預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)發(fā)展展望

陳　可，楊成斌，費廣清，徐紹俊，吳　昊

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥　230009 2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥　230000)

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預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)發(fā)展展望

陳可1，楊成斌1，費廣清2，徐紹俊1，吳昊1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥230009 2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥230000)

摘要：文章介紹了目前建筑行業(yè)出現(xiàn)的新型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁出現(xiàn)的新的混凝土摻合料以及超強性能混凝土，為了降低管樁生產(chǎn)成本、保護環(huán)境，我國開始研究和應(yīng)用免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝，為了提高管樁的工作性能，出現(xiàn)了許多新的施工方法，如引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等。

關(guān)鍵詞：管樁；生產(chǎn)工藝；節(jié)能減排；施工技術(shù)

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的生產(chǎn)廠家已逾600家，分布在全國24個省市自治區(qū)(港澳臺除外)，從規(guī)模和產(chǎn)能來說，大部分集中在浙江、江蘇、廣東、山東、福建5省。其中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的產(chǎn)品規(guī)格有：PHC樁和PC樁外徑系列300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1400 mm十個規(guī)格，局部地區(qū)還少量生產(chǎn)350 mm、450 mm和550 mm規(guī)格PHC樁和PC樁；PTC樁外徑系列300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm七個規(guī)格。生產(chǎn)和使用的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單節(jié)長度最長已達56 m[1]。

目前，我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁行業(yè)僅有20多年的發(fā)展歷史，在未來很長一段時期，隨著我國的基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展，管樁行業(yè)還會持續(xù)發(fā)展，隨著當(dāng)今世界對節(jié)能減排、綠色無污染發(fā)展的重視，管樁行業(yè)也會向著更加環(huán)保、節(jié)能、自動化的方向前進，管樁行業(yè)會在優(yōu)化已有技術(shù)的同時，開發(fā)出更新的原材料，更先進的生產(chǎn)工藝和施工技術(shù)，促進管樁行業(yè)的快速、可持續(xù)發(fā)展。

1預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新樁型

1.1大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

目前預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用受力鋼筋主要為pc鋼棒，由于pc鋼棒抗拉強度可達1 422 MPa，且表面有槽痕，能與混凝土有良好的握裹力，焊接性能良好，故在預(yù)制混凝土管樁中大量使用，且能滿足大多數(shù)工程要求，但近年來各種大工程大管樁不斷涌現(xiàn)，特別是碼頭橋梁等工程，對管樁承載力提出了更高的要求，因此大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(圖1)應(yīng)運而生，其受力鋼筋由傳統(tǒng)的pc鋼棒改為抗拉強度為1 570 MPa或1 860 MPa的鋼絞線，克服了普通混凝土管樁的弱點而保留了其優(yōu)點，力學(xué)性能有較大的提高，工程性能尤其是韌性和耐錘擊性能也明顯優(yōu)于現(xiàn)有的PHC管樁和大管樁[2]，中交第三航務(wù)工程局有限公司已對該樁型進行試驗和應(yīng)用，取得了良好的效果，適合進一步研究和推廣。

圖1　大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

1.2預(yù)應(yīng)力高強混凝土耐腐蝕管樁

預(yù)應(yīng)力高強混凝土耐腐蝕管樁[3]主要在于所用材料耐腐蝕和適當(dāng)?shù)姆栏胧?，對于耐腐蝕管樁樁身，可以針對不同的腐蝕介質(zhì)，使用特制防腐水泥或混凝土，如抗硫酸鹽水泥、水玻璃耐酸混凝土以及硫磺耐酸混凝土等，或摻入高性能耐腐蝕外加劑，或在管樁外表面涂上有機硅混凝土保護劑；對于混凝土內(nèi)鋼筋，一般是加大混凝土保護層厚度，也可以在不影響鋼筋與混凝土的握裹力和物理力學(xué)特性的情況下，涂上鋼筋阻銹劑加以保護[4]。

1.3H型鋼混凝土樁

H型鋼混凝土樁，現(xiàn)在日、韓等國開始大量使用H型鋼混凝土樁，它具有許多普通管樁無法比擬的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)的鋼樁與混凝土優(yōu)點較為完美的結(jié)合。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和我國國力的日漸雄厚，工程安全可靠性進一步要求我國逐步使用H型鋼混凝土樁；該樁中心是H型鋼，周圍是密實的混凝土，立式分模成型，與芯模振動成型壓力管相似，H型鋼有極好的抗彎性能，是一種極有前途的樁型，適合進一步研發(fā)試用。

1.4異性樁

異性樁是指外形不同，內(nèi)腔為圓形，同樣是采用離心工藝制作的各型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。如外方內(nèi)圓的空心樁(圖2)，其布筋布置有的是圓形，如美國早期生產(chǎn)的空心樁；也有主筋呈方形布置的空心方樁；還有外形為正八邊形的八角空心樁(圖3)；有外方帶槽的內(nèi)圓空心樁；外形為五、六邊的五角、六角空心管樁；外形為帶肋的竹節(jié)樁(圖4)。以上均屬于異型樁類。

圖2預(yù)應(yīng)力空心方樁圖3八角形樁圖4竹節(jié)樁

1.5復(fù)合材料筋與鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

玻璃纖維增強塑料(GFRP)是一種由樹脂和玻璃纖維復(fù)合組成的新型材料，它相對于普通鋼筋具有防腐性、抗拉強度高、抗沖擊性能好、便于切割及重量輕等顯著優(yōu)點。目前國外已有混凝土結(jié)構(gòu)中使用GFRP筋代替鋼筋應(yīng)用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭等工程中。

玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，是采用GFRP筋的配置來改善預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能和耐久性，是一種高抗彎性能、耐久性好、抗震性能好、造價低、節(jié)省鋼材、施工和運輸方便以及對水平荷載要求高的區(qū)域的混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土支護樁，具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種極有前途的樁型。

2新材料、工藝及施工技術(shù)的研究

隨著我國工程建筑向著超高層、大跨度的方向發(fā)展，已有的技術(shù)會被不斷創(chuàng)新和迭代，縱觀我國管樁發(fā)展史，技術(shù)創(chuàng)新從未停止，各管樁企業(yè)和科研工作者在理論和實踐的基礎(chǔ)上研發(fā)了許多新的材料、工藝及施工技術(shù)，促進了我國管樁行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

2.1新材料的應(yīng)用

在混凝土管樁中，用摻合料與減水劑雙摻可以提高混凝土的工作性能，縮短混凝土管樁養(yǎng)護時間。常見的混凝土摻合料有磨細砂、礦渣、粉煤灰、硅灰、石灰粉和鋼渣等，目前研發(fā)應(yīng)用的新型摻合料有很多種，總體向著摻合料細小化的方向發(fā)展，因為細小的摻合料會充填在骨料孔隙中，減少孔隙水含量，從而減少用水量，而且摻合料顆粒越細小，比表面積就越大，與水泥中化學(xué)物質(zhì)之間的分子力越大，能吸附大量的化學(xué)物質(zhì)，從而大大促進混凝土的水化作用，提高混凝土管樁性能。目前新型的摻合料有磨細石灰石粉、超細粉煤灰、納米CaCO3，王充總結(jié)了超細礦物摻合料與減水劑共同作用下的機理，他認為超細礦物摻合料具有“微集料效應(yīng)”“形貌效應(yīng)”“比重效應(yīng)”以及“分散效應(yīng)”[5]。

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete UHPC)是一種力學(xué)性能好、韌性高、耐久性好、穩(wěn)定性強的新型混凝土材料，它的基本配制原理是：不使用粗骨料，細骨料的最大粒徑不超過300微米[6]，加入水泥、高效減水劑、超細粉煤灰等超細礦物摻合料以及微細鋼纖維，UHPC是法國Bouygues公司Richardt等人于1993年研制出來的，覃祖于1998年首次把UHPC相關(guān)理論引入中國進行研究，由于缺乏相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)，而且價格昂貴，目前國內(nèi)超高性能混凝土還停留在理論研究和試驗性工程，并未應(yīng)用于實際工程，國外也僅有少量工程應(yīng)用，UHPC以其超強的力學(xué)性能和耐久性，應(yīng)用前景非常樂觀。

2.2免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝

隨著我國社會的發(fā)展，對環(huán)境保護和生產(chǎn)成本的要求越來越高，PHC管樁生產(chǎn)工藝的缺點也就日益突出，成為擺在人們面前亟待解決的問題。近幾年我國很多人開始研究免蒸壓養(yǎng)護的技術(shù)，它用蒸汽養(yǎng)護-自然養(yǎng)護來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護-蒸壓養(yǎng)護，通過添加高強摻合料和高效減水劑，使管樁在蒸汽養(yǎng)護階段就達到較高強度，再在自然養(yǎng)護的條件下使管樁強度達到C80的強度要求。日本在免蒸壓預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁方面的研究已有40多年的歷史，目前已經(jīng)形成一套完善的免蒸壓法生產(chǎn)技術(shù)，總結(jié)起來有四條：① 提高水泥漿體的強度。② 改善骨料強度。③ 改善水泥漿和骨料表面的粘結(jié)強度。④ 改善拘束條件下的強度[7]。日本目前利用免蒸壓技術(shù)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出C80、C105和C123等級的高強度PHC管樁。

2.3新型施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁最常用的施工方法是靜壓法和錘擊法，但這兩種方法都存在一定的弊端，兩種方法都存在擠土效應(yīng)，導(dǎo)致臨近樁身發(fā)生偏斜、上抬，甚至斷裂。

(1) 引孔靜壓法。引孔靜壓法是鉆孔法與靜壓法相結(jié)合的新型施工方法，其先用鉆機鉆一個孔徑略小于管樁直徑的鉆孔，以小于管樁直徑20～50 mm為宜，鉆孔深度以小于樁底設(shè)計標高以上0.5～1.0 m為宜[8],然后用靜壓法或抱壓式靜力沉樁機將管樁壓至設(shè)計標高。該方法大大減小了土體的擠土效應(yīng)，充分發(fā)揮了管樁的樁身極限承載力，而且顯著提高了管樁的打入深度，擴大了其適用范圍。

(2) 靜鉆根植法。靜鉆根植法是先用螺旋鉆機鉆出一個比管樁直徑稍大的鉆孔，鉆至管樁設(shè)計深度后注入樁端水泥漿，然后邊提鉆邊注入樁周水泥漿，并攪拌均勻，完成后再進行植樁工作，利用樁身自重將管樁植入孔中。這種施工方法也克服了擠土效應(yīng)，而且其側(cè)摩阻力的發(fā)揮是由樁周水泥與土體提供的，比樁-土的側(cè)摩阻效果更好，與相同條件下的鉆孔灌注樁相比，其側(cè)摩阻力提高了5%～10%，工程造價減少了10%左右[9]。

(3) 中掘法。中掘法又叫隨鉆跟管法，是將螺旋鉆機鉆桿套在管樁中，鉆孔直徑與管樁內(nèi)徑相同，在鉆進的過程中用抱壓沉樁機將管樁同步下壓，鉆至設(shè)計深度后在樁底擴孔灌水泥漿，以提高樁端承載力，同時管樁也植入到位。這種方法將鉆孔、沉樁、注漿等施工流程無縫地連接了起來，提高了工作效率。

3結(jié)束語

(1) 隨著我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用越來越廣泛，新的樁型就應(yīng)運而生，這些新樁型具有明顯的優(yōu)點和廣泛的適用范圍。

(2) 新樁型離不開新材料，由于超細礦物摻合料顆粒細小，比表面積大，與減水劑雙摻使用，能夠有效減少單位體積混凝土用水量，減少水泥用量，增加混凝土漿體和易性，提高混凝土的工作性能。

(3) 免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝用蒸汽養(yǎng)護-自然養(yǎng)護來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護-蒸壓養(yǎng)護，能夠有效節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本。

(4) 引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等新的施工方法與傳統(tǒng)的施工相比，具有污染小、施工快、適用范圍廣、對管樁承載力影響小、施工效率高等優(yōu)點，具有很高的推廣價值。

〔參考文獻〕

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收稿日期：2016-03-21；修改日期：2016-03-25

作者簡介：陳可(1992-)，男，河南開封人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生； 楊成斌(1962-)，男，安徽滁州人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)教授級高工．

中圖分類號：TU473.13

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0230-03