浅析建筑工程预应力管桩施工与常见问题及措施

 浅析建筑工程预应力管桩施工与常见问题及措施
杨建清
摘　要:本文主要对静压桩的沉桩机理,对其挤土效应、桩身破坏、斜桩等施工质量问题进行了简单分析,并以工程实例阐明其施工的技术措施。
关键词:建筑工程  预应力管桩  沉桩机理  施工技术　　
引言：
   静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将桩压入土中的沉桩工艺。预应力管桩具备单桩承载力高,施工进度快,污染少,穿越土层能力强,现场施工方便,质量好控制,桩身耗材较低、桩基造价低的特点,作者根据这几年的一些经验,对预应力管桩在沉桩过程中常见问题及防治措施提出粗浅建议。
1　静压桩沉桩机理
(1)沉桩施工时,桩尖进入土体中时原状土的初应力状态受到破坏,随着桩贯入压力的增大,当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时,土体发生急剧变形而达到极限破坏,土体产生塑性流动或挤密侧移及下拖,在地表处黏性土体会向上隆起,砂性土则会被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周水平方向挤开,使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响,此时,桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗,当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力,桩将继续“进入”下沉。反之,则停止下沉。
(2)压桩时地基土体受到强烈扰动,桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度有很大差异。随着桩的沉入,桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移,由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用,土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时剪切面发生在桩与土的接触面上;当桩周土体较软时剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内。黏性土中随着桩的沉入,桩周土体的抗剪强度逐渐下降,直至降低到重塑强度。砂性土中(除松砂外) ,抗剪强度变化不大,各土层作用于桩上的桩侧摩阻力是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值,桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用,其值可占沉桩阻力的50%～80%。
(3)黏性土中桩尖处土体在扰动重塑、超静孔降水压力作用下,土体的抗压强度明显下降。砂性土中密砂受松驰效应影响土体抗压强度减少,松散砂受挤密效应影响使土体抗压强度增大,在成层土地基中,硬土中的桩端阻力还将受到分界处黏土层的影响。上覆盖层为软土时,在临界深度以内桩端阻力将随压入硬土内深度增加而增大。下卧为软土时,在临界厚度以内桩端阻力将随压入硬土的增加而减少。
(4)施工中因接桩或其它因素影响而暂停压桩的间歇时间的长短虽对继续下沉的桩尖阻力无明显影响,但对桩侧摩阻力的增加影响较大;桩侧摩阻力的增大值与间歇时间长短成正比,并与地基土层特性有关,因此在静压法沉桩中,应合理设计接桩的结构和位置,避免将桩尖停留在硬夹层中进行接桩施工。
2　静压沉桩的常见问题及防治措施
2. 1　挤土效应和振动影响
原因分析:静压法施工预应力管桩属于挤土类型,往往由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动,改变了土体的应力状态,产生挤土效应;桩机施工过程中焊接时间过长;桩的接头较多而且焊接质量不好或桩端停歇在硬夹层;施工方法与施工顺序不当,每天成桩数量太多、压桩速率太快、布桩过多过密,加剧了挤土效应。
防治方法: ①控制布桩密度,对桩距较密部分的管桩可采用预钻孔沉桩方法,孔径约比桩径小50～100 mm,深度宜为桩长的1 /3～1 /2,施工时应随钻随打;或采用间隔跳打法,但在施工过程中严禁形成封闭桩。②控制沉桩速率,一般控制在1 m /min左右;制定有效的沉桩流水路线,并根据桩的入土深度先压持力层较深的桩,后压较浅的桩;若桩较密集且距建筑物较远,场地开阔时,宜从中间向四周进行;若桩较密集而场地狭长,两端距建筑物较远时,宜从中间向两端进行;有围护结构的深基坑中的静压管桩,宜先压桩后再做基坑的围护结构;同时应对日成桩量进行必要的控制。③若桩较密集且一侧离现有建筑物较近时,宜从相邻建筑物的一侧开始,由近向远进行;并布设应力释放孔及开挖防震沟以消除部分超孔隙水压力,及时从释放孔及防震沟中将水不断抽出,在打桩期间一直保持最低水位,缓解孔隙水压力的上升趋势,有效消除挤土效应,控制土体位移;同时控制每日沉桩数量,根据工程实际情况可停打数日使应力逐渐消散后再打。④沉桩过程中应加强临近建筑物、地下管线的观测监护,在可能受影响的范围内布设监测点,监测各点水平与竖向位移增量与累计值,并绘制时间、位移曲线,发现有较大问题应及时采取措施。对靠近特别重要的管线及建筑物处可改用其它桩型。⑤控制施工过程中的停歇时间,避免由于停歇时间过短而摩阻力增大影响桩机施工,造成沉桩困难。桩机施工时应注意同一承台内的群桩,需接桩的接头不宜在同一截面内,应相互错开,避免产生土压力以及水压力效应较大而对整体桩身产生剪切破坏;同时应认真查看地质报告,了解土层分布情况,合理确定桩体组合长度,避免接头处于土层分界处及土层活动较多处,以防土层活动时对桩身的破坏。
2. 2　桩身破坏
原因分析: ①施工过程中由于斜桩现象的出现或桩端、送桩杆不平整导致桩端应力集中,使桩帽滑落或桩头爆裂。②桩机施工压力值超高。③桩机施工过程中桩机擅自移动机架进行校正桩位、桩身垂直度,导致桩身断裂;施工结束后人工凿桩野蛮施工以及桩机施工后不合理的土方开挖。④桩身材料质量问题。防治方法: ①选用桩机合理有效的施工方法,控制桩身的垂直度,避免斜桩的发生。②控制好桩机施工终止条件,对纯摩擦桩终止条件宜以设计桩长为控制条件;对长度大于21 m的端承摩擦桩,宜以设计桩长控制为主, 终压力值作对照; 对长14 ～21 m静压桩,应以终压力达满载值为控制条件,开挖后采用截桩处理;当压力值未能达到设计要求但
桩顶标高已达到设计标高时,宜继续送桩(1 m范围内) ,直至压力值达到设计要求,施工结束后及时与设计单位联系,出具处理方案。③桩机施工结束后合理地进行土方开挖以及凿桩施工,必须强调土方开挖过程中的施工质量,将直接关系到桩基成功的关键,施工过程中要慎之又慎。④施工过程中应加强对桩身原材料的检查验收。⑤施工中发生桩身破坏,宜采用小应变等有效的手段检测桩身情况,确定处理方法。
2. 3　斜桩
原因分析: ①静压桩机机械维修不及时,如液压系统漏油导致桩机支撑下滑; ②打桩施工场地不平整或填渣厚度不够造成承载力不够,静压桩机自重加配重总重量大,沉桩过程中桩机容易产生不均匀沉降,桩身极易发生偏移; ③打桩中或接桩时桩身不垂直,桩帽、桩身不在同一直线上; ④施工顺序不当导致应力扩散不均匀,尤其是旁边有深基坑时,其他桩的施工导致离基坑较近的桩桩身倾斜; ⑤沉桩过程中遇到大块坚硬物,把桩挤向一侧; ⑥采用预钻孔法时钻孔垂直偏差较大,沉桩过程桩又沿着钻孔倾斜方向发生偏移; ⑦桩布置过多过密,沉桩时发生挤土效应; ⑧基坑开挖方法不当,一次性开挖深度太深,使桩的一侧承受很大的土压力,而造成桩身弯曲变形。
2. 4　沉桩时遇到浅层障碍无法继续沉桩
原因分析:由于地质勘察报告中未能特别强调浅层障碍物及局部的沙砾石夹层分布深度和性质及场地填石渣时未控制好石渣直径,导致沉桩时遇到浅部(3～4 m)的老基础、大孤石,较深部( 20 m左右)的硬塑老黏土和非常密实砂层、沙砾石层等情况无法施工。
防治办法: ①打桩前应对场地原有建筑情况进行详细了解,并安排进行探桩施工;对浅层障碍物可采用挖土机挖除,当无法操作施工时,可采用钻机将障碍物钻穿,然后在孔内插桩后沉桩,严禁移动桩架等强行回扳的的方法纠偏。②当桩已入土较深而无法拔出时,可采用小型钻机将钻具放入管桩中间的空洞中钻孔,将障碍物钻穿后继续沉桩。③选用的桩机能量大小应与设计要求、桩径、桩长及地质条件相匹配,即桩机选型、配重应符合施工要求。
2. 5　桩身抬高
原因分析:由于静压桩是挤土桩,在场地桩数量较多、桩距较密的情况下,一般是后压的桩会对已压的桩产生挤压上抬,尤其是端承桩或端承摩擦桩会由此引起基础不均匀沉降。
　　防治方法: ①桩基完成后宜对桩身进行复压1～2次甚至多次,即所谓“跑桩”。同时,桩基完成以后应在嵌固期后才能进行土方施工,嵌固期根据土质有不同要求,一般7～21 d。②桩基施工完成后须按规范规定进行单桩的静载检测,以检验是否达到设计要求。如出现多数量桩承载力达不到要求,则可能是打桩后土体固结不好,须再等待一段时间进行检测可能就达到了承载力;如还是达不到就要进行补桩处理。
3　工程案例
福建某工程，工程总占地面积4900 m2 , 总建筑面积11500 m2 ,主楼11 层,裙楼2 层,框架结构。基础采用预应力管桩,有效桩长36 m左右,桩型为PTC2500 (65) , PTC2600 (70) , PC2A600 (100)三种规格,总桩数269根。
3. 1　工程地质条件
本工程上表面层0. 8～1. 5 m为杂填土,中间层为淤泥质土和饱和黏性土全场分布,厚度分别为12. 30～27. 0 m和10. 6～11. 10 m。土质情况较差,淤泥质土和饱和黏性土层厚含水率高、渗透系数小,土体内聚力(c)和内摩擦角(<)均较小,抗剪强度差,内应力大。
3. 2　打桩采取的技术措施
本工程东、南两侧紧临城市道路,市政管网布置丰富,塔院头路临时商铺较多而主楼部位的工程桩布桩较密。布桩系数甚至达到约4. 0% ,场地内地质多为淤泥质土和饱和黏性土,因此挤土效应明显,且工程工期仅为40 d。为了确保周围道路、市政管线、临时商铺的安全和工程桩不出现上浮或侧移的质量问题,故在打桩的过程中采取了如下技术措施:
(1)制定合理的打桩流程:根据建筑形状兼顾施工进度要求,并考虑尽可能减少挤土效应,本工程选择一台桩机,总体顺序由东向西、由南向北逐排顺序推进。开始每天成桩9～10根,根据施工期间的实际情况逐渐减少每天成桩数量。
(2)上浮或侧移的质量保证:在场地内适当位置放置观察桩,选取239 #、257 #、265 #、219 #、109 #、159#、139#、69#等工程桩桩顶面处作为桩上浮侧、移观测点,每天观测2次,若发现有挤土效应产生的上浮和侧移现象应及时采取相关措施。
(3)布置应力释放孔及开挖防震沟:为降低孔隙水压力以减轻土体挤压产生的位移,沿青年路、塔院头路东、南两侧挖了一条3. 5 m 深、2 m 宽防震沟,并在沟内布置一排直径600 mm、深20 m、间距2 m的应力释放孔,让受挤压的水释放入应力释放孔并及时将孔内的水不断抽出,在打桩期间一直保持低水位,从而缓解了孔隙水压力,有效地控制了土体位移。
(4)工程桩预钻孔:为减少桩位土挤压,主楼部位工程桩采取取土引孔植桩处理。其办法是取土孔直径500 mm ( 4 桩承台, 桩位取土2 根, 深度20. 0 m; 5桩承台,桩位取土3根,深度25 m; 3桩承台,桩位取土2根,深度20 m;电梯井位取土一半工程桩,深度25. 0 m) 。
(5)对周边道路,建筑物设置监测点,及时观测打桩期间产生的位移影响。
通过采取以上的工程技术措施,本工程打桩历时36 d,上浮桩的上浮数累计值最大1. 8 cm,道路、市政管线、临时商铺均未产生位移和开裂现象,并且每天的成桩数量均达到7～9根。最后3根工程桩的静载试验均满足设计要求。
4　结语：
   综上所述，静压桩的沉桩机理非常复杂,与土质、土层排列、硬土层厚度、桩数、桩距、施工顺序、进度等均有关系。笔者相信随着工程实践的不断丰富,将会为预应力管桩规程的制定提供更多的素材。