軟土地基地區(qū)預應力管樁處理技術(shù)應用

張辛

（山西晉建集團五建有限公司， 山西 晉中 030600）

預應力管樁基礎(chǔ)具有單樁承載力高、 穩(wěn)定性好的突出特點， 充分發(fā)揮出各樁的承載性能優(yōu)勢， 切實保證成樁質(zhì)量的可靠性。 同時， 預應力管樁的施工成本相對較低， 在地基處理中可取得突出的經(jīng)濟效益。

1 預應力管樁的應用優(yōu)勢分析

1） 單樁承載力高。 通常， 樁體混凝土強度等級達到C80， 具備較強的豎向極限承載力， 可有效打入密實的砂層和強風化巖層， 以保證樁體的穩(wěn)定性。 在擠壓作用下， 樁端的承載力提高， 以同直徑的樁體為例， 其具備的承載力明顯優(yōu)于鉆孔灌注樁， 因此在提升地基穩(wěn)定性方面有突出的優(yōu)勢。

2） 質(zhì)量可靠。 預應力管樁的強度高、 耐錘擊，抗裂彎矩遠高于方樁， 樁身在穿越堅硬土層時有足夠的穩(wěn)定性， 可有效降低斷裂、 斷樁的發(fā)生率。

3） 施工效率高。 預應力管樁的施工采取的是“廠家預制、 現(xiàn)場打設(shè)” 的流程化作業(yè)模式， 根據(jù)施工進度計劃， 可提前在廠內(nèi)預制成型， 縮短混凝土澆灌和養(yǎng)護的時間。 若采用靜壓法施工預應力管樁， 單個臺班的沉樁量可達到7 ～15 根， 具有較高的施工效率。

4） 經(jīng)濟效益突出。 在應用預應力管樁處理軟土地基時， 得益于質(zhì)量可靠、 流程化作業(yè)、 效率高等特點， 材料、 機械設(shè)備等方面的成本投入得到有效的控制， 單樁造價普遍低于灌注樁， 具有較高的經(jīng)濟效益， 且此類優(yōu)勢在大面積的軟土地基加固處理中體現(xiàn)得尤為明顯。

2 預應力管樁的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)設(shè)計

1） 預應力管樁的類型多樣， 若樁身額定承載力R與單樁承載力標準值R一致， 此時屬于最經(jīng)濟的施工方式。 具體至工程實際環(huán)境中， 可考慮R= （0.8～1.0） R的取值關(guān)系， 對于R， 可按如下公式計算。

R=0.25（f-σp）·A

式中： R-樁身額定承載力； f-樁身混凝土抗壓強度， 不同混凝土強度的取值不盡相同， C60 時， 取f=60MPA， C80 時， f=80MPA； σpc-樁身有效預壓應力； A-樁身有效橫截面積。

2） 根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件和施工單位的作業(yè)水平，選擇規(guī)格適宜的管樁和可行性較高的沉樁方式。 例如， 若持力層為強風化層， 以錘擊貫入的方法為宜，管樁可考慮PHC類樁， 或是視實際情況采取組合型方案， 即最上一節(jié)為PHC樁， 除此之外的其他各節(jié)均為PC樁或PTC樁， 在此方式下可有效將樁體打設(shè)到位，避免樁體被打碎的情況。 若現(xiàn)場為淤泥質(zhì)土或粘土，可考慮靜壓法， 根據(jù)單樁承載力確定合適的壓樁力P（具體關(guān)系為P=1.3 -2.0R）， 進而有效調(diào)控靜壓機的工作參數(shù)， 有效打樁。

3） 管樁擠土效應較強， 可考慮開口樁靴的方法，其在緩解擠土效應方面有良好的應用效果； 此外， 嚴格控制樁距， 不可小于管樁直徑d 的3.5 倍， 而在高層建筑核心筒施工條件下， 較為合適的是樁距不小于4.0d。 施工順序方面， 首先完成樁場中心的打樁作業(yè)， 再向四周推進， 同時還可靈活應用樁原位取土、現(xiàn)場開挖隔離溝等方法， 此時也有助于緩解擠土效應。

3 預應力管樁的作用機理及單樁承載力分析

樁身上部有垂直應力和彈性變形， 且具有向下傳遞的變化， 樁身處于彈性壓縮狀態(tài)。 在逐步增加荷載的條件下， 樁身垂直應力傳遞至樁端， 在外力作用下促使樁端土受到壓縮， 發(fā)揮出樁側(cè)摩阻力的作用。 隨著加載量的增加， 樁端阻力同步增大， 樁頂側(cè)阻力優(yōu)先達到極限值， 并且該極限阻力的范圍逐步擴大， 作為抗力的摩阻力增量減小， 樁端阻力增量占比增大，在一系列的變化下， 樁端土產(chǎn)生塑性區(qū)且有范圍擴大的變化趨勢， 樁由于快速下沉而失效， 顯現(xiàn)出樁向土的刺入破壞。 從整個樁體的受力和破壞特性來看， 具有樁身強度超過樁身應力的特點， 成為剛性樁。

豎向單樁承載力R的確定是管樁設(shè)計中的重點內(nèi)容， 具體按如下公式計算。

式中： N-樁端處強風化的標貫值； A-樁尖（封口） 投影面積； U-管樁樁身外周長； L-各土層劃分的各段樁長； Q-樁周土的磨擦力標準值。需注意的是， 只有在樁尖進入強風化層的錘擊貫入施工中， 才可采用前述提及的R值計算公式， 而在軟土地基以摩擦為主的樁中則缺乏可行性。 因此， 在部分設(shè)計中仍需考慮到現(xiàn)場土質(zhì)的物理指標和承載力參數(shù)， 判斷兩者具備何種關(guān)系， 進而明確合適的單樁承載力， 具體如下。

式中： U-樁身周邊長度； q， q-樁端端阻力， 樁側(cè)阻力特征值； L-第i層巖土層的厚度；A—樁底端橫截面面積。

通常， 在預應力管樁的參數(shù)設(shè)計中， 相比于單樁靜載試驗數(shù)據(jù)而言， 理論計算的單樁承載力標準值普遍更低。

切實提高預應力管樁單樁承載力是有效加固地基的重要途徑， 具體考慮如下幾點： 1） 應保證有足夠的靜壓力， 以便有效地將預應力管樁打設(shè)到位， 使其可以到達強風化巖層或密實砂層。 通過外力的作用，促進樁尖持力層的擠壓加固作用， 經(jīng)過此項處理后的地基承載力較之于原始狀態(tài)有明顯的提高； 2） 軟土地基上部分布淤泥層， 靜壓力作用在樁端土體， 靜壓能量具有向下傳遞的特點， 逐層向下擠壓， 此時可形成樁端土反力和靜壓作用的恒等關(guān)系， 換言之， 具有作用力與反作用力的關(guān)系； 3） 在地基加固中， 預應力管樁通常設(shè)置為開口樁尖的結(jié)構(gòu)形式， 在打設(shè)過程中， 土擠力與樁壁摩擦力達到平衡狀態(tài)， 此時產(chǎn)生強烈的土塞效應， 對于提高樁體承載力而言有重要的意義。

4 預應力管樁技術(shù)在工程實例中的應用分析

4.1 工程概況

某工程的地基加固采用到PHC500AB100 預應力混凝土管樁， 總量495 根， 包含3 根試樁和492 根工程樁。 于現(xiàn)場適配兩臺靜力壓樁機， 憑借此類設(shè)備性能穩(wěn)定、 高效、 低噪音等優(yōu)勢高效施工， 具體型號包含YZB800HB型、 ZYJ800B型， 按照每臺3 人的人員數(shù)量關(guān)系予以分配， 協(xié)同完成預應力管樁的打設(shè)作業(yè)。

4.2 施工方法

4.2.1 施工工藝流程

基本流程為： 定位放線→樁機就位→喂樁→吊樁及調(diào)整樁體姿態(tài)→施壓→復核樁體→繼續(xù)施壓→完成單樁作業(yè)→樁機移位以便繼續(xù)施工。

壓樁的流水作業(yè)順序應具有合理性， 其是順利壓樁的重要前提， 將直接對壓樁質(zhì)量、 效率等方面造成影響。 為了富有秩序性地完成壓樁作業(yè)， 提前編制清晰明了的樁位圖， 確定具體的編號， 有序推進壓樁作業(yè)進程。 此外， 根據(jù)壓裝機的運行特性， 采取的是直線行走路線。

4.2.2 施工要點

1） 測量放線。 以紅線規(guī)劃定位圖、 設(shè)計施工圖為主要的參考， 用全站儀測放軸線控制點， 做好標記； 進而將軸線網(wǎng)測設(shè)在現(xiàn)場， 明確具體的樁位， 設(shè)置醒目的標記。 有效提高樁位測放精度是后續(xù)順利打樁的重要前提， 要求樁位放樣偏差不超過1cm， 測量放線后先安排自檢， 在確認無誤后， 由業(yè)主、 監(jiān)理安排檢驗， 全面保證測量放線結(jié)果的準確性。 施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

2） 標高的測量。 以測繪部門提供的高程控制基準點為準， 將其引測至現(xiàn)場， 設(shè)半永久性高程控制點。 在此方式下， 有利于打樁時精準控制管樁的標高， 確保打設(shè)后的管樁能夠滿足標高要求。

3） 規(guī)劃打樁路線， 確定具體編號。 立足于現(xiàn)場施工條件， 合理規(guī)劃施工路線， 秉承著打樁機能走直線就不繞路的原則規(guī)劃其行進路線。 此外， 路線規(guī)劃時還考慮到設(shè)備進出場的便捷性要求， 以便及時投入到工程施工中。 樁機的進場組裝位置以臨近起始打樁點為宜， 在設(shè)定具體的打樁路線后， 依次設(shè)定樁位號。 在本工程中， 按照“自西向東、 自北向南” 的順序依次壓樁。

4） 樁機就位。 樁機配備橫移、 縱移機構(gòu)， 通過兩類機構(gòu)的共同配合， 將樁機移動至指定打樁點位。樁機移動全程均要保持平穩(wěn)， 不可磕碰， 同時加強對樁位點的有效防護， 以免因操作不當而導致樁位產(chǎn)生偏位。

5） 吊樁、 插樁。 以現(xiàn)場施工要求為準， 提前將預制場生產(chǎn)的預應力混凝土管樁運送至現(xiàn)場， 到達距離打樁位置20m以內(nèi)時， 用起重機高效吊裝。 現(xiàn)場作業(yè)人員加強檢查， 若發(fā)現(xiàn)捆綁樁的鋼絲繩有斷絲現(xiàn)象， 及時安排換新， 保證吊裝的安全性。 吊裝時， 捆綁位置選取在樁身上部3m處， 保證綁扎的穩(wěn)定性。待管樁綁扎到位后， 用起重機緩慢將樁轉(zhuǎn)至樁機夾樁鉗口處， 向鉗口內(nèi)準確插入管樁， 再緩慢下放， 直至樁頭與地面保持接觸為止。 經(jīng)過檢查， 在確保樁機有效鉗好樁身后， 鋼絲繩脫鉤， 以便根據(jù)作業(yè)計劃吊裝下一根樁。

6） 樁身的對中調(diào)直。 聯(lián)合應用樁機的縱移、 橫移機構(gòu)， 精細化調(diào)整樁機的作業(yè)姿態(tài)， 直至樁尖中心對準樁位點為止， 此時對支撐四腳升降高度做靈活的調(diào)整， 有效校直樁身。

7） 靜壓沉樁。 經(jīng)過調(diào)整后， 若樁身姿態(tài)無誤，則開始靜壓沉樁， 具體要如下。

①根據(jù)預應力管樁的長度， 在樁身上劃出長度標記（以米為單位進行）， 同時注明管樁的長度， 此舉目的在于給沉樁施工提供參照基準， 以便作業(yè)人員及時掌握每米沉樁錘擊數(shù)、 入土深度， 保證打樁的有效性。

②打樁期間打樁機可能有下陷的情況， 為此在樁機履帶板下方墊厚度約2cm、 寬度超過樁機2m的鋼板樁， 分散樁機作用力， 以便樁機的平穩(wěn)運行。

③樁機行走時需調(diào)整樁錘的姿態(tài)， 使其處于樁架中下部， 以免影響到樁機的正常行走。

④樁機進場后， 準確調(diào)節(jié)位置， 用導桿垂直儀輔助調(diào)節(jié)， 使導桿初步垂直。 在此前提下， 開始起吊第一節(jié)樁， 以緩慢的速度將樁尖插入土中， 深度控制在30 ～50cm， 并保證其有足夠的穩(wěn)定性； 隨后， 聯(lián)合應用兩臺經(jīng)緯儀， 做雙向垂直校正操作， 確保樁身垂直度達到要求， 若有偏差則及時調(diào)整。 但需注意的是，若樁端入土深度達到3m， 此時不允許調(diào)節(jié)垂直度，需按照起拔回填、 重新插入的方法進行處理。 樁錘的打擊能量根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件而定， 若存在虛土或軟弱土層， 作業(yè)初期關(guān)閉油門冷打， 隨著施打作業(yè)的持續(xù)進行， 在每擊貫入度在100mm以內(nèi)時， 開啟油門，繼續(xù)錘擊， 使管樁準確到位。 沉樁期間， 樁錘、 樁帽、 樁身中心需共處相同的垂直線上， 且注重錘擊的連續(xù)性， 盡可能避免中途停錘。 若沉樁時有貫入度突變、 樁頂碎裂等異常狀況， 需及時停錘， 查明原因，妥善處理。

⑤打樁順序的控制至關(guān)重要， 其直接關(guān)乎打樁效率、 質(zhì)量等多個方面， 具體根據(jù)周邊建（構(gòu)） 筑物的分布特點、 樁密集程度而定。 此處均以樁體布設(shè)較為密集的條件為例進行分析： 若樁與周邊建（構(gòu)） 筑物的距離較遠， 從中間開始向四周依次沉樁； 若兩者距離較遠同時場地狹長， 則從中間開始， 而后向兩端有序推進； 若管樁一側(cè)臨近周邊建（構(gòu)） 筑物， 先完成臨近一側(cè)的打樁作業(yè)， 再逐步向遠處推進。 此外， 還需遵循“先大后小、 先長后短” 的原則打樁。

8） 接、 送樁。 在本次施工中， 預應力管樁較短，單根樁體的長度即可滿足要求， 無需額外接樁。 若由于局部作業(yè)條件特殊而需接樁， 則用端板焊接連接，并于樁頭處設(shè)導向箍， 以便兩節(jié)管樁對接的準確性。接樁焊接時， 采取CO氣體保護焊的方法， 并在距離地面約1m處操作。 焊接前， 先對管樁接頭做詳細的檢查， 判斷是否有雜物， 若有則用鋼絲刷清理干凈，直至坡口處露出金屬光澤為止， 此時可避免因雜物的存在而導致焊接缺乏足夠的穩(wěn)定性。 焊接時， 在坡口周邊對稱點焊4 ～6 個點， 目的在于初步固定兩節(jié)管樁， 待管樁準確對位且有足夠的穩(wěn)定性后， 拆下導向箍， 以分層、 對稱的方式完成后續(xù)的焊接作業(yè)， 通常焊接層數(shù)以三層為宜， 且只有在確保內(nèi)層焊接質(zhì)量無誤、 焊渣得到有效的清理后， 方可安排外一層的焊接， 以此類推。 焊縫根部必須焊透， 焊縫應有足夠的飽滿性， 待焊接接頭自然冷卻后， 方可沉樁。 焊接部位的冷卻必須是自然冷卻， 時間至少達到8min， 禁止采取澆水或其它人為干預的冷卻手段。 相鄰接頭相互錯開， 不可布設(shè)在同一截面內(nèi)。 上、 下節(jié)樁的中心線偏差不得超過2mm， 否則不滿足接長要求。 經(jīng)現(xiàn)場測量， 確定管樁的實際標高， 綜合考慮設(shè)計標高， 經(jīng)對比分析后， 確定各樁適宜的樁頂標高， 進而有效控制送樁深度。 沉樁時需加強樁位偏差的檢驗與控制，具體要求如表1 所示。

表1 樁位偏差檢驗標準

5 結(jié)語

綜上所述， 預應力管樁處理技術(shù)因具有加固效果好、 經(jīng)濟高效等特點而在軟土地基加固處理中取得廣泛的應用。 在具體的工程施工中， 施工單位需要具有統(tǒng)籌兼顧的理念， 注重現(xiàn)場地質(zhì)條件、 軟基加固要求等內(nèi)容， 合理設(shè)計管樁的規(guī)格， 妥善選擇打樁機， 規(guī)劃打樁機的運行路徑； 在打樁時加強檢查， 及時發(fā)現(xiàn)管樁的偏差并予以調(diào)整， 將管樁的偏差控制在許可范圍內(nèi)， 最終順利將預應力管樁打設(shè)到位， 起到加固軟基的效果。