PHC管樁機理分析及施工工藝

李顏艷

預應力高強混凝土管樁(簡稱PHC樁),是在近代高性能混凝土(HPC)和預應力技術的基礎上發展起來的混凝土預制構件,它是建設部科技成果重點推廣項目。PHC樁是專業工廠里采用先張法預應力和離心成型工藝,經過蒸壓養護而制成的一種空心圓筒體的等截面構件,運往施工現場后,通過錘擊或靜壓的方法沉入地下作為建(構)筑物的基礎。這是一種新型的基樁,由于它的優良性能,得到了建筑界人士的青睞,在國內外發展迅速,日本、我國港澳地區及東南亞各國使用都很廣泛。廣泛應用在工業與民用建筑、橋梁、港口碼頭、水利工程等,在國家建設中發揮了越來越大的作用。

1 PHC樁特點

1)單樁承載力高,單位承載力價格便宜。2)抗彎性能好。3)質量穩定可靠。4)應用范圍廣。5)施工速度快。6)施工現場文明。

2 PHC管樁處治路基的機理

1)擠土效應現象及解釋。沉樁時,靠近樁尖的土體發生極限破壞,形成塑性流動狀態,向樁尖以下和樁側向排開,通常在樁尖處形成4倍～6倍樁徑的球狀擾動區,土體擠密、開裂、樁尖嵌入,并使樁周土體發生豎向隆起(表層)和水平徑向位移(深層)。樁體表面存在樁土間的接觸、滑移和摩擦效應。樁土接觸面上有較大的剪切作用,使得樁周土體產生相對樁體的豎向位移和變形。

當樁周土體為飽和軟土時,將產生相當高的孔隙水壓力,從而大幅度的降低了土體中的有效應力,使土體隆起及水平運動,造成擠土效應;當樁周土為砂土時,因為砂土有很強的排水能力,沒有超孔隙水壓力產生,但沉樁過程中樁體的擠壓與振動作用會造成樁周土體應力狀態的改變和土體顆粒的重新排列,也會產生一定程度的擠土效應。

樁的入土體積越大,土的密度提高越高,擠土效應的影響范圍就越大,一般在樁側約為3倍～7倍的樁徑、在樁尖以下約為2.5倍～5倍的樁徑范圍內。

2)擠土效應的研究方法。靜力壓樁的研究方法主要有現場量測研究、理論分析研究和數值模擬等方法。其中現場量測研究開展的最早,人們從實測資料中總結了一些規律,提出相應的經驗公式,有些地區性施工技術手冊給出了簡易的計算方法,如下式:

其中,k1,k2,k3,k′3均為經驗系數為樁的截面面積,m2,R為計算點與樁中心的距離,m;ΔH和ΔV分別為計算點的水平位移和隆起量,m。

模型樁試驗也是靜壓樁研究的一種重要手段,以下介紹一種這樣的試驗。

試驗用模型試驗槽平面尺寸為2.0 m×2.7 m,深2.4 m,一面裝有機玻璃,可以做半模試驗,觀察土體在沉樁過程中的位移。試驗用砂為普通中砂,最大和最小干密度分別為1.812 g/cm3和1.413 g/cm3。模型樁為半圓形,直徑 8 cm,長220 cm,用靜壓方式沉入土中80 cm(10倍樁徑)。模型樁與試驗槽的距離與樁徑比值達到70,試驗槽壁對樁土系統的邊界約束很微弱,可將本沉樁試驗看作軸對稱問題,填砂方式采用稱重后均勻拋撒,并在填至不同深度時實測填砂的密度與含水量,校核所控制的填砂相對密度。最終的相對密度為40%左右。位移觀測點在樁體一個側面及樁尖以下區域水平均勻布置,通過觀測土體的位移可以求得各處土體的密度。試驗結果是,松砂中靜壓沉樁的徑向位移影響區域在40 cm(5倍樁徑)左右,樁尖以下位移影響區域為4倍～5倍樁徑。樁側以徑向位移為主,樁尖以下土體徑向位移迅速減小,豎向位移顯著增加。受沉樁影響的樁周土分區示意圖見圖1。

實際工程中,受沉樁影響的周圍土體范圍沒有以上松砂試驗的那么大。

在理論研究方面,提出的方法有圓孔擴張法、應力路徑法、有限單元法等。Lambe和Horn在應力路徑方法的基礎上,提出了壓樁之后樁周附近土體的隆起和隨后土體的固結沉降的估算方法。雖然按這個方法計算的結果比實測的結果要大一些,但該估算方法仍是值得應用于實際工程計算的。Sagaseta應用球形孔擴張理論得出了地表水平位移和垂直隆起的計算公式。

3)沉樁過程中的孔隙水壓力。國外Milligan等人研究了沉樁過程中的孔隙水壓力,結果顯示:超孔隙水壓力等于甚至大于附加應力。然而,產生的超孔隙水壓力隨著離樁距離的增加而急劇下降,即孔壓消散的非常快。另外,土的靈敏度對孔壓大小有顯著的影響,靈敏度高的土中的孔隙水壓力值也高。

4)壓樁過程中產生的土體位移。當樁擠開周圍土體時,土體中的總應力在增加;同時,樁周土體由于剪切和重塑,有效應力在增大或減小(依賴于剪切時土體趨于膨脹或收縮)。正常固結黏土不排水剪切時趨于收縮,故其有效應力減小,根據有效應力原理可知,超孔隙水壓力等于總應力與有效應力之差,因此,正常固結黏土中孔隙水壓在增加。沉樁完成后,孔隙水壓力將從較高的孔壓區向較低的孔壓力區消散,這將使樁周土體產生固結。所以,靜力壓樁問題也是一個固結問題。

擠土效應現象,使土體產生隆起和水平向的擠壓,引起相鄰建筑物和市政設施的不均勻變形以致損壞;擠土效應引起的環境影響以混凝土預制方樁和閉口鋼樁為最,開口鋼樁和開口混凝土管樁次之。

擠土效應不僅影響環境,也影響到樁基礎本身,靜壓樁施工中常出現的兩個問題都與擠土效應有關。一個是樁體上浮問題,不少靜壓樁,特別是 PHC管樁,因為上浮“懸空”起來,復壓時出現了非常大的沉降,很多樁的承載力達不到設計要求,存在著嚴重的質量隱患;另一個是靜壓樁的“樁塞”問題,在滲透性很低的軟土(淤泥、淤泥質黏土)地基中壓樁,會產生很高的孔隙水壓力,若不能很快消散,會造成沉樁困難,甚至損壞樁身,也就是通常所說的“樁塞”現象。同時由于有效應力降低,土體會發生隆起和側向位移,使樁體產生上抬和水平擠動。

3 PHC樁沉樁施工

3.1 施工工藝流程

1)施工順序。沉樁施工順序一般宜采用先長樁后短樁,先大徑后小徑的原則,自中間分兩邊對稱前進,或自中間向四周進行。2)測放樁位。測放的樁位經測量監理復測無誤后方可進行沉樁,并且每天施工前要檢查即將施打的樁位與鄰樁之間的尺寸是否正確。為便于控制送樁高度設一定數量的水準點。3)樁機就位。檢查樁機,確保設備正常運轉后移動設備就位、對中、調直。4)插樁。先用吊車取樁,起吊前在樁身上畫出以米為單位的長度標記并將開口樁尖焊接到底樁上(短樁無樁尖),起吊支點宜在樁端(無樁尖)0.3L處;將樁吊起后,緩緩地將樁一端送入樁帽中,就位準確后,再用兩臺經緯儀(軸線互相垂直)雙向調整樁的垂直度,通過樁機導架的旋轉、滑動及停留進行調整;插入時的垂直度偏差不得超過0.5%,確保位置及垂直度符合要求后先利用樁錘的自重將樁壓入土中。5)錘擊沉樁。因地層較軟,初打時可能下沉量較大,宜低錘輕打,隨著沉樁加深,沉速減慢,起錘高度可漸增。在整個打樁過程中,要使樁錘、樁帽、樁身盡量保持在同一軸線上。必要時應將樁錘及樁架導桿方向按樁身方向調整。6)接樁施工。接樁采用端板式焊接接頭。當下節樁的樁頭距地面0.6 m～0.8 m左右時,開始進行接樁。先將焊接面清刷干凈,再在下節樁頭上安裝導向箍引導就位,當PHC樁對好后,對稱點焊4點～6點加以固定,然后拆除導向箍。由兩名電焊工手工對稱施焊,焊接層數應不小于兩層,內層焊渣必須清理干凈后再焊下一層,要保證焊縫飽滿連續。焊條采用J422焊條,焊條直徑為4.0 mm,3.2 mm。焊接具體操作與要求按FGJ 94-94中的有關條款之規定執行。焊好的樁接頭應自然冷卻3 min～8 min后方可錘擊沉樁。7)在沉樁過程中碰到異常情況應暫停打樁,查明原因后再按處理方案施工。

3.2 成果記錄整理

打樁過程中應詳細記錄各種作業時間,每打入0.5 m～1 m的錘擊數、樁位置的偏斜、最后10擊的平均貫入度和最后1 m的錘擊數等。按規范要求整理成表并進行質量評價,必要時進行靜載與動載試驗。

3.3 PHC管樁與基礎底板連接技術

為有效防止基礎上浮并保證基礎和樁基的整體協同工作,PHC樁必須伸入基礎不少于10 cm,同時在基礎鋼筋綁扎前,將PHC樁頂部的60 cm高度內中空部分灌入混凝土,采用強度不低于C40的混凝土,并微摻UEA膨脹劑(摻量10%),同時沿孔周邊設置錨筋。錨筋伸入基礎底板內,與底板混凝土剛接。

4 結語

1)PHC樁強度高,抗彎性能好,具有卓絕的貫入性能,施工速度快,工期短。2)PHC樁由于采用預應力螺旋筋,抗裂性好,因此成樁質量可靠,不易損壞,實際施工中,無一根樁破裂報廢,這是其他預制樁所不具有的特點。3)施工現場文明,特別適合工期短、城市環境條件下的樁基施工。4)“重錘低打”能有效降低錘擊應力。樁錘對樁頭的錘擊速度越快,在樁身上產生的應力波強度也越高,即打樁應力與錘擊速度成正比,所以為降低錘擊應力并保持較好的貫入度,采用了較重的樁錘和較低的速度施打,效果良好。5)選擇合理的打樁施工順序,能減小樁的側向位移,對周圍建筑物不會有大的影響。應根據基礎形狀和長應先里后外,先深后淺,由中心逐漸往外側對稱施工。

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