預應力高強混凝土管樁在軟土地基中應用關鍵技術研究

文／黃鎖昌 百信頤云南建設有限公司 云南昆明 650000

引言：

目前，我國預應力高強混凝土管樁的研發水平與生產質量都處于世界領先地位，由于預應力高強混凝土管樁存在諸多優勢，在高層建筑、公路橋梁、水利港工等領域的應用與發展日趨廣泛。其中，軟土地基作為當前我國公路施工中的一大難點，預應力高強混凝土管樁不僅可以有效解決公路施工病害，在提高公路施工質量及保障施工效率上發揮著積極作用。對此，文章以預應力高強混凝土管樁在軟土地基中應用的關鍵技術進行討論，以期為相關人員提供參考幫助。

1.預應力高強混凝土管樁概述

預應力高強混凝土管樁主要采用先張預應力鋼筋、高速離心成型及高溫高壓蒸養的方法形成環狀斷面樁。預應力高強混凝土管樁主要組成部分具體包括：環形截面樁身、樁端板及樁套箍。樁身采用了強度等級C80 的高強混凝土、高強度預應力鋼棒，預應力高強混凝土管樁主要適用于抗震設防烈度小于等于8 度，混凝土結構環境類別為二 a.二 b 類的低承臺基礎，其應用領域包括普通軟土地基及道路橋梁、市政港口及軟土路基。根據外徑大小，預應力高強混凝土管樁可分為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm、1200 mm、1400 mm 等規格，常用的管樁規格為300 mm、400 mm、500 mm 和600 mm。根據混凝土有效預應力值，將管樁型號分為 A 型、AB 型、B 型和 C 型，其有效預壓應力值應該分別為4.0 N/mm2、6.0 N/mm2、8.0 N/mm2和10.0 N/mm2，其計算值偏差應該在各自規定值的5%范圍內。先張法預應力高強混凝土管樁的制造過程，主要包括六個部分，即：攪拌高強混凝土、滾焊鋼筋、形成籠子、澆注混凝土、張拉預應力鋼棒、混凝土旋轉離心、普通蒸養、高壓蒸養。依據《先張法預應力高強混凝土管樁》（GB13476-2009），用于混凝土攪拌的強力攪拌器由電腦控制，離心成形分慢速、低速、中速、高速四個階段，管樁脫模后需要在飽和水蒸氣中進行壓力蒸汽養護。預應力高強混凝土管樁之所以能在實際工程中被廣泛使用具有如下優勢：

表1 預應力高強混凝土管樁優勢

2.預應力高強混凝土管樁在圖軟土地基中應用的關鍵技術

2.1 勘察技術

軟土地基施工過程中，使用預應力高強混凝土管樁施工技術首先要做好前期的勘察工作。唯有對現場區域內不同土層的類型、起伏特點、巖土特征、地下水類型和深度、不良地質條件等進行詳細的勘察，才能對成樁可能性進行準確的評估及對施工環境不良因素進行分析，以此才能制定出完善施工方案計劃。特別是在以基巖為樁端持力層的情況下，利用前期勘察的技術措施，可以對巖石的性質和構造特點進行準確的分析，確定巖體的風化和完整程度、質量等級與堅硬度，對其中是否存在的軟弱巖層和破碎巖體進行調查分析，為預應力高強混凝土管樁的施工提供保障[1]。為此，在工程實踐中，應科學、合理地運用前期調查技術。具體如下：

（1）對地質勘查點進行合理的布置，針對軟土地基的復雜特性，對其進行嚴密的勘察，控制好點與點之間的距離，以建筑周邊的邊線與焦點為中心，確定勘查點，在無特別要求的前提下以建筑群為中心確定勘查點。

（2）對于同一建筑物范圍內土層及樁基礎下的沉降量大的地區，應適當加大前期調查的布點數量，以地掌握軟土地層的變化規律。

（3）利用先進鉆井和地球物理技術制定完整勘察技術方案，對軟土地基地形成條件、膨脹土性質、地質條件等進行精確的調查，并對調查井進行合理的設置，以此調查結果的準確性、可靠性。

2.2 技術要點

軟土地基上采用預應力高強度混凝土管樁技術應對樁身在軟土中的力學特性進行分析，并注意技術關鍵環節的落實，以此確保施工質量。如在軟土和硬土的交接部位若打樁速度太快，極易引起土質的位移，導致樁在軟土和硬土的交接部位出現橫向裂縫。在進行管樁的焊接時，要注重焊接質量及確保焊接人員具有專業的作業資格，可采用更多的現代焊接技術確保焊縫飽滿、無裂縫、無氣孔。具體技術要點如下：

2.2.1 管樁運輸與吊裝

運輸管樁時，應采用平板車或鋼制彎車進行堆疊，堆疊層數不得超過5 層。輸送時，可采用鋼索進行綁扎，管樁懸吊高度不得大于1.5m。管樁運輸至施工現場后，應堆放于平地，防發生打滑破壞。為了防止管樁因失衡而發生下落，不能采用單點起吊的方法。作業人員應嚴格遵守有關規定，采用兩端同時起吊的方式[2]。

2.2.2 壓樁

壓樁采用單點起吊方法，用鋼絲繩將樁體捆綁牢固后再將樁基調平與樁位對齊。施工中，應對樁身垂直度進行認真檢測，確保其垂直度、長度偏差小于標準值的1%以內。在進行壓樁工作時，水力抱樁器的持樁力應控制在8000-12000 帕值，如持樁力太小會影響壓樁工作的平穩性，反之如若持樁力量過大極易可能導致爆樁。壓樁應持續、勻速地進行壓樁工作。

2.2.3 接樁和焊接

預應力高強混凝土管樁施工中極易發生管樁長度不足的問題，通過管樁末端進行焊接才能保障管樁長度，對此，為確保焊縫質量，應在焊縫進行前用鋼絲刷對焊縫的端部進行清洗，以此保證焊縫的牢固。焊接時，應確保樁端對接處無裂縫且錯位偏差應控制在3 毫米以內。施工人員可在坡口位置點焊6 個點，先進行內層的焊接，再進行外層的焊接，要保證焊縫的連續性和完整性。焊接完畢后，應使焊縫自然冷卻，冷卻時間約為10 分鐘后，冷卻后方可繼續壓樁。

2.2.4 挖土

軟土路基挖土多由機械設備進行，在具體挖土中應注重如下要點：

（1）因為軟土凝固時間較長，施工時應等待全部的軟土凝固后才能進行挖掘，以此才能穩固周邊的結構，減少安全事故的發生。

（2）嚴禁采用大型挖掘機、履帶挖掘機，設備重量不超過120 噸，挖掘時，盡可能減少挖掘區域，避免多次撞擊頂部。

（3）施工中應采取分層施工，使樁周土高程相差不超過1 米。在管樁高出基坑表面時，應首先清除上部土層，以減少側壓及防止開裂。

2.3 不均衡力控制

預應力高強混凝土管樁在軟土地基施工過程中，極易可能會受到內因、外因的影響造成樁基兩側產生不均衡力。造成這一現象的主要因素如下：

預應力高強混凝土管樁在軟土地基施工過程中如無法對不均衡力的控制，將會造成施工效果和水平的下降。所以，施工企業應該根據軟土路基特點和情況合理地對不均衡力進行防治處理。具體措施如下：

2.3.1 采用軟土地基加固的技術

預應力高強混凝土管樁在軟土地基施工過程中，由于軟土地基不穩定、壓縮性過高、含水量過大造成不均衡力，因此，應要對軟土地基進行加固處理，比如采用水泥攪拌技術、注漿加固技術、排水固結技術等，提高地基結構的穩定性和可靠性，降低不均衡力問題的發生概率。

2.3.2 提升樁基開挖的穩定性

在樁基開挖過程中由于缺少穩定性，極易出現不均衡力問題，所以要做好各項處理工作采用分層對稱開挖技術，在基坑邊緣位置不能進行堆載，要防止大型機械設備開挖振動所帶來的影響，對地下水位控制要嚴格及對工程施工進行監測，及時發現施工工作問題，迅速有效地解決和應對，確保工程項目的良好建設和施工效率。

2.4 管樁參數控制技術

為進一步保證在軟土地基的建設中充分發揮出預應力高強混凝土管樁的作用，應加大對管樁參數的控制，將預應力高強混凝土管樁參數設置在合理的范圍內，以此保證施工技術的高效、有效應用[3]。

2.4.1 預應力管樁參數的控制

管樁施工技術是為了提高軟土地基的可靠性和安全性，為了將預應力管樁的效果最大限度地發揮出來，預應力高強混凝土管樁在軟土地基施工過程中應該對極限承載力、使用極限狀態進行科學合理的分析，并對各種參數進行嚴格的控制。

（1）基于可靠度指標，對樁的可靠性進行綜合分析，并精確地對各種因素進行趨勢分析，并對樁的極限狀態進行數值計算。

（2）通過荷載效應、地震效應的聯合分析，精確確定樁基礎的極限承載能力，并將荷載、地震效應的取值與地震效應相結合，使樁基礎極限承載能力達到要求。

（3）以正常服役極限狀態為基準對樁基礎的抗裂度、裂縫寬度、水平位移等進行驗算，并結合實際服役需求和裂縫控制需求，采用荷載作用的短期效應組合方式對樁基礎的參數進行計算，并依據長期效應組合對樁基礎的影響對樁基礎的參數進行嚴格控制。

（4）根據軟土地基特點對預應力管樁的承載能力參數、樁身承載力參數、樁身使用極限狀態參數等進行嚴格控制，以保證樁身整體結構參數的科學合理。

2.4.2 預應力高強混凝土管樁參數控制

對軟土地基上的預應力高強混凝土管樁進行參數控制時，需要對單樁豎向承載力參數、抗裂彎矩和極限彎矩等參數進行合理設置，保證各種參數都能夠滿足技術的應用標準和規范的要求，進一步提高軟土路基施工質量。

2.4.3 抗裂和極限彎矩參數控制

根據施工技術的特點以及預應力高強混凝土管樁的實際情況進行好抗裂和極限彎矩參數的計算控制工作，為提高管樁施工強度、穩定性奠定基礎。

2.5 管樁施工方法

軟土地基工程項目建設中要根據預應力高強混凝土管樁特性以及現場實際情況，選擇最優施工方法，以此提高工程施工質量和水平。

2.5.1 錘擊施工法

在預應力高強混凝土管樁施工中，錘擊沉樁技術得到廣泛應用。其中，由于預應力高強混凝土管樁整體結構強度高具有耐打擊性能和穿透力，而柴油錘設備具有爆發力和能量大特點，適用于管樁沉樁施工，且錘擊施工法應用十分簡便，施工速度很快，錘擊作用時間長，以隨時根據貫入阻力高低來調節錘擊應力。為進一步提高錘擊施工法應用效果和施工水平，預應力高強混凝土管樁在軟土地基施工過程中應注意以下幾點：

（1）選擇合適柴油機打樁錘裝備。施工技術部門要根據工程項目地質條件和環境特點選擇可將管樁順利沉樁到的設計深度，確保樁體結構承載力符合要求，樁體破損率在1%以下貫入度滿足設計標準柴油打樁錘設備，防止由于設備選用不當而引起施工問題。使用柴油打樁錘設備進行施工時，應結合管樁結構尺寸、規格特點制定出完善管樁施工方案和計劃，利用柴油打樁錘系統化、規范化進行相關施工工作，使得管樁可以更快地被壓入到土體之中，有效地解決軟土地基問題，提高地基結構強度、穩定性和可靠性，保證對軟土地基處理效果和施工效果提高，以滿足目前軟土地基施工處理的實質需要。

（2）對樁身和錘頭收放進行合理控制。鑒于沉樁回錘過程中收錘控制，將直接影響到沉樁施工質量，對此，應按照管樁承載力設計規范減少沉樁破壞為目，嚴格進行沉樁回錘過程控制。如根據工程現場地質特點和管樁類型長度等，精確計算管樁承載力指標，對柴油錘沖擊能量特征進行分析，在收錘控制過程中，合理設定樁入土深度指標、錘擊參數指標、總錘擊數量指標、最后錘擊數或者最后貫入度指標等提高收錘管理效果。

（3）對下樁速度及次序進行控制。軟土地基施工過程中，由于在樁體擠壓下飽和淤泥層中水分不易被排除，很難保證土體擠壓作用，使得在沉樁過程中，會出現土體隆起問題導致管樁周圍土壤摩阻力下降，甚至會引起樁體結構偏移和傾斜，因此，在沉樁過程中要注意控制好成樁速率和次序，防止由于沉樁速率過快而導致土體隆起問題及保障工程建設質量。同時，在打樁過程中要持續跟進，不能中途停歇，保持管樁樁身垂直度在合理范圍，避免打偏，保證錘擊施工工作順利進行[4]。

2.5.2 靜壓施工法

靜壓施工法主要是利用靜壓力樁基設備壓樁部分、樁架配重形成反作用力，使預應力高強混凝土管樁可以壓入土體成樁。與錘擊沉樁法比較，靜壓施工法噪聲問題降低，不會出現污染、振動現象，可進行連續施工，在縮短工期、提高效益上具有促進意義。具體施工原則如下：

（1）壓樁裝備科學選擇。建設單位要根據工程特點、地質情況等，依據有關標準、規范，對管樁承載能力進行合理選擇。如壓裝設備噸位不適將會造成管樁不能正常壓入土體，使得樁體結構承載性能不能滿足設計標準，反之，如而壓裝設備噸位過大，則有可能出現陷機情況，所以，在施工前，應對壓樁機進行合理選擇，使用在管樁極限承載力1.2 到1.5 倍壓裝設備，避免對工程施工質量造成影響。

（2）靜壓樁施工過程中，樁身極限承載力與壓力配合問題。當管樁結構在靜壓作用下沉到軟土地基時，樁周社會發生擠壓擾動，土體中孔隙水會在靜壓作用下升高，管樁周邊土體會發生塑性化，其抗剪強度會下降，而管樁則會直接插入到軟土地基中，在沉樁過程中，其摩擦力主要來自樁周土沖切力，沉樁阻力并不會隨管樁插入深度增大而增大，而是受樁周土沖切力阻力影響。同時，不同土層中的沉樁阻力為恒定，這種情況下，需要通過電腦自動生成沉樁阻力曲線，以反映樁周土阻力變化，進而根據實際情況進行施工控制[5]。

結語：

綜上所述，預應力高強混凝土管樁在軟土地基中具有較大的應用價值，文章通過對文章以預應力高強混凝土管樁在軟土地基中的關鍵分析，介紹了預應力高強混凝土管樁施工技術概述的同時，提出了預應力高強混凝土管樁在軟土地基中的關鍵技術應用思路，以期為廣大學者提供參考幫助。