硬黏土地區(qū)綠色混凝土管樁關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

郭楊 ， 樂騰勝

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230032；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230032）

1 前言

綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，最大限度的實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的建筑。樁基礎(chǔ)作為建筑物結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其綠色設(shè)計(jì)與施工勢在必行。

隨著我國城市化建設(shè)快速發(fā)展，硬黏土地區(qū)樁基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，樁基承載力越來越高，傳統(tǒng)的灌注樁基礎(chǔ)造價(jià)高、施工周期長、施工易造成環(huán)境污染，不符合綠色樁基的發(fā)展要求。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化施工、承載力高、造價(jià)低、工期短、施工環(huán)保等優(yōu)勢，符合綠色樁基的發(fā)展方向。但在硬黏土地區(qū)的應(yīng)用管樁仍存在以下兩個突出問題：一方面，管樁施工過程中擠土效應(yīng)顯著，容易出現(xiàn)樁身上浮、接頭松脫、沉樁深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、豎向承載力和水平承載力不足等問題；另一方面，現(xiàn)有管樁質(zhì)量檢測技術(shù)存在局限，不能準(zhǔn)確查明管樁的施工質(zhì)量[1]。

針對上述問題，筆者所在課題組歷時(shí)10余年通過模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法，在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的設(shè)計(jì)、施工和樁身質(zhì)量檢測驗(yàn)收等方面開展深入研究，取得了關(guān)鍵性的技術(shù)研究成果，實(shí)現(xiàn)了硬黏土地區(qū)綠色預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的推廣應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)

硬黏土分布廣泛，除沿江沿海和山地丘陵外，我國大部分城市都建于硬黏土地區(qū)。硬黏土具有顯著的剪脹性、低壓縮性和高強(qiáng)度等特性。較軟土地區(qū)而言，硬黏土地區(qū)推廣使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，綜合性價(jià)比更高。

2.1 豎向極限承載力計(jì)算

通過對近3000組試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，提出硬黏土地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的豎向極限承載力公式（1）[2]。

式中：ξsi為管樁第i層土（巖）的側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)；ξp為管樁第i層土（巖）的端阻力增強(qiáng)系數(shù)。在大量工程案例驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，給出了硬黏土地區(qū)管樁側(cè)摩阻力修正系數(shù)和端阻力增強(qiáng)系數(shù)，其中ξsi在1.00～1.20 之間，ξp在 1.00～1.50 之間。

2.2 壓樁力與極限承載力的關(guān)系

通過對硬黏土地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到硬黏土地區(qū)壓樁力與極限承載力的區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)公式（2）[3]。

式中：β為不同持力土層修正系數(shù)，一般對于15～22m之間的中長樁取1.4～1.7，對于6～15m之間的短樁取 1.7～2.1。

3 施工技術(shù)

3.1 管樁擠土效應(yīng)的理論研究

采用圓孔擴(kuò)張理論模擬預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的施工過程，把土體的幾何形狀、約束、荷載都看成是對稱于管樁的中軸線，假定按平面軸對稱問題考慮[4]，土體計(jì)算單元如圖1所示。

推導(dǎo)出半徑r處的徑向應(yīng)力：

圖1 土單元計(jì)算模型

推導(dǎo)出彈性區(qū)半徑r處的位移表達(dá)式：

老黏土地區(qū)管樁沉樁時(shí)樁周土的塑性位移計(jì)算結(jié)果表明：老黏土地區(qū)管樁壓入土體影響范圍為管樁外徑的4～7倍，擠土效應(yīng)顯著，沉樁時(shí)土體的變形會引起相鄰管樁的傾斜、上浮和樁身損壞。

3.2 消除管樁擠土效應(yīng)的技術(shù)措施

為減少打樁引起的擠土效應(yīng)影響，課題組提出了十項(xiàng)技術(shù)措施[5]，如表1。建議管樁施工時(shí)采用下列一種或者多種技術(shù)措施，以減少硬黏土地區(qū)的擠土效應(yīng)。

消除擠土效應(yīng)技術(shù)措施一覽表 表1

4 質(zhì)量檢測技術(shù)

4.1 管樁樁身混凝土強(qiáng)度檢測

目前預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身混凝土檢測一般采用鉆芯法檢測，主要依據(jù)是《鉆芯檢測離心高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 19496-2004）[6]標(biāo)準(zhǔn)。但該方法存在眾多局限性，如芯樣一般沿管樁徑向鉆取，與管樁實(shí)際受力方向不符；試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，評定方法容易引起爭議；檢測周期較長[7]。

隨著我國壓力試驗(yàn)設(shè)備能力的提升，課題組提出了樁身混凝土全截面抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁上直接截取全截面管樁環(huán)形試件，截取試件時(shí)應(yīng)避開管樁螺旋筋加密區(qū)。試件的高徑比應(yīng)為1.0～2.0，試件高度的尺寸偏差不宜大于5%。試驗(yàn)前，應(yīng)對試件的垂直度和平整度進(jìn)行測量，并符合：試件端面的平整度在100mm長度內(nèi)，不超過0.1mm以及試件端面與與軸線的垂直度不超過2°這兩點(diǎn)要求。

抗壓試驗(yàn)在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁全截面試件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下列公式（5）計(jì)算。

式中：fcu——試件抗壓強(qiáng)度值（MPa），精確至0.1MPa；

P——試件抗壓試驗(yàn)測得的破壞荷載（N）；

A——預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身橫截面計(jì)算面積，預(yù)應(yīng)力鋼棒應(yīng)按模量等效換算為混凝土面積（mm2）；

ξ——試件抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)，當(dāng)試件高徑比為1.0時(shí)，宜取1.0。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身全截面抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖如圖2所示，全截面抗壓強(qiáng)度結(jié)果更加接近于試驗(yàn)混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)對鉆芯法的檢測結(jié)果評價(jià)有爭議時(shí)，可采用管樁全截面抗壓試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。該方法已被寫入國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 406-2017）[8]。

圖2 樁身全截面抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖

4.2 管樁樁身完整性檢測技術(shù)

現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）[9]利用反射波法反算缺陷位置時(shí)，計(jì)算示意圖如圖3，計(jì)算采用公式（6）。

式中：x為樁身缺陷至傳感器安裝點(diǎn)的距離；Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時(shí)間差；ΔT為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時(shí)間差；L為樁長。

圖3 現(xiàn)行規(guī)范管樁缺陷反演分析示意圖

式（6）是建立在一維理論基礎(chǔ)上的，沒有考慮三維效應(yīng)的影響。由圖4可以明顯地看出應(yīng)力波在管樁中傳播存在三維效應(yīng)，課題組考慮三維效應(yīng)，對計(jì)算公式（6）進(jìn)行三維修正，得出了管樁缺陷位置反演的計(jì)算公式（7），根據(jù)橫波從樁頂敲擊點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)所用時(shí)間近似等于 td，得出公式（8）[10]。

圖4 管樁淺部深度環(huán)向線的三維波場圖

通過對管樁缺陷位置的三維反演研究，不難得出：到在樁頂時(shí)域曲線上，測點(diǎn)處速度波第一峰的對應(yīng)時(shí)間比激振點(diǎn)處有一定滯后，考慮到管樁的三維效應(yīng)的修正方法，可使反演誤差大大減小，尤其是淺部缺陷，試驗(yàn)樁的反演結(jié)果與實(shí)際值接近，能更好地指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用[11]。

4.3 管樁承載力檢測方法

目前最常用的管樁承載力檢測方法為靜載試驗(yàn)，包括單樁豎向抗壓（拔）靜載試驗(yàn)和單樁水平靜載試驗(yàn)。當(dāng)在樁身埋設(shè)有應(yīng)變測量傳感器時(shí)，也可以測量相應(yīng)荷載作用下的樁身應(yīng)力，并由此計(jì)算樁身彎矩。靜載試驗(yàn)是目前公認(rèn)的檢測基樁承載力最直觀、最可靠的試驗(yàn)方法。

除了靜載試驗(yàn)外，高應(yīng)變也是判別單樁豎向抗壓承載力是否滿足要求的一種評價(jià)方法。高應(yīng)變法檢測成本低（相對靜載而言），抽樣數(shù)量比靜載多，可用于預(yù)制樁的打樁監(jiān)控和部分工程的承載力驗(yàn)收檢測。因高應(yīng)變檢測結(jié)果與靜載試驗(yàn)的結(jié)果存在較大差別，國內(nèi)某些?。ㄊ校┮褔?yán)格限制該方法的使用范圍[12]。

4.4 預(yù)應(yīng)力管樁新技術(shù)

針對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁水平和抗拔承載力不足的技術(shù)問題，課題組發(fā)明了一種玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預(yù)制管樁新技術(shù)和抱箍式連接抗拔管樁。

4.4.1 玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預(yù)制管樁

玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預(yù)制管樁（簡稱PRC-G樁）新技術(shù)如圖5和圖6。即在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中加入一定數(shù)量的GFRP筋，通過有效發(fā)揮GFRP筋抗拉性能，顯著提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎承載力[13]。PRC-G樁抗彎性能試驗(yàn)表明：玻璃纖維筋的配置顯著提高了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能；與同型號PHC管樁相比，PRC-G樁的開裂荷載提高了112%，極限荷載提高了150%[14]。

圖5 PRC-G樁

圖6 PRC-G樁圓截面布筋示意圖

圖7 抱箍式連接抗拔管樁接頭

4.4.2 抱箍式連接抗拔管樁接頭

管樁接頭的抱箍式連接如圖7，抱箍式連接抗拔管樁接頭主要由特制端板和抱箍式連接件組成，抗拔管樁端板比常規(guī)管樁端板強(qiáng)度更高，且端板外周設(shè)置有與U形抱箍卡配套的卡口，端板外周設(shè)置配套的螺栓孔；抱箍式連接頭抗拉試驗(yàn)表明：抱箍式連接接頭抗拉強(qiáng)度比焊接連接頭抗拉強(qiáng)度提高100%以上[15]。

5 標(biāo)準(zhǔn)制訂情況

預(yù)制混凝土樁行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制訂也取得了新進(jìn)展，以國家標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476-2009）和國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G 409）為基礎(chǔ)，相繼編制了國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 406-2017）、《預(yù)應(yīng)力混凝土異型預(yù)制樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 405-2017）、《靜壓樁施工技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 394-2017）等。

2006年以來，安徽省先后制定了《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔管樁（抱箍式連接）》（DBJT11-166）、《機(jī)械連接預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁》（DBJT11-179）、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（DB34 5005-2014）、《預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（DB34/T 5014-2015）、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（DB34/T 5015-2015）、《玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋地下工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB34/T 5065-2016），內(nèi)容涵蓋了安徽地區(qū)地基勘察、管樁制作、規(guī)格和質(zhì)量要求、管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、管樁基礎(chǔ)施工、管樁基礎(chǔ)的檢驗(yàn)與驗(yàn)收等內(nèi)容，加入了眾多安徽老黏土地區(qū)特有的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為管樁在我省推廣應(yīng)用提供了科學(xué)的技術(shù)保障。

6 經(jīng)濟(jì)社會效益

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁關(guān)鍵技術(shù)研究成果已在我省1500多個重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，典型工程如蕪湖長江二橋、濟(jì)祁高速、合肥繞城高速及合肥融科城等，總用樁量約8000多萬m，研究成果有效解決了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收檢測中遇到的技術(shù)難題。

在同等承載條件下，硬黏土地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與常規(guī)混凝土灌注樁相比，節(jié)約基礎(chǔ)工程造價(jià)30%以上，縮短工期40%以上，且施工環(huán)保無污染，符合綠色施工要求和建筑工業(yè)化發(fā)展方向。

7 應(yīng)用展望

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在我國推廣應(yīng)用已近30年，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年全國管樁銷售量約為5億m。隨著新材料、新工藝和新樁型的進(jìn)一步研發(fā)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

①新材料方面。采用蒸養(yǎng)生產(chǎn)的管樁，應(yīng)用磨細(xì)礦物摻合料后，其配制的混凝土性能和技術(shù)效果優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)下的混凝土性能。采用免壓蒸生產(chǎn)的管樁，應(yīng)用納米微珠超細(xì)粉，能使混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度更高，同時(shí)其抗?jié)B性、抗蝕性能也得到極大的改善。

②新工藝方面。為了配合機(jī)械化、自動化生產(chǎn)線的需要，已研發(fā)出了泵送喂料設(shè)備、自動吊具、自動清模機(jī)、自動噴涂脫模劑等設(shè)備，并正在逐步完善。這些設(shè)備的應(yīng)用，減輕了操作工人的勞動強(qiáng)度、減少了用工數(shù)量、改善了安全生產(chǎn)環(huán)境、提高了工效。

③新樁型方面。未來，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新樁型的研發(fā)包括大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土耐腐蝕管樁、免蒸壓預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、H型鋼混凝土樁、異型樁、玻璃纖維復(fù)合材料筋與鋼筋混合配筋的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等內(nèi)容。