盡量保持在同一軸線上。必要時(shí)應(yīng)將樁錘及樁架導(dǎo)桿方向按樁身方向調(diào)整。6)接樁施工。接樁采用端板式焊接接頭。當(dāng)下節(jié)樁的樁頭距地面0.6 m～0.8 m左右時(shí),開(kāi)始進(jìn)行接樁。先將焊接面清刷干凈,再在下節(jié)樁頭上安裝導(dǎo)向箍引導(dǎo)就位,當(dāng)PHC樁對(duì)好后,對(duì)稱點(diǎn)焊4點(diǎn)～6點(diǎn)加以固定,然后拆除導(dǎo)向箍。由兩名電焊工手工對(duì)稱施焊,焊接層數(shù)應(yīng)不小于兩層,內(nèi)層焊渣必須清理干凈后再焊下一層,要保證焊縫飽滿連續(xù)。焊條采用J422焊條,焊條直徑為4.0 mm,3.2 mm。焊接具體操作與要求按FGJ 94-94中的有關(guān)條款之規(guī)定執(zhí)行。焊好的樁接頭應(yīng)自然冷卻3 min～8 min后方可錘擊沉樁。7)在沉樁過(guò)程中碰到異常情況應(yīng)暫停打樁,查明原因后再按處理方案施工。

3.2 成果記錄整理

打樁過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)記錄各種作業(yè)時(shí)間,每打入0.5 m～1 m的錘擊數(shù)、樁位置的偏斜、最后10擊的平均貫入度和最后1 m的錘擊數(shù)等。按規(guī)范要求整理成表并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià),必要時(shí)進(jìn)行靜載與動(dòng)載試驗(yàn)。

3.3 PHC管樁與基礎(chǔ)底板連接技術(shù)

為有效防止基礎(chǔ)上浮并保證基礎(chǔ)和樁基的整體協(xié)同工作,PHC樁必須伸入基礎(chǔ)不少于10 cm,同時(shí)在基礎(chǔ)鋼筋綁扎前,將PHC樁頂部的60 cm高度內(nèi)中空部分灌入混凝土,采用強(qiáng)度不低于C40的混凝土,并微摻UEA膨脹劑(摻量10%),同時(shí)沿孔周邊設(shè)置錨筋。錨筋伸入基礎(chǔ)底板內(nèi),與底板混凝土剛接。

4 結(jié)語(yǔ)

1)PHC樁強(qiáng)度高,抗彎性能好,具有卓絕的貫入性能,施工速度快,工期短。2)PHC樁由于采用預(yù)應(yīng)力螺旋筋,抗裂性好,因此成樁質(zhì)量可靠,不易損壞,實(shí)際施工中,無(wú)一根樁破裂報(bào)廢,這是其他預(yù)制樁所不具有的特點(diǎn)。3)施工現(xiàn)場(chǎng)文明,特別適合工期短、城市環(huán)境條件下的樁基施工。4)“重錘低打”能有效降低錘擊應(yīng)力。樁錘對(duì)樁頭的錘擊速度越快,在樁身上產(chǎn)生的應(yīng)力波強(qiáng)度也越高,即打樁應(yīng)力與錘擊速度成正比,所以為降低錘擊應(yīng)力并保持較好的貫入度,采用了較重的樁錘和較低的速度施打,效果良好。5)選擇合理的打樁施工順序,能減小樁的側(cè)向位移,對(duì)周圍建筑物不會(huì)有大的影響。應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)形狀和長(zhǎng)應(yīng)先里后外,先深后淺,由中心逐漸往外側(cè)對(duì)稱施工。

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