預應力混凝土管樁技術發展展望

陳　可，楊成斌，費廣清，徐紹俊，吳　昊

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥　230009 2.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥　230000)

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預應力混凝土管樁技術發展展望

陳可1，楊成斌1，費廣清2，徐紹俊1，吳昊1

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥230009 2.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥230000)

摘要：文章介紹了目前建筑行業出現的新型預應力混凝土管樁出現的新的混凝土摻合料以及超強性能混凝土，為了降低管樁生產成本、保護環境，我國開始研究和應用免蒸壓法混凝土管樁生產工藝，為了提高管樁的工作性能，出現了許多新的施工方法，如引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等。

關鍵詞：管樁；生產工藝；節能減排；施工技術

0引言

預應力混凝土管樁經過20多年的快速發展，已經得到了廣泛的推廣和應用。據不完全統計，目前我國預應力混凝土管樁的生產廠家已逾600家，分布在全國24個省市自治區(港澳臺除外)，從規模和產能來說，大部分集中在浙江、江蘇、廣東、山東、福建5省。其中預應力混凝土管樁的產品規格有：PHC樁和PC樁外徑系列300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1400 mm十個規格，局部地區還少量生產350 mm、450 mm和550 mm規格PHC樁和PC樁；PTC樁外徑系列300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm七個規格。生產和使用的預應力混凝土管樁單節長度最長已達56 m[1]。

目前，我國預應力混凝土管樁行業僅有20多年的發展歷史，在未來很長一段時期，隨著我國的基礎建設發展，管樁行業還會持續發展，隨著當今世界對節能減排、綠色無污染發展的重視，管樁行業也會向著更加環保、節能、自動化的方向前進，管樁行業會在優化已有技術的同時，開發出更新的原材料，更先進的生產工藝和施工技術，促進管樁行業的快速、可持續發展。

1預應力混凝土管樁新樁型

1.1大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁

目前預應力混凝土管樁用受力鋼筋主要為pc鋼棒，由于pc鋼棒抗拉強度可達1 422 MPa，且表面有槽痕，能與混凝土有良好的握裹力，焊接性能良好，故在預制混凝土管樁中大量使用，且能滿足大多數工程要求，但近年來各種大工程大管樁不斷涌現，特別是碼頭橋梁等工程，對管樁承載力提出了更高的要求，因此大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁(圖1)應運而生，其受力鋼筋由傳統的pc鋼棒改為抗拉強度為1 570 MPa或1 860 MPa的鋼絞線，克服了普通混凝土管樁的弱點而保留了其優點，力學性能有較大的提高，工程性能尤其是韌性和耐錘擊性能也明顯優于現有的PHC管樁和大管樁[2]，中交第三航務工程局有限公司已對該樁型進行試驗和應用，取得了良好的效果，適合進一步研究和推廣。

圖1　大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁

1.2預應力高強混凝土耐腐蝕管樁

預應力高強混凝土耐腐蝕管樁[3]主要在于所用材料耐腐蝕和適當的防腐措施，對于耐腐蝕管樁樁身，可以針對不同的腐蝕介質，使用特制防腐水泥或混凝土，如抗硫酸鹽水泥、水玻璃耐酸混凝土以及硫磺耐酸混凝土等，或摻入高性能耐腐蝕外加劑，或在管樁外表面涂上有機硅混凝土保護劑；對于混凝土內鋼筋，一般是加大混凝土保護層厚度，也可以在不影響鋼筋與混凝土的握裹力和物理力學特性的情況下，涂上鋼筋阻銹劑加以保護[4]。

1.3H型鋼混凝土樁

H型鋼混凝土樁，現在日、韓等國開始大量使用H型鋼混凝土樁，它具有許多普通管樁無法比擬的優越性，是傳統的鋼樁與混凝土優點較為完美的結合。隨著社會經濟的發展和我國國力的日漸雄厚，工程安全可靠性進一步要求我國逐步使用H型鋼混凝土樁；該樁中心是H型鋼，周圍是密實的混凝土，立式分模成型，與芯模振動成型壓力管相似，H型鋼有極好的抗彎性能，是一種極有前途的樁型，適合進一步研發試用。

1.4異性樁

異性樁是指外形不同，內腔為圓形，同樣是采用離心工藝制作的各型預應力混凝土管樁。如外方內圓的空心樁(圖2)，其布筋布置有的是圓形，如美國早期生產的空心樁；也有主筋呈方形布置的空心方樁；還有外形為正八邊形的八角空心樁(圖3)；有外方帶槽的內圓空心樁；外形為五、六邊的五角、六角空心管樁；外形為帶肋的竹節樁(圖4)。以上均屬于異型樁類。

圖2預應力空心方樁圖3八角形樁圖4竹節樁

1.5復合材料筋與鋼筋的預應力混凝土管樁

玻璃纖維增強塑料(GFRP)是一種由樹脂和玻璃纖維復合組成的新型材料，它相對于普通鋼筋具有防腐性、抗拉強度高、抗沖擊性能好、便于切割及重量輕等顯著優點。目前國外已有混凝土結構中使用GFRP筋代替鋼筋應用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭等工程中。

玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預應力混凝土管樁，是采用GFRP筋的配置來改善預應力混凝土管樁的抗彎性能和耐久性，是一種高抗彎性能、耐久性好、抗震性能好、造價低、節省鋼材、施工和運輸方便以及對水平荷載要求高的區域的混合配筋預應力混凝土支護樁，具有廣闊的應用前景，是一種極有前途的樁型。

2新材料、工藝及施工技術的研究

隨著我國工程建筑向著超高層、大跨度的方向發展，已有的技術會被不斷創新和迭代，縱觀我國管樁發展史，技術創新從未停止，各管樁企業和科研工作者在理論和實踐的基礎上研發了許多新的材料、工藝及施工技術，促進了我國管樁行業的持續發展。

2.1新材料的應用

在混凝土管樁中，用摻合料與減水劑雙摻可以提高混凝土的工作性能，縮短混凝土管樁養護時間。常見的混凝土摻合料有磨細砂、礦渣、粉煤灰、硅灰、石灰粉和鋼渣等，目前研發應用的新型摻合料有很多種，總體向著摻合料細小化的方向發展，因為細小的摻合料會充填在骨料孔隙中，減少孔隙水含量，從而減少用水量，而且摻合料顆粒越細小，比表面積就越大，與水泥中化學物質之間的分子力越大，能吸附大量的化學物質，從而大大促進混凝土的水化作用，提高混凝土管樁性能。目前新型的摻合料有磨細石灰石粉、超細粉煤灰、納米CaCO3，王充總結了超細礦物摻合料與減水劑共同作用下的機理，他認為超細礦物摻合料具有“微集料效應”“形貌效應”“比重效應”以及“分散效應”[5]。

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete UHPC)是一種力學性能好、韌性高、耐久性好、穩定性強的新型混凝土材料，它的基本配制原理是：不使用粗骨料，細骨料的最大粒徑不超過300微米[6]，加入水泥、高效減水劑、超細粉煤灰等超細礦物摻合料以及微細鋼纖維，UHPC是法國Bouygues公司Richardt等人于1993年研制出來的，覃祖于1998年首次把UHPC相關理論引入中國進行研究，由于缺乏相關規范指導，而且價格昂貴，目前國內超高性能混凝土還停留在理論研究和試驗性工程，并未應用于實際工程，國外也僅有少量工程應用，UHPC以其超強的力學性能和耐久性，應用前景非常樂觀。

2.2免蒸壓法混凝土管樁生產工藝

隨著我國社會的發展，對環境保護和生產成本的要求越來越高，PHC管樁生產工藝的缺點也就日益突出，成為擺在人們面前亟待解決的問題。近幾年我國很多人開始研究免蒸壓養護的技術，它用蒸汽養護-自然養護來代替傳統的蒸汽養護-蒸壓養護，通過添加高強摻合料和高效減水劑，使管樁在蒸汽養護階段就達到較高強度，再在自然養護的條件下使管樁強度達到C80的強度要求。日本在免蒸壓預應力高強混凝土管樁方面的研究已有40多年的歷史，目前已經形成一套完善的免蒸壓法生產技術，總結起來有四條：① 提高水泥漿體的強度。② 改善骨料強度。③ 改善水泥漿和骨料表面的粘結強度。④ 改善拘束條件下的強度[7]。日本目前利用免蒸壓技術已經能夠生產出C80、C105和C123等級的高強度PHC管樁。

2.3新型施工技術

預應力混凝土管樁最常用的施工方法是靜壓法和錘擊法，但這兩種方法都存在一定的弊端，兩種方法都存在擠土效應，導致臨近樁身發生偏斜、上抬，甚至斷裂。

(1) 引孔靜壓法。引孔靜壓法是鉆孔法與靜壓法相結合的新型施工方法，其先用鉆機鉆一個孔徑略小于管樁直徑的鉆孔，以小于管樁直徑20～50 mm為宜，鉆孔深度以小于樁底設計標高以上0.5～1.0 m為宜[8],然后用靜壓法或抱壓式靜力沉樁機將管樁壓至設計標高。該方法大大減小了土體的擠土效應，充分發揮了管樁的樁身極限承載力，而且顯著提高了管樁的打入深度，擴大了其適用范圍。

(2) 靜鉆根植法。靜鉆根植法是先用螺旋鉆機鉆出一個比管樁直徑稍大的鉆孔，鉆至管樁設計深度后注入樁端水泥漿，然后邊提鉆邊注入樁周水泥漿，并攪拌均勻，完成后再進行植樁工作，利用樁身自重將管樁植入孔中。這種施工方法也克服了擠土效應，而且其側摩阻力的發揮是由樁周水泥與土體提供的，比樁-土的側摩阻效果更好，與相同條件下的鉆孔灌注樁相比，其側摩阻力提高了5%～10%，工程造價減少了10%左右[9]。

(3) 中掘法。中掘法又叫隨鉆跟管法，是將螺旋鉆機鉆桿套在管樁中，鉆孔直徑與管樁內徑相同，在鉆進的過程中用抱壓沉樁機將管樁同步下壓，鉆至設計深度后在樁底擴孔灌水泥漿，以提高樁端承載力，同時管樁也植入到位。這種方法將鉆孔、沉樁、注漿等施工流程無縫地連接了起來，提高了工作效率。

3結束語

(1) 隨著我國預應力混凝土管樁的應用越來越廣泛，新的樁型就應運而生，這些新樁型具有明顯的優點和廣泛的適用范圍。

(2) 新樁型離不開新材料，由于超細礦物摻合料顆粒細小，比表面積大，與減水劑雙摻使用，能夠有效減少單位體積混凝土用水量，減少水泥用量，增加混凝土漿體和易性，提高混凝土的工作性能。

(3) 免蒸壓法混凝土管樁生產工藝用蒸汽養護-自然養護來代替傳統的蒸汽養護-蒸壓養護，能夠有效節約資源，降低生產成本。

(4) 引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等新的施工方法與傳統的施工相比，具有污染小、施工快、適用范圍廣、對管樁承載力影響小、施工效率高等優點，具有很高的推廣價值。

〔參考文獻〕

[1]CCPA預制混凝土樁分會.預制混凝土樁行業發展報告[J].混凝土世界，2015(6):18-22.

[2]王偉明，季振祥.SPHC管樁的研制開發及應用[J].水運工程，2011(1):171-178.

[3]王離.預應力管樁的最新進展和發展趨向[J]. 混凝土與水泥制品，2015(2):32-35.

[4]陳義侃.預應力高強混凝土管樁防腐蝕問題的討論[J].福建建設科技，2007(5):1-2.

[5]王充，蒲心誠.超細礦物摻合料對新拌混凝土的增塑減水機理分析[J].混凝土，2001(8):51-54.

[6]陳寶春，季韜，黃卿維，等.超高性能混凝土研究綜述[J].建筑科學與工程學報，2014，31(3):1-12.

[7]桂志偉.免蒸壓PHC管樁高強摻合料及其應用的研究[D].北京：中國建筑材料科學研究總院，2015.

[8]黃春滿.引孔靜壓樁施工技術難題研究[D].廈門：廈門大學，2009.

[9]周佳錦，龔曉南，王奎華，等.靜鉆根植竹節樁在軟土地基中的應用及其承載力計算[J].巖石力學與工程學報，2014，33(S2):4359-4366.

收稿日期：2016-03-21；修改日期：2016-03-25

作者簡介：陳可(1992-)，男，河南開封人，合肥工業大學碩士研究生； 楊成斌(1962-)，男，安徽滁州人，碩士，合肥工業大學教授級高工．

中圖分類號：TU473.13

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0230-03