軟土地基地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁處理技術(shù)應(yīng)用

張辛

（山西晉建集團(tuán)五建有限公司， 山西 晉中 030600）

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)具有單樁承載力高、 穩(wěn)定性好的突出特點(diǎn)， 充分發(fā)揮出各樁的承載性能優(yōu)勢(shì)， 切實(shí)保證成樁質(zhì)量的可靠性。 同時(shí)， 預(yù)應(yīng)力管樁的施工成本相對(duì)較低， 在地基處理中可取得突出的經(jīng)濟(jì)效益。

1 預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

1） 單樁承載力高。 通常， 樁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C80， 具備較強(qiáng)的豎向極限承載力， 可有效打入密實(shí)的砂層和強(qiáng)風(fēng)化巖層， 以保證樁體的穩(wěn)定性。 在擠壓作用下， 樁端的承載力提高， 以同直徑的樁體為例， 其具備的承載力明顯優(yōu)于鉆孔灌注樁， 因此在提升地基穩(wěn)定性方面有突出的優(yōu)勢(shì)。

2） 質(zhì)量可靠。 預(yù)應(yīng)力管樁的強(qiáng)度高、 耐錘擊，抗裂彎矩遠(yuǎn)高于方樁， 樁身在穿越堅(jiān)硬土層時(shí)有足夠的穩(wěn)定性， 可有效降低斷裂、 斷樁的發(fā)生率。

3） 施工效率高。 預(yù)應(yīng)力管樁的施工采取的是“廠家預(yù)制、 現(xiàn)場(chǎng)打設(shè)” 的流程化作業(yè)模式， 根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃， 可提前在廠內(nèi)預(yù)制成型， 縮短混凝土澆灌和養(yǎng)護(hù)的時(shí)間。 若采用靜壓法施工預(yù)應(yīng)力管樁， 單個(gè)臺(tái)班的沉樁量可達(dá)到7 ～15 根， 具有較高的施工效率。

4） 經(jīng)濟(jì)效益突出。 在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基時(shí)， 得益于質(zhì)量可靠、 流程化作業(yè)、 效率高等特點(diǎn)， 材料、 機(jī)械設(shè)備等方面的成本投入得到有效的控制， 單樁造價(jià)普遍低于灌注樁， 具有較高的經(jīng)濟(jì)效益， 且此類(lèi)優(yōu)勢(shì)在大面積的軟土地基加固處理中體現(xiàn)得尤為明顯。

2 預(yù)應(yīng)力管樁的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)

1） 預(yù)應(yīng)力管樁的類(lèi)型多樣， 若樁身額定承載力R與單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值R一致， 此時(shí)屬于最經(jīng)濟(jì)的施工方式。 具體至工程實(shí)際環(huán)境中， 可考慮R= （0.8～1.0） R的取值關(guān)系， 對(duì)于R， 可按如下公式計(jì)算。

R=0.25（f-σp）·A

式中： R-樁身額定承載力； f-樁身混凝土抗壓強(qiáng)度， 不同混凝土強(qiáng)度的取值不盡相同， C60 時(shí)， 取f=60MPA， C80 時(shí)， f=80MPA； σpc-樁身有效預(yù)壓應(yīng)力； A-樁身有效橫截面積。

2） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和施工單位的作業(yè)水平，選擇規(guī)格適宜的管樁和可行性較高的沉樁方式。 例如， 若持力層為強(qiáng)風(fēng)化層， 以錘擊貫入的方法為宜，管樁可考慮PHC類(lèi)樁， 或是視實(shí)際情況采取組合型方案， 即最上一節(jié)為PHC樁， 除此之外的其他各節(jié)均為PC樁或PTC樁， 在此方式下可有效將樁體打設(shè)到位，避免樁體被打碎的情況。 若現(xiàn)場(chǎng)為淤泥質(zhì)土或粘土，可考慮靜壓法， 根據(jù)單樁承載力確定合適的壓樁力P（具體關(guān)系為P=1.3 -2.0R）， 進(jìn)而有效調(diào)控靜壓機(jī)的工作參數(shù)， 有效打樁。

3） 管樁擠土效應(yīng)較強(qiáng)， 可考慮開(kāi)口樁靴的方法，其在緩解擠土效應(yīng)方面有良好的應(yīng)用效果； 此外， 嚴(yán)格控制樁距， 不可小于管樁直徑d 的3.5 倍， 而在高層建筑核心筒施工條件下， 較為合適的是樁距不小于4.0d。 施工順序方面， 首先完成樁場(chǎng)中心的打樁作業(yè)， 再向四周推進(jìn)， 同時(shí)還可靈活應(yīng)用樁原位取土、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖隔離溝等方法， 此時(shí)也有助于緩解擠土效應(yīng)。

3 預(yù)應(yīng)力管樁的作用機(jī)理及單樁承載力分析

樁身上部有垂直應(yīng)力和彈性變形， 且具有向下傳遞的變化， 樁身處于彈性壓縮狀態(tài)。 在逐步增加荷載的條件下， 樁身垂直應(yīng)力傳遞至樁端， 在外力作用下促使樁端土受到壓縮， 發(fā)揮出樁側(cè)摩阻力的作用。 隨著加載量的增加， 樁端阻力同步增大， 樁頂側(cè)阻力優(yōu)先達(dá)到極限值， 并且該極限阻力的范圍逐步擴(kuò)大， 作為抗力的摩阻力增量減小， 樁端阻力增量占比增大，在一系列的變化下， 樁端土產(chǎn)生塑性區(qū)且有范圍擴(kuò)大的變化趨勢(shì)， 樁由于快速下沉而失效， 顯現(xiàn)出樁向土的刺入破壞。 從整個(gè)樁體的受力和破壞特性來(lái)看， 具有樁身強(qiáng)度超過(guò)樁身應(yīng)力的特點(diǎn)， 成為剛性樁。

豎向單樁承載力R的確定是管樁設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容， 具體按如下公式計(jì)算。

式中： N-樁端處強(qiáng)風(fēng)化的標(biāo)貫值； A-樁尖（封口） 投影面積； U-管樁樁身外周長(zhǎng)； L-各土層劃分的各段樁長(zhǎng)； Q-樁周土的磨擦力標(biāo)準(zhǔn)值。需注意的是， 只有在樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層的錘擊貫入施工中， 才可采用前述提及的R值計(jì)算公式， 而在軟土地基以摩擦為主的樁中則缺乏可行性。 因此， 在部分設(shè)計(jì)中仍需考慮到現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)的物理指標(biāo)和承載力參數(shù)， 判斷兩者具備何種關(guān)系， 進(jìn)而明確合適的單樁承載力， 具體如下。

式中： U-樁身周邊長(zhǎng)度； q， q-樁端端阻力， 樁側(cè)阻力特征值； L-第i層巖土層的厚度；A—樁底端橫截面面積。

通常， 在預(yù)應(yīng)力管樁的參數(shù)設(shè)計(jì)中， 相比于單樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言， 理論計(jì)算的單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值普遍更低。

切實(shí)提高預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載力是有效加固地基的重要途徑， 具體考慮如下幾點(diǎn)： 1） 應(yīng)保證有足夠的靜壓力， 以便有效地將預(yù)應(yīng)力管樁打設(shè)到位， 使其可以到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化巖層或密實(shí)砂層。 通過(guò)外力的作用，促進(jìn)樁尖持力層的擠壓加固作用， 經(jīng)過(guò)此項(xiàng)處理后的地基承載力較之于原始狀態(tài)有明顯的提高； 2） 軟土地基上部分布淤泥層， 靜壓力作用在樁端土體， 靜壓能量具有向下傳遞的特點(diǎn)， 逐層向下擠壓， 此時(shí)可形成樁端土反力和靜壓作用的恒等關(guān)系， 換言之， 具有作用力與反作用力的關(guān)系； 3） 在地基加固中， 預(yù)應(yīng)力管樁通常設(shè)置為開(kāi)口樁尖的結(jié)構(gòu)形式， 在打設(shè)過(guò)程中， 土擠力與樁壁摩擦力達(dá)到平衡狀態(tài)， 此時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的土塞效應(yīng)， 對(duì)于提高樁體承載力而言有重要的意義。

4 預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)在工程實(shí)例中的應(yīng)用分析

4.1 工程概況

某工程的地基加固采用到PHC500AB100 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁， 總量495 根， 包含3 根試樁和492 根工程樁。 于現(xiàn)場(chǎng)適配兩臺(tái)靜力壓樁機(jī)， 憑借此類(lèi)設(shè)備性能穩(wěn)定、 高效、 低噪音等優(yōu)勢(shì)高效施工， 具體型號(hào)包含YZB800HB型、 ZYJ800B型， 按照每臺(tái)3 人的人員數(shù)量關(guān)系予以分配， 協(xié)同完成預(yù)應(yīng)力管樁的打設(shè)作業(yè)。

4.2 施工方法

4.2.1 施工工藝流程

基本流程為： 定位放線→樁機(jī)就位→喂樁→吊樁及調(diào)整樁體姿態(tài)→施壓→復(fù)核樁體→繼續(xù)施壓→完成單樁作業(yè)→樁機(jī)移位以便繼續(xù)施工。

壓樁的流水作業(yè)順序應(yīng)具有合理性， 其是順利壓樁的重要前提， 將直接對(duì)壓樁質(zhì)量、 效率等方面造成影響。 為了富有秩序性地完成壓樁作業(yè)， 提前編制清晰明了的樁位圖， 確定具體的編號(hào)， 有序推進(jìn)壓樁作業(yè)進(jìn)程。 此外， 根據(jù)壓裝機(jī)的運(yùn)行特性， 采取的是直線行走路線。

4.2.2 施工要點(diǎn)

1） 測(cè)量放線。 以紅線規(guī)劃定位圖、 設(shè)計(jì)施工圖為主要的參考， 用全站儀測(cè)放軸線控制點(diǎn)， 做好標(biāo)記； 進(jìn)而將軸線網(wǎng)測(cè)設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)， 明確具體的樁位， 設(shè)置醒目的標(biāo)記。 有效提高樁位測(cè)放精度是后續(xù)順利打樁的重要前提， 要求樁位放樣偏差不超過(guò)1cm， 測(cè)量放線后先安排自檢， 在確認(rèn)無(wú)誤后， 由業(yè)主、 監(jiān)理安排檢驗(yàn)， 全面保證測(cè)量放線結(jié)果的準(zhǔn)確性。 施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

2） 標(biāo)高的測(cè)量。 以測(cè)繪部門(mén)提供的高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)為準(zhǔn)， 將其引測(cè)至現(xiàn)場(chǎng)， 設(shè)半永久性高程控制點(diǎn)。 在此方式下， 有利于打樁時(shí)精準(zhǔn)控制管樁的標(biāo)高， 確保打設(shè)后的管樁能夠滿(mǎn)足標(biāo)高要求。

3） 規(guī)劃打樁路線， 確定具體編號(hào)。 立足于現(xiàn)場(chǎng)施工條件， 合理規(guī)劃施工路線， 秉承著打樁機(jī)能走直線就不繞路的原則規(guī)劃其行進(jìn)路線。 此外， 路線規(guī)劃時(shí)還考慮到設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)的便捷性要求， 以便及時(shí)投入到工程施工中。 樁機(jī)的進(jìn)場(chǎng)組裝位置以臨近起始打樁點(diǎn)為宜， 在設(shè)定具體的打樁路線后， 依次設(shè)定樁位號(hào)。 在本工程中， 按照“自西向東、 自北向南” 的順序依次壓樁。

4） 樁機(jī)就位。 樁機(jī)配備橫移、 縱移機(jī)構(gòu)， 通過(guò)兩類(lèi)機(jī)構(gòu)的共同配合， 將樁機(jī)移動(dòng)至指定打樁點(diǎn)位。樁機(jī)移動(dòng)全程均要保持平穩(wěn)， 不可磕碰， 同時(shí)加強(qiáng)對(duì)樁位點(diǎn)的有效防護(hù)， 以免因操作不當(dāng)而導(dǎo)致樁位產(chǎn)生偏位。

5） 吊樁、 插樁。 以現(xiàn)場(chǎng)施工要求為準(zhǔn)， 提前將預(yù)制場(chǎng)生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)， 到達(dá)距離打樁位置20m以?xún)?nèi)時(shí)， 用起重機(jī)高效吊裝。 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員加強(qiáng)檢查， 若發(fā)現(xiàn)捆綁樁的鋼絲繩有斷絲現(xiàn)象， 及時(shí)安排換新， 保證吊裝的安全性。 吊裝時(shí)， 捆綁位置選取在樁身上部3m處， 保證綁扎的穩(wěn)定性。待管樁綁扎到位后， 用起重機(jī)緩慢將樁轉(zhuǎn)至樁機(jī)夾樁鉗口處， 向鉗口內(nèi)準(zhǔn)確插入管樁， 再緩慢下放， 直至樁頭與地面保持接觸為止。 經(jīng)過(guò)檢查， 在確保樁機(jī)有效鉗好樁身后， 鋼絲繩脫鉤， 以便根據(jù)作業(yè)計(jì)劃吊裝下一根樁。

6） 樁身的對(duì)中調(diào)直。 聯(lián)合應(yīng)用樁機(jī)的縱移、 橫移機(jī)構(gòu)， 精細(xì)化調(diào)整樁機(jī)的作業(yè)姿態(tài)， 直至樁尖中心對(duì)準(zhǔn)樁位點(diǎn)為止， 此時(shí)對(duì)支撐四腳升降高度做靈活的調(diào)整， 有效校直樁身。

7） 靜壓沉樁。 經(jīng)過(guò)調(diào)整后， 若樁身姿態(tài)無(wú)誤，則開(kāi)始靜壓沉樁， 具體要如下。

①根據(jù)預(yù)應(yīng)力管樁的長(zhǎng)度， 在樁身上劃出長(zhǎng)度標(biāo)記（以米為單位進(jìn)行）， 同時(shí)注明管樁的長(zhǎng)度， 此舉目的在于給沉樁施工提供參照基準(zhǔn)， 以便作業(yè)人員及時(shí)掌握每米沉樁錘擊數(shù)、 入土深度， 保證打樁的有效性。

②打樁期間打樁機(jī)可能有下陷的情況， 為此在樁機(jī)履帶板下方墊厚度約2cm、 寬度超過(guò)樁機(jī)2m的鋼板樁， 分散樁機(jī)作用力， 以便樁機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

③樁機(jī)行走時(shí)需調(diào)整樁錘的姿態(tài)， 使其處于樁架中下部， 以免影響到樁機(jī)的正常行走。

④樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)后， 準(zhǔn)確調(diào)節(jié)位置， 用導(dǎo)桿垂直儀輔助調(diào)節(jié)， 使導(dǎo)桿初步垂直。 在此前提下， 開(kāi)始起吊第一節(jié)樁， 以緩慢的速度將樁尖插入土中， 深度控制在30 ～50cm， 并保證其有足夠的穩(wěn)定性； 隨后， 聯(lián)合應(yīng)用兩臺(tái)經(jīng)緯儀， 做雙向垂直校正操作， 確保樁身垂直度達(dá)到要求， 若有偏差則及時(shí)調(diào)整。 但需注意的是，若樁端入土深度達(dá)到3m， 此時(shí)不允許調(diào)節(jié)垂直度，需按照起拔回填、 重新插入的方法進(jìn)行處理。 樁錘的打擊能量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件而定， 若存在虛土或軟弱土層， 作業(yè)初期關(guān)閉油門(mén)冷打， 隨著施打作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行， 在每擊貫入度在100mm以?xún)?nèi)時(shí)， 開(kāi)啟油門(mén)，繼續(xù)錘擊， 使管樁準(zhǔn)確到位。 沉樁期間， 樁錘、 樁帽、 樁身中心需共處相同的垂直線上， 且注重錘擊的連續(xù)性， 盡可能避免中途停錘。 若沉樁時(shí)有貫入度突變、 樁頂碎裂等異常狀況， 需及時(shí)停錘， 查明原因，妥善處理。

⑤打樁順序的控制至關(guān)重要， 其直接關(guān)乎打樁效率、 質(zhì)量等多個(gè)方面， 具體根據(jù)周邊建（構(gòu)） 筑物的分布特點(diǎn)、 樁密集程度而定。 此處均以樁體布設(shè)較為密集的條件為例進(jìn)行分析： 若樁與周邊建（構(gòu)） 筑物的距離較遠(yuǎn)， 從中間開(kāi)始向四周依次沉樁； 若兩者距離較遠(yuǎn)同時(shí)場(chǎng)地狹長(zhǎng)， 則從中間開(kāi)始， 而后向兩端有序推進(jìn)； 若管樁一側(cè)臨近周邊建（構(gòu)） 筑物， 先完成臨近一側(cè)的打樁作業(yè)， 再逐步向遠(yuǎn)處推進(jìn)。 此外， 還需遵循“先大后小、 先長(zhǎng)后短” 的原則打樁。

8） 接、 送樁。 在本次施工中， 預(yù)應(yīng)力管樁較短，單根樁體的長(zhǎng)度即可滿(mǎn)足要求， 無(wú)需額外接樁。 若由于局部作業(yè)條件特殊而需接樁， 則用端板焊接連接，并于樁頭處設(shè)導(dǎo)向箍， 以便兩節(jié)管樁對(duì)接的準(zhǔn)確性。接樁焊接時(shí)， 采取CO氣體保護(hù)焊的方法， 并在距離地面約1m處操作。 焊接前， 先對(duì)管樁接頭做詳細(xì)的檢查， 判斷是否有雜物， 若有則用鋼絲刷清理干凈，直至坡口處露出金屬光澤為止， 此時(shí)可避免因雜物的存在而導(dǎo)致焊接缺乏足夠的穩(wěn)定性。 焊接時(shí)， 在坡口周邊對(duì)稱(chēng)點(diǎn)焊4 ～6 個(gè)點(diǎn)， 目的在于初步固定兩節(jié)管樁， 待管樁準(zhǔn)確對(duì)位且有足夠的穩(wěn)定性后， 拆下導(dǎo)向箍， 以分層、 對(duì)稱(chēng)的方式完成后續(xù)的焊接作業(yè)， 通常焊接層數(shù)以三層為宜， 且只有在確保內(nèi)層焊接質(zhì)量無(wú)誤、 焊渣得到有效的清理后， 方可安排外一層的焊接， 以此類(lèi)推。 焊縫根部必須焊透， 焊縫應(yīng)有足夠的飽滿(mǎn)性， 待焊接接頭自然冷卻后， 方可沉樁。 焊接部位的冷卻必須是自然冷卻， 時(shí)間至少達(dá)到8min， 禁止采取澆水或其它人為干預(yù)的冷卻手段。 相鄰接頭相互錯(cuò)開(kāi)， 不可布設(shè)在同一截面內(nèi)。 上、 下節(jié)樁的中心線偏差不得超過(guò)2mm， 否則不滿(mǎn)足接長(zhǎng)要求。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量， 確定管樁的實(shí)際標(biāo)高， 綜合考慮設(shè)計(jì)標(biāo)高， 經(jīng)對(duì)比分析后， 確定各樁適宜的樁頂標(biāo)高， 進(jìn)而有效控制送樁深度。 沉樁時(shí)需加強(qiáng)樁位偏差的檢驗(yàn)與控制，具體要求如表1 所示。

表1 樁位偏差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 預(yù)應(yīng)力管樁處理技術(shù)因具有加固效果好、 經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)而在軟土地基加固處理中取得廣泛的應(yīng)用。 在具體的工程施工中， 施工單位需要具有統(tǒng)籌兼顧的理念， 注重現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、 軟基加固要求等內(nèi)容， 合理設(shè)計(jì)管樁的規(guī)格， 妥善選擇打樁機(jī)， 規(guī)劃打樁機(jī)的運(yùn)行路徑； 在打樁時(shí)加強(qiáng)檢查， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)管樁的偏差并予以調(diào)整， 將管樁的偏差控制在許可范圍內(nèi)， 最終順利將預(yù)應(yīng)力管樁打設(shè)到位， 起到加固軟基的效果。