预应力混凝土管桩的应用研究

 预应力管桩是工厂化制造的水泥制品，具有生产工艺稳定、桩体质量可靠、桩身混凝土强度高、耐锤打性好、贯穿能力强、单桩承载力高、单桩承载力价格便宜等特点。另外，还因其对不同地质条件适应性强、施工速度快、工期短、施工现场简洁、成桩质量监测方便，因而在世界各国得到了广泛应用。在国内的华南及华东地区预应力管桩正被广泛应用于工民建、港口、码头、水利建设中。在高速公路软土地基处理中，预应力管桩也开始被 

　　引人。对于深度20m以上的软基处理，管桩具有一定的优势，由于其桩身质量可靠，可克服水泥搅拌桩在大深度条件下的质量不稳定、施工困难等缺点。 

　　1试验段概况 

　　广梧高速公路穿越广阔的水网地区，沿线地质情况复杂，软土层厚薄不均，一般在6～14m，最大厚度大于30m。拼接工程软基处理除要满足现有《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》外，还应相应提高路基沉降的控制标准。为减小新老路基沉降差的产生，采取预应力 

　　管桩和水泥搅拌桩技术对软土地基进行处理。在广梧高速公路马安至河口段K12+488.5～K12+597进行管桩复合地基试验。试验段长148.5m。试验区域分为四段，各段试验内容详见表1。 

　　2管桩施工 

　　管桩直径30cm，壁厚7cm，间距2m，正方形布置，桩长15m。管桩采用柴油锤打桩机施工，为了减小挤土效应，可以采取设置竖井、隔桩跳打等措施。管桩桩顶设置一个正方形托板，托板长度为lm，厚度0.35m，配2层φ8@100×100钢筋网层，硅标号C20。托板顶铺设碎石垫层，碎石垫层顶面铺设1层钢塑复合土工格栅或土工格栅。 

　　2.1原材料控制 

　　2.1.1管桩 

　　表1管桩复合地基试验内容

　　⑴管桩采用专业厂家生产，规模、型号符合设计要求，注意收集厂家每批材料出厂合格检测报告，并采用回弹仪进行桩身检测。 

　　⑵根据设计文件进行配桩，为减少接头数量，桩基处理深度>24m，不超过3节桩组合；桩基深度<24m，不超过2节桩组合。 

　　⑶汽车运输时用长挂车，桩的悬臂不超过lm。汽车运输时应分层叠放并错位而置，不超过5层。在工地堆放时，必须选择密实平整的场地或垫木支承，堆高不应超过5层。 

　　2.1.2钢筋对托板混凝土所用钢筋检验合格后方可使用。 

　　2.1.3碎石、砂对托板混凝土所用的碎石、砂检验合格后方可使用。 

　　2.2施工过程质量控制 

　　2.2.1施工方法与施工流程 

　　⑴管桩施工：管桩施工采用静压法或锤击法。施工流程如下： 

　　清表整平→桩位放样→机械就位→经纬仪调整垂直度→施工第一节桩→起吊第二节桩→电焊接桩→检查焊接质量和垂直度→施工第二节桩→重复前面的工艺直至设计标高→检查整桩质量→管桩托板模板制作安装→绑扎托板钢筋、现浇混凝土、养护→报验 

　　桩位放样：根据设计文件和技术交底所确定的坐标控制点和水准点进行桩位放样，采用经纬仪或全站仪定出桩位。用消石灰作出桩位的圆形标记，圆心位置用小木桩标记，并注意保护所作标记； 

　　起吊：用钢绳绑住桩身两点或两头勾吊，并在吊装过程中轻吊，管桩就位时将桩对准同形桩进行插桩； 

　　压桩/打桩：将桩身小心移入桩机，然后调平桩机，开动纵横两向油缸移动桩机调整对中，同时利用相互垂直的两个方向经纬仪检查垂直度。第一节桩土30～50cm后检查和校正垂直度，垂直度控制在0.5%以内，开动压桩装置，记录压桩时间和各压力表读数，保持连续压桩并控制压桩速度l～2m/min，桥头段应控制在0.5～1m/min，最大压桩力不得大于单桩强度的竖向承载力设计值。为防止压桩机械对已压桩桩头的破坏，桩顶高程应低于地面10cm。 

　　打桩：桩的打入初期要徐徐试打，在确认桩的中心位置及角度无误后，再转为正式打入。在软土层中打桩，应徐徐将锤放上桩顶，直至桩自沉到某一深度不动为止，再使桩中心不偏移地徐徐打入。当要求管桩打穿淤泥层进入持力层至少0.5m时，应通过试打确定停打标准。 

　　接桩及焊接要求：接桩时其桩头应高出地面1m左右；接桩前下节桩的桩头加上定位板，然后将上节桩吊放在下节桩端板上，依靠定位板将上下桩接直，其错位偏差不应大于2mm；上下桩如有空隙，用楔形铁片全部垫实焊接牢固；管桩焊接之前，上下端表面用铁刷清理干净，直至其坡口处刷出金属光泽；焊接时应分层焊接，在坡口四周先对称点焊6点，焊接由两个焊工对称进行；焊接层数不得小于2层，层间焊皮要清理干净，焊缝应达到二级焊缝要求；焊接好的桩接头应自然冷却，冷却时间至少5～9min，严禁用水冷却。 

　　送桩：送桩前用水准仪确定地面标高，在送桩杆上作记号，送桩过程中进行跟踪，动态检查送桩深度。送桩器下端宜设置桩垫，桩垫厚度均匀并与桩顶全断面接触。终止压桩（打桩）：正常情况按设计压桩力送桩，达到设计高程后持荷（正常压力）10min且每分钟沉降量不超过2mm后方可结束送桩。在同一地质类型的地段，若出现静压力显著增加或送桩时静压力显著减小等异常情况，需暂停施工并及时报告监理，分析和找出原因后 

　　提出处理措施。截桩：如需截桩，应有确保截桩后管桩质量的措施，严禁使用大锤硬砸，应先将不需要截除的桩身端部用钢箍包紧，然后沿钢箍上沿凿槽打穿后，用锤打下，用气割法切断钢筋。 

　　⑵托板施工 

　　施工工艺：下承层平整、夯实→模板安装→钢筋制安→混凝土浇筑→养护。模板可以采用木模或钢模板，混凝土采用商品混凝土或现场拌制。

　　2.2.2施工质量控制 

　　管桩施工过程中质量控制要点如表2[3]。 

　　2.2.3成品质量检验 

　　⑴桩间距：采用尺子测量桩间距。抽查2%。 

　　⑵桩顶标高：采用水准仪测量桩顶标高。抽查2%。 

　　⑶桩长：①施工记录法:根据旁站观测和施工记录检查桩长。②锤球法。利用系有铁锤的皮尺或钢尺放入管桩内测量桩的长度。当未设置桩头时应扣除估计的土塞长度。 

　　⑷桩身完整性：①基桩反射波法试验:目的是普查桩身结构完整性，并为静载试验或高应变动力试桩提供依据。还可用于检查接桩质量。通常检测频率为30%。② 基桩高应变法试验:目的是检测桩的竖向承载力和桩身结构完整性。通常检测频率为10%。 

　　⑸承载力：①基桩高应变法试验；②载荷试验，通常检测频率为0.5%，且每个标段不得小于3根。 

　　3试验监测 

　　在桩间土和桩承台埋设观测仪器，施工过程中对管桩的沉桩过程、桩体检验、路堤填筑等各阶段进行资料采集和分析，为进一步研究管桩复合地基桩土应力分担比、沉降、孔压变化规律等提供现场实测资料。 

　　3.1观测内容 

　　⑴土体变形的观测，包括表面沉降、分层沉降和侧向水平变形，用以分析土体变形性能的改变，并推算土体工后沉降的大小及其分布情况。 

　　⑵桩上应力比观测，分别在管桩承台和桩间土埋设压力盒，通过现场测试，计算管桩复合地基桩土应力比，掌握管桩复合地基中桩土荷载分配规律，进一步分析管桩复合地基承载能力。 

　　⑶孔隙水压力观测，在桩间土不同深度处埋设孔隙水压力传感器，测定在管桩沉桩和路堤填筑过程中桩间土超静孔隙水压力发生及其消长过程，以便计算土体的受力状态和土体变形随时间的发展规律。 

　　3.2仪器的布置和埋设 

　　四个试验区段中部各设置1个监测断面，用于对比不同复合地基作用下的加固效果。每个监测断面设置以下监测仪器： 

　　⑴表面沉降：每个监测断面设置3组表面沉降板，分别设在路中线、坡肩。每组3块，分别设在2根桩连线中点处、4根桩对角线交点处、桩顶。 

　　⑵分层沉降：每个监测断面设置1孔分层沉降，设在路基中线附近4根桩对角线交点处。 

　　⑶水平沉降管：每个监测断面设置2根水平沉降管，1根在2排桩之间，1根在1排桩桩顶上方。水平沉降管与施工干扰较小，主要用于卸载阶段、路面施工阶段的沉降监测。 

　　⑷孔压测头：每个监测断面设置1组孔压测头，设置在4根桩对角线交点处，沿深度每1.5m一只测头。 

　　⑸土压力盒：对于A区、B区、D区，每个监测断面设置16只土压力盒。土压力盒分2层布置，分别在土工格栅上侧和下侧。每层8只土压力盒，其中2只土压力盒布设在2根桩的桩顶上方，6只土压力盒布设在桩之间。C区的监测断面设置24只土压力盒，土压力盒分3层布置，分别在土工格栅上侧、土工格栅下侧、托板下侧。每层8只土压力盒，其中2只土压力盒布设在1个托板上方或下方，6只土压力盒布设在桩之间。 

　　⑹测斜：在每个监测断面的坡脚附近设置一孔测斜管，测斜管进入软土层下面的硬土层3～4m，并且不得短于管桩长度。 

　　4小结 

　　预应力管桩作为一种新兴的桩型，被工程界所认同，但预应力混凝土管桩,既有别于普通预制桩，是一种部分挤土桩，易于施工、质量控制、节省材料，又有别于钢管桩，具有不同的侧面性能，特别是外径相同的桩，截面积大，管内侧摩阻力大，易于形成完全闭塞。针对广梧高速公路的特殊性及重要程度，部分地段软基处理采用控沉预应力管桩施工，可以大大减小路基工后沉降，克服路基拼接施工新老路基的沉降差异。经过施工总结，采用控沉预应力管桩施工具有施工工艺可靠、施工质量容易控制、施工便捷快速、综合经济指标合理等优点。特别是采用静压法施工，噪音小、扰民少，施工的环保效果显著。采用控沉预应力管桩施工，因其在软基处理施工中良好的技术性能和工艺条件，必将在高速公路改扩建工程中被广泛应用。