預應力混凝土管樁的工程應用實踐

1　預應力混凝土管樁行業(yè)的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　預制混凝土管樁包括預應力混凝土管樁(代號PC管樁) 、預應力高強混凝土管樁(代號PHC管樁) 及先張法薄壁預應力混凝土管樁(代號PTC管樁) 。1984年廣東省構件公司、廣東省基礎公司和廣東省建筑科學研究所合作,研制成功新型接樁形式的PC管樁, 將以往法蘭接口樁接頭連接改為焊接連接[ 1 ]、[ 2 ]。1987年交通部第三航務工程局從日本全套引進預應力高強混凝土管樁生產(chǎn)線, 主要規(guī)格為D = 600～1 000 mm。1987～1994年, 國家建材局蘇州混凝土水泥制品研究院和廣東番禺市橋豐水泥制品有限公司在有關科研院所的合作下, 通過對引進管樁生產(chǎn)線的消化吸收, 自主開發(fā)了國產(chǎn)化的PHC管樁生產(chǎn)線。20世紀80年代后期, 寧波浙東水泥制品有限公司在有關研究院所的合作下, 針對我國沿海地區(qū)淤泥軟土層較多的特點, 通過對PC管樁的改造, 開發(fā)了PTC 管樁, 主要規(guī)格有D = 300 ～600 mm。經(jīng)過近20年來的快速發(fā)展, 據(jù)不完全統(tǒng)計, 目前國內(nèi)共有管樁生產(chǎn)企業(yè)約300 家, 年銷售額200 多億元,管樁的規(guī)格D = 300～1 200 mm。預應力混凝土管樁已被廣泛應用到高層建筑、民用住宅、公用工程、大跨度橋梁、高速公路、港口、碼頭等工程中。本文主要論述預應力混凝土管樁在建筑工程中的工程應用。

2　預應力混凝土管樁性能特點

　　建筑工程樁基礎中普遍采用的樁型有預應力混凝土管樁、鋼筋混凝土預制方樁、鉆孔灌注樁和鋼管樁, 樁型的選擇主要依據(jù)施工條件和工程造價來確定。表1對這4種樁型的應用特點進行了總結對比[ 3 ]。

3　預應力混凝土管樁的工程實踐

3、1　工程概況及地質(zhì)資料

    本工程為浙江省溫州市某購物中心項目, 建筑高度221450 m。地下部分為1層地下車庫,深度315 m,建筑面積為84 682 m2 ;地上部分為3～4層商業(yè)建筑,采用鋼筋混凝土框架結構,建筑面積143 279 m2。

    依據(jù)地質(zhì)報告場地地下水位位于地下室底板以下,故本工程基礎設計不存在抗浮問題。場地地質(zhì)資料情況詳見表2。

3、2　樁型經(jīng)濟性分析

    溫州市當?shù)爻Ｓ脴缎陀蓄A應力混凝土管樁、鋼筋混凝土預制方樁和當?shù)匾环N簡易灌注樁。結合地質(zhì)報告及當?shù)亟?jīng)驗,穿越第四層圓礫層(該層厚度起伏,故不適合作為樁基的持力層)不存在問題,故選取5 - 2層土作為樁基持力層并進入持力層118m。依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007- 2002) [ 4 ]和《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94 - 94) [ 5 ] ,本文分別給出了這三種樁型的單樁承載力,并且每種樁型各取兩種規(guī)格進行對比分析。具體數(shù)據(jù)詳見表3。

    分析表3中的數(shù)據(jù)可以看出:從材料用量上比較,預應力混凝土管樁與鋼筋混凝土預制方樁相當,管樁比方樁耗用混凝土略少,兩者都遠比灌注樁經(jīng)濟高效。雖然本工程不存在抗浮問題,但不難看出鋼筋混凝土預制方樁提供抗拔力最有效,所以一般抗拔樁優(yōu)先考慮采用預制方樁;而預應力混凝土管樁由于接頭連接問題(樁與承臺、樁與樁)比較麻煩,因此在工程實踐中較少作為抗拔樁使用。一般混凝土管樁的鋼筋用量比方樁少50～60%。綜合考慮施工條件、工程造價及柱底上部結構傳來的荷載值,本工程選用PHC管樁[ 2 ] ,管徑為500 mm,樁長為52 m。

3、3　單樁承載力的確定

    應當指出:采用現(xiàn)行規(guī)范設計公式計算確定的管樁單樁豎向承載力往往較單樁實際承載值小很多。單樁承載力特征值定得很低,會造成很大的浪費,顯現(xiàn)不出預應力管樁的優(yōu)越性,也不利于管樁的推廣應用。設計時不應該僅按現(xiàn)行規(guī)范公式計算單樁承載力,而應該通過靜載試驗來確定單樁承載力特征值。本工程在樁基全面施打前進行了12根試樁及靜載試驗,圖1為1#和4#試樁Q - S 曲線。從圖中曲線可以看出兩根試樁的單樁極限承載力均大于3 450 kN。最終確定取用的單樁承載力特征值為1 700 kN。本項目共用管樁3488根。

4　預應力混凝土管樁的施工問題

　　沉樁方法及設備的選擇和確定合理的施工控制參數(shù)是確保樁基工程質(zhì)量的核心,本節(jié)結合實際工程就這兩方面的問題進行展開討論[ 1 ]、[ 3 ]。

4、1　沉樁方法和設備

    目前,預應力混凝土管樁的沉樁工法主要有靜壓法和錘擊法。靜壓法施工通過靜力壓樁機將樁壓入土中,具有無噪音、振動很小、無空氣污染等優(yōu)點,很多城市市內(nèi)嚴格要求管樁必須使用靜壓法施工。但壓樁機對場地的地基承載力要求較高,且機器占地面積較大,這也限制了靜壓法施工工藝的使用范圍。而錘擊法具有施工靈活、樁機對地基耐壓力要求低、進退場容易、施工進度快、效率高、操作方便、地層穿透性能良好等優(yōu)點。經(jīng)過多年的使用經(jīng)驗,錘擊法的運用已經(jīng)非常成熟,目前該施工方法仍占有70%的市場份額,以柴油錘為主。本工程亦選用柴油錘錘擊法進行沉樁。錘擊法施工機具應按“重錘低擊”的原則選取,盡量避免小錘打大樁和高承載力的樁。上述工程試打樁過程中,起初施工單位在穿越場地第四層土———圓礫層時,遇到了沉樁困難的問題,后經(jīng)過置換大號的柴油錘型號,采用重錘低擊等措施解決了穿越圓礫層的問題。

4、2　錘擊法施工控制參數(shù)

 

    影響確定收錘標準的因素有:場地工程地質(zhì)條件、單樁承載力設計值、樁的規(guī)格和長短、錘的大小和落距(沖程)等因素。綜合考慮最后貫入度、樁入土深度、總錘擊數(shù)、每米沉樁錘擊數(shù)、最后1 m沉樁錘擊數(shù)、樁持力層的巖土類型、樁基進入持力層的深度、樁墊彈性壓縮量等。上述因素中尤以達到持力層、最后貫入度或最后1 m沉樁的錘擊數(shù)為主要指標,其它指標可以根據(jù)具體情況有選擇地作為參考指標。樁端達到持力層作為定性控制,最后貫入度或最后1 m沉樁的錘擊數(shù)作為定量控制。作為摩擦樁,原則上收錘標準是以設計樁端標高和樁長作為主要控制指標;而端承樁則是以最后貫入度作為主要控制指標。本工程基礎工程樁為摩擦樁,因此沉樁過程中以設計樁端標高和樁長作為主要控制指標,輔以最后貫入度作為參考指標,來進行施工控制。最終成樁過程順利,且經(jīng)過靜載試驗,承載力均符合設計要求。

5　結束語

　　本文結合工程實例論述了預應力混凝土管樁在建筑工程應用中的優(yōu)勢,并探討了管樁施工中的沉樁工藝和施工控制參數(shù)兩個關鍵問題。作為一種相對成熟的工程產(chǎn)品,管樁已得到了廣泛的應用,但其應用仍有一定的局限性。筆者認為預應力混凝土管樁的發(fā)展方向是大直徑和改良拼接工藝,相信預應力混凝土管樁今后必將在建筑工程中得到更為廣闊的應用。

參考文獻

[ 1 ] 　徐至鈞,李智宇. 預應力混凝土管樁基礎設計與施工[M ]. 機械工業(yè)出版社, 2005.

[ 2 ] 　03SG409. 預應力混凝土管樁圖集[M ].

[ 3 ] 　顧小魯,錢鴻縉,劉惠珊,等. 地基與基礎(第三版) [M ]. 中國建筑工業(yè)出版社, 2003.

[ 4 ] 　GB50007 - 2002 建筑地基基礎設計規(guī)范[ S].