引言

 

　　 预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）是以高强度钢棒、超高强度混凝土为材料，采用先张法预应力技术，高速离心成型工艺，经二次蒸养而制成的环型空心桩。该桩具有结构强度高、穿透力强、耐锤击、可贯入性好、单桩承载力大、耐久性好、及制桩标准化程度高、便于拼接、施工快捷、方便、文明等优点。现已广泛应用在工业与民用建筑、港口码头、道路桥梁等基础工程中，受到建设单位、设计、施工部门的欢迎。

 

　　 目前，预应力高强混凝土管桩在天津地区的应用已取得长足发展。本文对天津某办公楼工程的桩基工程的设计、施工、经济效益比较等方面进行介绍，以期对今后预应力高强混凝土管桩在天津地区的应用能有所裨益。

 

　　工程概况及地质条件

 

　　 天津某办公楼工程为2栋8层和13层连体建筑，局部2层，均有一层地下室，采用框架——剪力墙结构，十字交叉承台梁下桩基础。设计标高±0.000m相当大沽标高+3.200m。

 

　　 据勘察资料表明，拟建场地自地表以下7.5m范围内由于有坑分布而土质不均：西侧场地人工填土厚度大，局部夹较厚坑底淤泥，浅层土质较差（各土层主要物理力学指标见表1）；其余地区为正常沉积第四纪土层。深层为正常沉积土层，且分布均匀稳定。

 

　　 表1各土层主要物理力学指标

 

　　

 

　　设计计算

 

　　3．1桩型及桩端持力层的选择

 

　　 由于该工程位于闹市区，甲方十分注重现场形象，并且要求在保证成桩质量的前提下尽量缩短工期。因此设计人员首先考虑成桩质量有保证，无需现场养护，施工无噪音、无振动、无污泥废水污染的静压预制桩。

 

　　 由于2层和8层办公楼荷载相对较小，单桩承载力要求不高，因此设计采用350×350mm中孔直径Φ160mm的混凝土预制空心方桩（桩身承载力设计值为1075kN），选择6b土层为桩端持力层，桩长16m，单桩竖向承载力设计值为870kN，在十字交叉承台梁下布桩适合。

 

　　 13层办公楼荷载相对较大，如仍选用6b土层为桩端持力层，则须满堂布桩，基础十字交叉承台梁改为厚板，造价提高很多。因此设计选择7b土层为桩端持力层。这样一来，如仍采用350×350mm预制空心方桩，则其单桩竖向承载力设计值就会超过桩身承载力设计值。并且由于6b粉土层厚度大，密实，贯穿该土层十分困难。在这种情况下，决定采用预应力高强混凝土管桩（PHC管桩），桩长21m，直径400mm，壁厚90mm（桩身承载力设计值为1997kN），单桩竖向承载力设计值为1280kN。

 

　　3．2沉降协调计算

 

　　 由于该办公楼为2栋8层和13层、局部2层交错布局的连体建筑，每一栋不同层数的建筑之间没有沉降缝，因此协调不同层数的建筑之间的沉降差异，避免建筑物产生裂缝，成为本设计的一大难点。

 

　　 通常的桩基设计，对于一栋建筑往往选择同一桩型和同一桩端持力层，以布桩的疏密对应不同的上部荷载。对于本工程的桩基设计，选择不同桩型和不同桩端持力层，除上述承载力和经济效益方面的原因，还有协调不同层数的建筑之间沉降差异的作用。如果不同层数的建筑均选择6b土层为桩端持力层，则由于荷载差异造成的沉降差会较大。经反复计算后发现，如果选择低压缩性的7b土层为13层建筑的桩端持力层，选择中压缩性的6b土层为8层和2层建筑的桩端持力层，则对于协调二者的沉降差异可起到明显的作用。图1所示为其中一栋办公楼的沉降等值线，另一栋与之基本对称。

 

　　 从图1可以看出，该建筑的最大沉降在13层的电梯井部位（电梯井为剪力墙结构，分担荷载较大），最大沉降量为100mm；中间2层建筑的沉降量为30mm；8层的最大沉降也在电梯井部位，最大沉降量为50mm。该建筑的整体倾斜、局部倾斜均<0.003，满足规范要求。并且设计要求在13层与2层之间预留后浇带，以消除施工期间产生的沉降差异对建筑物造成的不利影响。

 

　　 选择3根预制空心方桩和3根预应力高强混凝土管桩进行单桩承载力试验，结果如表2所示。

 

　　 表2单桩承载力试验结果

 

　　 表2给出了各试验桩在单桩极限承载力标准值及设计值下所对应的沉降量。由该表可以看出，各桩在单桩极限承载力标准值及设计值下所对应的沉降量差异较小。由荷载差异造成的沉降差，经合理的沉降协调设计，不会对建筑物造成危害。

 

　　 实际上，根据静载荷的P—S曲线可以判断，管桩真正的承载力极限标准值应大于2110kN。这说明采用普通的预制方桩的承载力参数进行管桩设计是偏于保守的。笔者认为这是由于在压桩过程中，桩周土体被不断挤密，管桩为圆形截面，桩周土对管桩产生均衡的径向压力，象“箍”一样箍住桩体，可以提高桩的承载力；而方桩截面受力不均衡，四角处应力集中，相对管桩周围土体更易破坏，极限承载力便也相对较低。因此，笔者建议，出于安全与经济的双重考虑，宜预先对管桩进行静载荷试验，得到管桩真正的单桩承载力极限标准值，依据该值进行桩基础的设计。

 

　　施工工艺

 

　　4．1制桩工艺

 

　　 管桩的制造工艺应有严格的要求。预应力高强混凝土管桩应严格按照以下工艺流程制造：

 

　　 钢筋定长切断。盘条高强度钢筋切断成准确长度，同组钢筋长度相对误差不超过L/5000。

 

　　 主筋镦头。采用先进的电阻加热液压顶推的自动镦头机对主筋进行镦头加工，保证镦头处强度在1280N/mm2以上。

 

　　 钢筋骨架自动滚焊。采用先进的钢筋骨架自动滚焊机编制钢筋笼，保证焊点强度损失<5%，螺旋钢筋螺距准确，骨架整体性好。

 

　　 装钢笼。将钢桩头与钢筋骨架进行连接，并拧紧张拉板组成一体，装入管桩底模内。

 

　　 混凝土配料搅拌。微电脑控制全自动、强制式混凝土配料、搅拌。

 

　　 混凝土浇注。用专用混凝土浇注车，将拌好的高品质新鲜混凝土及时浇入装有钢桩头钢筋骨架的底模内，并人工辅助填实。

 

　　 纵向预应力。用液压张拉机对管桩主筋进行整体预应力张拉。

 

　　 高速离心。对已浇注混凝土并张拉后的管桩模在离心机上进行离心成型，高速而平稳的旋转使混凝土结构密实、内壁光滑，为获得高强混凝土奠定基础。

 

　　 普通蒸养。离心成型完毕，按规定的制度对管桩进行第一次带模蒸养。

 

　　10．脱模。管桩经蒸气养护，混凝土强度达到35MPa以上，即可脱模、放张。

 

　　11．高压养护。脱模后的管桩经过品质检查，送入蒸压釜进行高温高压蒸养。

 

　　4．2沉桩工艺

 

　　 本工程采用静压法沉桩工艺。静压法与传统的锤击法相比，是技术上的进步。锤击法最大缺点是噪音大，震动强烈，还会有一定的油烟污染。而静压法施工，既无噪音又无震动，更没有油烟污染，随着人们环保意识的增强，随着天津国际化大都市形象的日益形成，静压法施工受到工程界和普通市民的欢迎。

 

　　 本工程采用全液压式静力压桩机。这种压桩机是用桩机自重和桩机上的配重作反力，但行走、转向、升降、夹桩、压桩等工作全部液压操作，自动化程度高。施压时，先通过液压夹持机构将桩身夹紧，然后主机的2或4个压桩油缸（桩入土阻力小时可用2个油缸，阻力大时可用4个油缸）作伸程动作，上向力由桩架自重和配重挡住，下向力迫使夹持机构在导向架内作向下运动，桩身随之下沉入土。当压桩油缸行程走满后，需将夹持机构放松，再使压桩油缸作回程动作，待夹持机构上升至原来高度处，再将桩身夹住，作压桩动作，这样上下来回动作，便可将整根桩压入土层中直至设计标高。这类压桩机设有自动纵横向行走和原位回转装置，行走转向均方便快捷。机上还装有工作吊机，可自行将预制桩吊放入夹持机构中。同时还装有压力读数表，能准确显示压桩过程中的贯入阻力。

 

　　 在选择压桩机的吨位时，考虑到将21m长管桩送至设计标高，管桩要贯穿2层粉土（其中4a粉土层为3~5m厚不等，中密状态；6b粉土层为3~4.3m厚不等，密实状态），同时还要进入7b粉砂层（密实状态）1m左右，如选择较小吨位压桩机沉桩恐有困难，根据现场试压情况，决定选择最大压桩力为6000kN的压桩机。值得一提的是，压桩机的最大压桩力并非越大越好。因为大的压桩力是靠大的自重和配重吨位实现的，大吨位的压桩机对施工现场的地基承载力要求较高，天津地区表层地基土承载力偏低，地下水位较高，对于大吨位的压桩机容易发生陷机事故。在本工程中，虽然地表承载力低，但由于采用降水和铺垫房渣土等措施，基本保证静压桩的正常施工。

 

　　 由于管桩对土体的挤密效应强于预制方桩，当布桩较为密集时，应注意压桩的顺序问题。原则上应先压中间的，后压四周的，尤其注意避免漏打再补桩的情况。本工程中电梯井处有一根中间桩漏打，补桩时桩端尚未进入持力层压桩机压力读数就已达到极限，后桩顶由于受力过大出现裂缝，无法继续施压，只得截桩。

 

　　4．3截桩工艺

 

　　 基槽开挖后，部分桩未能压至设计标高，需要截桩。由于桩身混凝土标号C80，剔凿困难，同时更是为了保证桩头质量，因而要求施工人员采用锯桩器截割，严禁用大锤横向敲击或强行扳拉截桩。用锯桩器截割一根管桩（如图2所示）仅需20分钟左右，且断面平整光滑（如图3所示），不会对桩身造成损坏。

 

　　 图2锯桩器截割管桩图3管桩截后断面

 

　　经济效益比较

 

　　 如前文所述，由于选择7b粉砂层作为桩端持力层，而6b粉土层呈密实状态，标贯击数算数平均值为24.8击，普通预制桩和沉管灌注桩施工困难，不作为比较方案，仅考虑选用预应力高强混凝土管桩或钻孔灌注桩进行经济比较，结果如表3所示。

 

　　 表3预应力高强混凝土管桩与钻孔灌注桩的经济比较

 

　　 由表3可以看出，仅工程桩方面，预应力高强混凝土管桩比钻孔灌注桩造价节省157525元，占工程桩造价的18.5%。

 

　　 同时，由于管桩直径400mm，最小桩间距1.2m，可采用十字交叉承台梁的基础形式；而灌注桩直径600mm，最小桩间距1.8m，采用十字交叉承台梁的基础形式无法布桩，需改为承台形式。这样一来，在基础方面采用管桩也比采用灌注桩经济一些。

 

　　结语

 

　　 将本工程的经验教训进行总结如下，以期抛砖引玉。随着管桩在天津地区应用的不断扩展，相信管桩设计施工的经验也会不断丰富完善。

 

　　 1．静压法施工预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）具有经济、高效、文明、环保等优点，特别适用于软土地区的中高层建筑物。相信静压预应力高强混凝土管桩将成为天津——乃至全国软土地区最受欢迎的桩。

 

　　 2．在进行管桩基础设计时，应从承载力和沉降协调双方面予以考虑，并且出于安全与经济的双重考虑，宜预先对管桩进行静载荷试验，得到管桩真正的单桩承载力极限标准值，依据该值进行桩基础的设计。

 

　　 3．为保证和监督桩身质量，对管桩的制造工艺应有严格的要求；在表层土质较软的情况下，应注意选择吨位合适的压桩机，并辅以相应处理措施，保证压桩顺利进行；同时，当布桩较为密集时，应注意压桩的顺序；截桩时要求采用锯桩器截割，严禁用大锤横向敲击或强行扳拉截桩。

 

　　 4．选择适合的桩长、桩径，并依据管桩经现场静载荷试验得到的极限承载力进行设计，合理地布桩，预应力高强混凝土管桩的经济效益往往会优于钻孔灌注桩等桩型，做到社会效益与经济效益双丰收。

 

　　参考文献

 

　　中华人民共和国国家标准《先张法预应力混凝土管桩》GB13476—2009，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2009-03-28发布。

 

　　天津市工程建设标准《预应力混凝土管桩技术规程》DB29-110-2010，天津市城乡建设和交通委员会，2010-09-10发布。