預(yù)應(yīng)力混凝土管樁機(jī)械連接技術(shù)的研究
——探討基礎(chǔ)工程裝配式施工

董曉明，鐘智謙，郭偉佳，劉智文

（1、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣州510010；2、廣州天行機(jī)械接頭有限公司 廣州510010）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為預(yù)制混凝土構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、遵循少規(guī)格、多組合、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，經(jīng)過近30 年的發(fā)展，已由廣東省推廣至全國(guó)各地廣泛使用。對(duì)于結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)的應(yīng)用，目前普遍集中在預(yù)制梁柱、預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯等構(gòu)件，卻忽視了基礎(chǔ)工程中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣、社會(huì)效益顯著的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。現(xiàn)階段管樁裝配式連接技術(shù)較成熟的機(jī)械連接在工程上的應(yīng)用通常多限于抗拔樁，大多數(shù)樁基工程仍沿用傳統(tǒng)焊接連接做法，究其原因，我們認(rèn)為，是目前認(rèn)可的檢測(cè)方法不利于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁裝配式機(jī)械連接技術(shù)的應(yīng)用，從而影響設(shè)計(jì)、施工上的推廣普及。

本文以預(yù)應(yīng)力混凝土管樁機(jī)械連接技術(shù)的研究成果及工程實(shí)例，探討了管樁基礎(chǔ)工程裝配化的施工應(yīng)用。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁連接的傳統(tǒng)方法及不足之處

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁連接傳統(tǒng)方法大多采用人工焊接，焊接時(shí)先在坡口圓周上對(duì)稱點(diǎn)焊4 點(diǎn)～6 點(diǎn)，待上下樁節(jié)固定后拆除導(dǎo)向箍再分層對(duì)稱施焊，焊接層數(shù)宜為3 層，內(nèi)層焊渣須清理干凈后方可施焊外一層。按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)接頭一般需時(shí)約22～30 min 以上才焊完［1］，并須待焊接接頭自然冷卻后方可繼續(xù)沉樁，手工電弧焊時(shí)冷卻時(shí)間不少于8 min（錘擊樁）或6 min（靜壓樁）［2］。此傳統(tǒng)焊接連接方式存在以下不足之處：

⑴受施焊環(huán)境、焊工技術(shù)素質(zhì)、施工速度、焊縫檢測(cè)和監(jiān)管力度等諸多因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接頭質(zhì)量不合格，導(dǎo)致管樁基礎(chǔ)安全隱患及須補(bǔ)強(qiáng)基礎(chǔ)而拖延工期的情況。

⑵在一些特殊地質(zhì)場(chǎng)地，由于焊接方式需時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)樁基施工會(huì)帶來(lái)不可預(yù)見的問題，如場(chǎng)地存在深厚淤泥層或擠土效應(yīng)明顯的場(chǎng)地等［3］。

為了解決以上問題，行內(nèi)研發(fā)了多種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的機(jī)械連接方式。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁嚙合式機(jī)械連接的構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁嚙合式機(jī)械連接是指管樁上、下節(jié)管樁采用機(jī)械構(gòu)造部件連接，利用連接銷與分別預(yù)埋在管樁端板上的連接槽、螺栓孔嚙合的連接技術(shù)，以下簡(jiǎn)稱機(jī)械連接，如圖1、圖2 所示；機(jī)械連接接頭部件工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工生產(chǎn)，相對(duì)傳統(tǒng)人工施焊連接方式，受人為因素的影響少。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁嚙合式機(jī)械連接的構(gòu)造Fig.1 Structure Details of Joggle-joint Mechanical Connection of Precast Concrete Piles

圖2 螺栓孔、連接銷和連接槽大樣Fig.2 Detail of Bolt Hole，Connecting Pin and Connecting Trough

螺栓孔、連接銷和連接槽按圖2 進(jìn)行機(jī)械連接［4］。

采用機(jī)械連接的混凝土管樁同時(shí)包括常規(guī)的普通端板和機(jī)械連接端板，機(jī)械連接端板是機(jī)械連接接頭處，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁端部的預(yù)埋連接鋼板，包括在上節(jié)樁下端預(yù)埋的帶孔端板和下節(jié)樁上端預(yù)埋的帶槽端板，統(tǒng)稱機(jī)械連接端板，如圖3 所示。

圖3 機(jī)械嚙合接頭三節(jié)樁配裝示意圖Fig.3 Picture of Three Piles Assembled by Joggle-Joint Mechanical Connection

3 機(jī)械連接接頭的施工

機(jī)械連接的施工快捷、便利，工人通過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，可以很快上手，單個(gè)機(jī)械連接需時(shí)僅為3 min，如需封閉焊縫則再增加5 min，且連接后可以馬上繼續(xù)樁基的施打（壓），大大加快了施工進(jìn)度，其施工順序如下：

⑴根據(jù)勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)要求，統(tǒng)計(jì)上、下節(jié)樁的數(shù)量；根據(jù)機(jī)械連接技術(shù)的特點(diǎn)，按圖3 做好配樁計(jì)劃。

⑵清理連接處的上下端板，用扳手將已涂抹瀝青材料［5］的連接銷逐根旋入上節(jié)樁帶孔端板的螺絲孔內(nèi)，并用校正器調(diào)整好連接銷的高度；

⑶剔除已施工就位的下節(jié)樁帶槽端板連接槽內(nèi)泡沫塑料保護(hù)塊，根據(jù)防腐的需要在連接槽內(nèi)注入瀝青涂料，當(dāng)樁接頭處地基土、地下水腐蝕性等級(jí)為弱時(shí)，在端板面周邊抹寬度為20 mm、厚度為3 mm 的瀝青涂料；當(dāng)樁接頭處地基土、地下水腐蝕性等級(jí)為中、強(qiáng)時(shí)，在端板面應(yīng)滿涂厚度為3 mm 的瀝青涂料；

⑷將上節(jié)樁吊起，使連接銷與帶槽端板上各連接口對(duì)準(zhǔn)，隨即將連接銷插入連接槽內(nèi)；

⑸連接完成后，如采用低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性時(shí)，尚應(yīng)對(duì)接縫電焊封閉。加壓使上下節(jié)樁的端板接觸，采用電焊封閉上下節(jié)樁的接縫，電焊在樁四周對(duì)稱進(jìn)行，電焊層數(shù)1 層，厚度不少于3 mm。

4 機(jī)械連接檢測(cè)方法

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身完整性檢測(cè)有低應(yīng)變法和高應(yīng)變法兩種［6］，由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用機(jī)械連接時(shí)，其接樁處必然會(huì)出現(xiàn)明顯的接縫，如采用低應(yīng)變法檢測(cè)，會(huì)出現(xiàn)異常而誤判為斷樁，在機(jī)械連接時(shí)須對(duì)接縫采用電焊封閉，否則應(yīng)在檢測(cè)時(shí)確定樁的實(shí)際接頭位置，將接頭不作為缺陷點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，或者采用孔內(nèi)攝像［7］等樁身質(zhì)量檢測(cè)的輔助手段。

考慮機(jī)械連接接頭處接縫的既有性，目前適合于判斷樁身完整性的檢測(cè)手段以高應(yīng)變法為佳［8］，這樣可不需要對(duì)樁接縫焊接封閉，更能體現(xiàn)機(jī)械接頭的優(yōu)勢(shì)，且高應(yīng)變法還可以判斷單樁豎向抗壓承載力。

5 機(jī)械連接的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用實(shí)例

⑴預(yù)應(yīng)力混凝土管樁為抗拔樁或?yàn)槌袎簶都婵拱螛稌r(shí)，采用機(jī)械連接，通過若干個(gè)連接銷與上下管樁機(jī)械嚙合連接，連接質(zhì)量得到保障。

⑵機(jī)械接頭施工完畢后，位于端頭板斷面外圈和內(nèi)圈的瀝青材料至少有1 mm 厚已固化，而且固化厚度隨時(shí)間而增厚，所以整個(gè)接頭得到瀝青的保護(hù)，且機(jī)械嚙合接頭還經(jīng)過熱鍍鋅的保護(hù)，故機(jī)械接頭的防腐蝕性能優(yōu)良。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)防腐蝕專業(yè)委員會(huì)評(píng)估：“機(jī)械接頭可用于水土腐蝕性等級(jí)為強(qiáng)、中、弱的環(huán)境中”［9］。

廣東省汕尾市某部隊(duì)綜合樓項(xiàng)目場(chǎng)地近海，地下水與海水連通，對(duì)混凝土具有中等到強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼筋具中等腐蝕。項(xiàng)目基礎(chǔ)型式為PHC 管樁基礎(chǔ)，管樁樁節(jié)間采用嚙合式機(jī)械連接，管樁連接時(shí)，按前文采用相應(yīng)防腐措施后，將連接銷插入連接槽內(nèi)，加壓使上下節(jié)樁的端板接觸，并采用電焊封閉上下節(jié)樁的接縫，電焊層數(shù)為1 層，達(dá)到雙保險(xiǎn)的作用。樁基施工完畢后，據(jù)抗拔檢測(cè)報(bào)告、靜載檢測(cè)報(bào)告顯示，樁基質(zhì)量及承載力均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，該樓房使用至今未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常。

⑶在厚度較大的淤泥軟弱土層時(shí)，由于淤泥對(duì)入土管樁約束力較差，管樁在該軟弱土層采用焊接連接，耗用時(shí)間較長(zhǎng)，連接時(shí)容易產(chǎn)生位移，傾斜現(xiàn)象，特別是管樁在流塑淤泥層段，僅自重也會(huì)下滑，需采用吊樁進(jìn)行連接，接頭處容易產(chǎn)生曲折；如采用機(jī)械連接，會(huì)大大降低質(zhì)量問題的幾率。福建、廣東汕頭沿海不少淤泥土層較厚大地區(qū)，預(yù)應(yīng)力管樁多應(yīng)用機(jī)械連接技術(shù)，質(zhì)量效果很好。

⑷當(dāng)樁數(shù)較多較密集、砂層較厚、擠土效應(yīng)較大時(shí)，因機(jī)械連接比焊接接頭大大縮短接樁的時(shí)間，可降低土壤固結(jié)和擠土效應(yīng)對(duì)管樁施工和后期受力的影響。

福州市某污水處理廠廠區(qū)及廠外管網(wǎng)三期工程廠區(qū)第2 標(biāo)段工程項(xiàng)目建于2013 年，基礎(chǔ)采用PHC400 管樁，考慮到該項(xiàng)目布樁密集、擠土效應(yīng)較大，管樁樁節(jié)間采用嚙合式機(jī)械連接以縮短接樁時(shí)間，降低土壤固結(jié)和擠土效應(yīng)對(duì)管樁受力的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工記錄和檢測(cè)結(jié)果，施工過程順利，確保了基礎(chǔ)工程的質(zhì)量和工期可控。

⑸水上作業(yè)、施工環(huán)境溫度低于0℃或長(zhǎng)期風(fēng)雨天作業(yè)時(shí)，機(jī)械連接接樁可不受天氣如下雨、下雪等惡劣施工環(huán)境的影響，其便捷的優(yōu)越性尤為明顯。

遼寧省盤錦市某船舶工業(yè)基地污水處理廠項(xiàng)目基礎(chǔ)采用PHC300 管樁，管樁樁節(jié)間連接采用嚙合式機(jī)械連接。項(xiàng)目在冬季施工，施工期間環(huán)境溫度處于0°以下，并時(shí)有雨雪天氣，由于機(jī)械連接不受溫度和天氣影響，項(xiàng)目在低溫及雨雪等惡劣施工環(huán)境中仍能順利完工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工記錄和抗拔檢測(cè)報(bào)告、靜載檢測(cè)報(bào)告顯示，樁基滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。使用至今無(wú)出現(xiàn)異常。

⑹在特殊施工環(huán)境，如不允許修建施工便道的原始森林保護(hù)區(qū)或海上特殊施工環(huán)境，采用履帶式起重機(jī)起吊打樁錘的施工方法（簡(jiǎn)稱飛錘吊打法）［10］時(shí)，預(yù)應(yīng)力管樁無(wú)法采用專用打樁機(jī)或打樁船進(jìn)行施工，而采用飛錘吊打法對(duì)打樁垂直度、管樁耐打性、樁接頭質(zhì)量有更高要求，此時(shí)采用機(jī)械連接可增加焊接接樁的安全性，提高沉樁效率。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械連接作為一種新型的管樁連接方式，與傳統(tǒng)焊接連接方式相比，具有適應(yīng)性強(qiáng)，不受施焊的氣候或自然環(huán)境的影響，適用于腐蝕性環(huán)境，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單、施工快速、連接質(zhì)量保證、節(jié)省人力成本及施工周期等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)工程的工業(yè)化生產(chǎn)，裝配式施工，具有明顯的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，如在復(fù)合地基、基坑支護(hù)等領(lǐng)域逐漸被應(yīng)用；以及隨著人力成本的不斷提高，順應(yīng)綠色環(huán)保的潮流，機(jī)械連接勢(shì)必將成為管樁連接施工方式的主流；而將來(lái)更先進(jìn)的檢測(cè)手法或檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，將使機(jī)械連接的優(yōu)勢(shì)更為突出。