摘要：随着预应力管桩在建筑和桥梁基础中的广泛应用,在实际施工中往往会碰到一些如打桩完成后承载力逐渐减少的现象,有的则在打桩过程中出现较多的断桩现象。本文通过对地质资料的分析,找出对预应力管桩施工不利的地质条件,建议在设计过程中碰到类似的地质情况时改用其他类型的桩基础,以利于桩基础的施工和保证承载力设计安全要求。同时,对预应力管桩在施工中桩锤的选择和打桩过程中需要控制好的关键点作一些简要的介绍。
关键词：桥梁工程;预应力管桩;施工控制
预应力管桩具有桩身质量稳定可靠、强度高、耐施打、穿透土层能力强、施工快捷方便、工程造价相对较低等优点。近些年来在建筑和桥梁基础中得到越来越广泛的应用,已成为很常用的一种桩型。珠三角地区近年来施工的房建工程绝大部分都采用预应力管桩基础,部分桥梁也采用预应力管桩,那么是否在任何地质情况下预应力管桩都是适用的呢?下面我们将作进一步的探讨。
一、预应力管桩的制作与施工
预应力管桩由工厂制成,是离心混凝土管且一般都用蒸汽养护,混凝土质量有保证。管桩的耐腐蚀性也好,原因在于管桩是用离心法+钢模板+蒸养制成的,离心法保证了混凝土的高度密实,钢模板保证了管桩的尺寸,蒸养保证了混凝土的强度。预应力管桩在制作过程中均采用高强度的预应力钢绞线对桩身施加压应力,并采用高标号的混凝土制成,以抵抗打桩过程中产生的冲击力和拉应力,所以桩身强度高、桩径小、单桩承载力相对较高。
预应力管桩的施工一般采用柴油锤打入地基中,在桩的施打过程中桩锤不断的冲击桩身,使桩尖不断地挤入土层中,直至达到设计深度或设计所要求的贯入度。预应力管桩的承载力是桩周的摩擦力和桩底支承力的和。由于预应力管桩一般只是打入强风化岩层,很难打入微风化,桩径又相对较小,一般情况下桩底支承力在桩身承载力中所占的比例不大。
二、预应力管桩不适用的几种情况
（一）对预应力管桩,短桩
1、 在局部冲刷作用较强烈的地方,缺少由软至硬过渡的风化残积土层,桩由上部软弱土层直接进入坚硬土层或强风化层,桩长较短时,桩侧的摩阻力较少,并且桩周的侧限很小,所以承载力和横向稳定性都达不到设计预期的效果。
2、由成桩机理来看,沉桩时桩周土由于受到剧烈扰动,且桩～土界面之间孔隙水的挤出而在桩侧形成“水膜”,使桩侧阻力大为降低,而在桩底,沉桩时除了要求克服土层的抗剪强度外,还要克服超孔隙水压力及急速沉桩引起的动阻力,后两者消耗了沉桩很大一部分能量。成桩后随着时间的推移,超孔隙水压力逐渐消散而使桩端阻力减少,在桩侧土则由于重新恢复固结而使桩侧摩擦力增加。在长桩的情况下,或是短桩但上部土层较好的情况下,侧阻力的增加弥补或超过了桩端阻力的减少,总承载力仍可维持与沉桩时一样或有增加;在短桩且上部土层较差的的情况下,所增加的侧阻力不足以弥补端阻力的减少,因此其总承载力比沉桩时的阻力要低。
（二）当岩层起伏较大,岩面倾斜度大,缺少由软至硬过渡的风化残积土层和强风化层,或强风化层较薄时,对预应力管桩的使用也是非常不利的。在此情况下,当我们对预应力管桩进行施打时,由于上层的阻力很小,桩端很快就进到岩层表面,由于岩面倾斜度大,在桩尖进入到岩面以后,继续施大的冲击力将使整条桩沿岩面滑移,直至破坏。
（三）石灰岩(岩溶)地区,石灰岩不能做管桩的持力层,除非石灰岩上面存在可作管桩持力层的其他岩土层。大多数情况下,石灰岩上面的覆盖土层属于软土层,而石灰岩是水溶性岩石(包括其他溶岩)几乎没有强风化岩层,基岩表面就是新鲜岩面;在石灰岩地区,溶洞、溶沟、溶槽、石笋、漏斗等等“喀斯特”现象相当普遍,在这种地质条件下应用管桩,常常会发生下列工程质量事故:
1、管桩一旦穿过覆盖层就立即接触到岩面,如果桩尖不发生滑移,那么贯入度就立即变得很小,桩身反弹特别厉害,管桩很快出现破环现象:或桩尖变形、或桩头打碎、或桩身断裂,破损率往往高达30～50%。
2、桩尖接触岩面后,很容易沿倾斜的岩面滑移。有时桩身突然倾斜,断桩后可很快被发现;有时却慢慢地倾斜,到一定的时候桩身被折断,但不易发现。如果覆盖层浅而软,桩身跑位相当明显,即使桩身不折断,成桩的倾斜率大大超过规范要求。
3、桩尖只落在基岩面上,周围土体嵌固力很小,桩身稳定性差,有些桩的桩尖只有一部分在岩面上而另一部分却悬空着,桩的承载力难以得到保证。（四）从松软突变到特别坚硬的地层,大多数石灰岩地层也属于这种“上软下硬,软硬突变”的地层,但这里指的不是石灰岩,而是其他岩石如花岗岩、砂岩、泥岩等等,对预应力管桩的施工是极为不利的。因为预应力管桩在可液化土及超厚淤泥层中几乎没有侧向保护作用、无侧限,一旦碰到岩层时,反冲力大,更难于打入,贯入度也会立即变小甚至为零,这时就很容易使桩产生失稳破坏或拉应力大于预加应力而使桩身拉裂。所以在这样的工程地质条件下打管桩,不管管桩质量多好,施工技术多高明,桩的破损率都会很高,这是因为中间缺少一层“缓冲层”。即使不破坏横向稳定性也较差。
另外孤石和障碍物多的地层、有坚硬夹层且又不能做持力层的地区也不宜采用管桩。
以上几种地质情况对预应力管桩的施工都是极为不利的,在实际的设计施工过程中也都会碰到比较相似的情况。为保证整条桩的安全可靠性,建议设计人员在碰到以上情况时,尽量避免采用预应力管桩,以利于施工和满足承载力的安全要求。
三、施工中应注意控制的项目
1、桩机就位:打桩机就位时,应对准桩位,垂直稳定,确保在施工中不倾斜、移动。
2、桩锤的选择:对预应力管桩的施工,桩锤的选择非常关键,若锤重太少,不能顺利将桩送入土中,很难达到设计深度,并且锤击次数过多也易造成桩身破坏;桩锤太大,也易使桩身受损。
3、打桩:打桩宜采用重锤低击,用重锤低击的施打方法,可使打桩的破损减少到最低程度,承载力也可达到设计要求。在锤与桩帽、桩帽与桩顶之间还应有相应的弹性衬垫,成桩达到硬土层后,不能猛打,并适当控制总锤数。
4、打桩的顺序:根据桩的密集程度,打桩时可采取从中间向两边对称施打,或从中间向四周施打,根据桩的规格,宜先大后小进行施打。
5、收锤标准:即停止施打的控制条件,这与管桩的承载力之间的关系相当密切,收锤标准应包括最后贯入度、桩入土深度、总锤击数及最后1m锤击数、桩端持力层及桩尖进入持力层深度等综合指标。这些综合指标不是无侧重的,桩端持力层、最后贯入度或最后1m锤击数这几个指标是收锤标准中的主要指标。桩端持力层是定性控制,最后贯入度或最后1m锤击数是定量控制。所以,一定要具体情况具体分析,不能认为列出这么多收锤指标,收锤验收时一定要全部达到以上这些指标不可,应该有所侧重,突出重点,抓住主要矛盾,同时参考其他指标,作出综合评定。
通过对探孔位置地质条件的分析,选择适宜的桩基础,并采用正确的施工方法,就一定能把基础工程做好,确保整个建筑工程的安全和质量。