預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鉆孔灌注樁的工程特性對(duì)比

孫路遙 趙 林

(1.安徽省公路橋梁工程公司，安徽合肥 230031;2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引言

PHC管樁，即預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁，是采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過(guò)10個(gè)大氣壓、1 800℃ 左右的蒸汽養(yǎng)護(hù)，制成一種空心圓筒型混疑土預(yù)制構(gòu)件。按照施工工藝不同可分為后張法預(yù)應(yīng)力管樁和先張法預(yù)應(yīng)力管樁，按混凝土強(qiáng)度等級(jí)和壁厚分為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、薄管管樁等。灌注樁是指直接在所設(shè)計(jì)的樁位上開(kāi)孔，其截面為圓形，之后在孔內(nèi)加放鋼筋籠，灌注混凝土而成的構(gòu)件。工程中較為常見(jiàn)的有人工挖孔灌注樁、鉆孔灌注樁、嵌巖灌注樁、干作業(yè)成孔灌注樁、泥漿護(hù)壁成孔灌注樁等。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和灌注樁在工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，它們存在有各自的特點(diǎn)與適用條件，實(shí)際工程應(yīng)用中如何科學(xué)選擇合理的樁型是保證工程建設(shè)質(zhì)量、節(jié)約資金的關(guān)鍵所在。本文主要從工程地質(zhì)適用條件，優(yōu)缺點(diǎn)，承載力特征以及施工后的承載力增長(zhǎng)規(guī)律等方面對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁和灌注樁進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，為其研究及工程應(yīng)用提供有益的參考和指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)適用條件對(duì)比分析

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的沉樁施工方法主要包括靜壓法與錘擊法兩種，無(wú)論采取哪種沉樁方法，都具有一定的適用性，對(duì)于一些特殊的工程地質(zhì)條件，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是不適用的。從目前的研究與工程應(yīng)用總結(jié)來(lái)看，預(yù)應(yīng)力管樁在軟土、粘土、砂土及風(fēng)化基巖地質(zhì)條件下一般均可使用。但是，在遇有土層中夾有難以消除的障礙物和孤石、不適宜作為持力層的堅(jiān)硬夾層、巖溶發(fā)育地區(qū)(灰?guī)r面上沒(méi)有合適的持力層)、基巖或密實(shí)碎石土以上土層為淤泥等松軟土層等地質(zhì)條件下，不宜采用管樁，否則，可能會(huì)發(fā)生工程事故。

當(dāng)前研究與工程應(yīng)用實(shí)例證明，在下列情況下適宜進(jìn)行灌注樁，尤其是人工挖孔管樁:

1)地表軟弱土層較厚，或地表局部有暗流、深坑、有古河道等，不宜作為基礎(chǔ)持力層;或是場(chǎng)地上部有可液化土層，為滿足地震設(shè)防要求，需用樁穿過(guò)液化層，將荷載傳遞到深部非液化土層上;亦或是山區(qū)、坡地的覆土層厚薄不一，變化梯度較大，可能引起不均勻沉降或滑坡的場(chǎng)地。2)倉(cāng)庫(kù)、港口集裝箱堆場(chǎng)等有大面積堆載的建筑物、豎向荷載較大的高層建筑或高聳構(gòu)筑物、容易使軟弱地層產(chǎn)生過(guò)量的變形和不均勻沉降的場(chǎng)地。3)因生產(chǎn)工藝對(duì)地基沉降與沉降速率有嚴(yán)格要求的廠房，某些承受動(dòng)力荷載的設(shè)備基礎(chǔ)。

2 優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比分析

PHC管樁是經(jīng)嚴(yán)格工序在工廠生產(chǎn)出來(lái)的樁體，其質(zhì)量可靠?？傮w而言，PHC管樁具有單樁承載力高，設(shè)計(jì)選用范圍廣，施工速度快、工效高、工期短，造價(jià)便宜，成樁質(zhì)量較可靠、樁身耐打、穿透力強(qiáng)，施工現(xiàn)場(chǎng)文明，現(xiàn)場(chǎng)整潔，監(jiān)理方便等突出優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)民用建筑工程、道路橋梁工程以及港口工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

通過(guò)管樁應(yīng)用的實(shí)際來(lái)看，也存在其自身固有的缺點(diǎn)和不足之處，主要表現(xiàn)在:1)無(wú)論是管樁生產(chǎn)還是現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備，均需大量資金投入;2)錘擊法施工時(shí)，存在振動(dòng)劇烈、噪聲大的缺點(diǎn);靜壓法施工時(shí)，施工設(shè)備笨重，進(jìn)出場(chǎng)搬運(yùn)不方便;3)存在強(qiáng)烈的擠土效應(yīng);4)送樁深度受限制;5)不利地層條件下，不能使用管樁。

相比PHC管樁，灌注樁的優(yōu)點(diǎn)在于:

1)單樁承載力較高，略比PHC管樁低。?？梢粯兑恢?，布樁間距大，群樁效應(yīng)小。

2)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。它可以穿越各種復(fù)雜的地層環(huán)境，將樁端置于較為堅(jiān)實(shí)的持力層或嵌入基巖，且施工過(guò)程較容易觀察地層情況，更適宜即時(shí)對(duì)施工遇到的問(wèn)題進(jìn)行處理。

3)施工設(shè)備比較簡(jiǎn)單，輕便，可用簡(jiǎn)單設(shè)備施工出極大承載力的樁，施工基本無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)地面隆起或側(cè)移，也無(wú)濃煙排放，因而對(duì)環(huán)境影響小，對(duì)周圍建筑物、路面或地下設(shè)施等危害小，且施工效率相對(duì)較高，可同時(shí)進(jìn)行施工。

4)經(jīng)濟(jì)效益較好。人工挖孔灌注樁與預(yù)制樁比較一般可降低造價(jià)20%以上，嵌巖灌注樁的造價(jià)約為預(yù)制樁的40%～70%，且配筋率也是比較低的。

5)抗震性能比較好，尤其是除了能承受豎向荷載之外，還能承受較大的水平荷載。故能有效地充當(dāng)坡地抗滑樁以及建筑物基坑開(kāi)挖的支護(hù)樁，還可在基坑開(kāi)挖后繼續(xù)作為地下室的承重墻等永久性結(jié)構(gòu)使用。

灌注樁的不足之處在于:1)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)太多，影響樁的質(zhì)量的因素較多，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)發(fā)生縮徑、斷樁、樁身局部夾泥、樁身混凝土離析、樁頂頂端混凝土疏松等質(zhì)量事故，故質(zhì)量難以得到很好的保證。2)樁底沉渣問(wèn)題難于控制。

3 承載特性對(duì)比分析

預(yù)應(yīng)力管樁沉樁過(guò)程中由于排土作用，會(huì)產(chǎn)生一定的擠土作用。相比沉管灌注樁而言，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工過(guò)程中的擠土效應(yīng)較弱，擠土效應(yīng)對(duì)地基承載力的提高幅度較小。另外，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在沉樁過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生土塞效應(yīng)，形成“土塞”。由于土塞效應(yīng)，致使管樁的荷載傳遞規(guī)律與承載機(jī)理比沉管灌注樁的要復(fù)雜許多。在外界荷載作用下，將產(chǎn)生樁土差異沉降，管樁外側(cè)摩阻力則自上而下發(fā)揮出來(lái)。對(duì)于管內(nèi)摩阻力，只有當(dāng)荷載傳遞到樁端，樁端產(chǎn)生沉降后，開(kāi)始自下而上的逐漸發(fā)揮出來(lái)。在承受荷載較小情況下，管內(nèi)土塞與管樁一起下沉，土塞對(duì)管樁內(nèi)壁不產(chǎn)生摩阻力作用。只有當(dāng)土塞底部受到較大反力作用時(shí)，土塞才產(chǎn)生向上的位移，土塞與管樁之間才會(huì)出現(xiàn)差異沉降，其內(nèi)側(cè)摩阻力才得以逐步發(fā)揮。一般情況下，不可能使土塞全長(zhǎng)的摩阻力都發(fā)揮出來(lái)。

沉管灌注樁在成樁過(guò)程中，由于其一般直徑較大，對(duì)樁周土?xí)a(chǎn)生強(qiáng)烈的擠土作用，使樁周土擾動(dòng)重塑，側(cè)向壓應(yīng)力增加。對(duì)于不同的土體來(lái)說(shuō)，擠土作用的效果是不一樣的。對(duì)于非飽和土地基，由于受到水平向的強(qiáng)烈擠壓作用，土中氣體被擠出，孔隙比減小，土體密實(shí)度增加，可提高樁側(cè)摩阻力;土體越松散，粘粒含量越低，其擠密作用幅度越大。對(duì)于飽和粘性土地基，由于其滲透系數(shù)低，在受到側(cè)向擠壓時(shí)，孔隙水難以及時(shí)排出，土體難以發(fā)生瞬時(shí)固結(jié)壓縮變形，從而導(dǎo)致土體中形成超孔隙水壓力，超孔隙水壓力達(dá)到一定程度后，地基土結(jié)構(gòu)破壞，土體產(chǎn)生橫向位移和豎向隆起變形。

4 承載力增長(zhǎng)機(jī)制對(duì)比分析

預(yù)應(yīng)力管樁與灌注樁施工完成后，地基承載力都有一定程度的提高。就沉管灌注樁而言，承載力的提高原因一方面是由于土的固結(jié)時(shí)效，施工過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力的逐漸消散，樁側(cè)土體發(fā)生固結(jié)，土的有效應(yīng)力和密實(shí)度之間增大;另一方面，樁周土的強(qiáng)度由于施工擾動(dòng)而降低，隨著施工的結(jié)束，發(fā)生觸變恢復(fù)作用，從而使樁周土承載力提高。

鉆孔灌注樁在施工過(guò)程中，由于不產(chǎn)生擠土作用，不會(huì)引起超孔隙水壓力，且土的擾動(dòng)范圍也比較小，因此，經(jīng)處理后的地基承載力提高幅度較沉管灌注樁要小許多。鉆孔灌注樁樁周土的強(qiáng)度與承載力的變化主要是由于土體受到施工擾動(dòng)后的觸變恢復(fù)作用所致。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在沉樁過(guò)程中，擠土作用不是很強(qiáng)，其工后效應(yīng)較沉管灌注樁要小。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工完成后的地基承載力增加原因與沉管灌注樁的工后效應(yīng)原理是基本一致的。承載力的提高也是由于超靜孔隙水壓力的消散與樁周土強(qiáng)度觸變恢復(fù)的原因所致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分別從工程地質(zhì)適用條件，優(yōu)缺點(diǎn)，承載力特征以及施工后的承載力增長(zhǎng)規(guī)律等不同角度對(duì)比分析了預(yù)應(yīng)力管樁與灌注樁的工程特性的差異。得到了一些有益的認(rèn)識(shí)，可為實(shí)際工程選擇及應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

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