引言
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）是以高強(qiáng)度鋼棒、超高強(qiáng)度混凝土為材料，采用先張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)，高速離心成型工藝，經(jīng)二次蒸養(yǎng)而制成的環(huán)型空心樁。該樁具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、穿透力強(qiáng)、耐錘擊、可貫入性好、單樁承載力大、耐久性好、及制樁標(biāo)準(zhǔn)化程度高、便于拼接、施工快捷、方便、文明等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、港口碼頭、道路橋梁等基礎(chǔ)工程中，受到建設(shè)單位、設(shè)計(jì)、施工部門的歡迎。
目前，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在天津地區(qū)的應(yīng)用已取得長(zhǎng)足發(fā)展。本文對(duì)天津某辦公樓工程的樁基工程的設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)濟(jì)效益比較等方面進(jìn)行介紹，以期對(duì)今后預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在天津地區(qū)的應(yīng)用能有所裨益。
工程概況及地質(zhì)條件
天津某辦公樓工程為2棟8層和13層連體建筑，局部2層，均有一層地下室，采用框架——剪力墻結(jié)構(gòu)，十字交叉承臺(tái)梁下樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000m相當(dāng)大沽標(biāo)高+3.200m。
據(jù)勘察資料表明，擬建場(chǎng)地自地表以下7.5m范圍內(nèi)由于有坑分布而土質(zhì)不均：西側(cè)場(chǎng)地人工填土厚度大，局部夾較厚坑底淤泥，淺層土質(zhì)較差（各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1）；其余地區(qū)為正常沉積第四紀(jì)土層。深層為正常沉積土層，且分布均勻穩(wěn)定。
表1各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)
設(shè)計(jì)計(jì)算
3．1樁型及樁端持力層的選擇
由于該工程位于鬧市區(qū)，甲方十分注重現(xiàn)場(chǎng)形象，并且要求在保證成樁質(zhì)量的前提下盡量縮短工期。因此設(shè)計(jì)人員首先考慮成樁質(zhì)量有保證，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)，施工無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污泥廢水污染的靜壓預(yù)制樁。
由于2層和8層辦公樓荷載相對(duì)較小，單樁承載力要求不高，因此設(shè)計(jì)采用350×350mm中孔直徑Φ160mm的混凝土預(yù)制空心方樁（樁身承載力設(shè)計(jì)值為1075kN），選擇6b土層為樁端持力層，樁長(zhǎng)16m，單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為870kN，在十字交叉承臺(tái)梁下布樁適合。
13層辦公樓荷載相對(duì)較大，如仍選用6b土層為樁端持力層，則須滿堂布樁，基礎(chǔ)十字交叉承臺(tái)梁改為厚板，造價(jià)提高很多。因此設(shè)計(jì)選擇7b土層為樁端持力層。這樣一來(lái)，如仍采用350×350mm預(yù)制空心方樁，則其單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值就會(huì)超過(guò)樁身承載力設(shè)計(jì)值。并且由于6b粉土層厚度大，密實(shí)，貫穿該土層十分困難。在這種情況下，決定采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁），樁長(zhǎng)21m，直徑400mm，壁厚90mm（樁身承載力設(shè)計(jì)值為1997kN），單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為1280kN。
3．2沉降協(xié)調(diào)計(jì)算
由于該辦公樓為2棟8層和13層、局部2層交錯(cuò)布局的連體建筑，每一棟不同層數(shù)的建筑之間沒(méi)有沉降縫，因此協(xié)調(diào)不同層數(shù)的建筑之間的沉降差異，避免建筑物產(chǎn)生裂縫，成為本設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。
通常的樁基設(shè)計(jì)，對(duì)于一棟建筑往往選擇同一樁型和同一樁端持力層，以布樁的疏密對(duì)應(yīng)不同的上部荷載。對(duì)于本工程的樁基設(shè)計(jì)，選擇不同樁型和不同樁端持力層，除上述承載力和經(jīng)濟(jì)效益方面的原因，還有協(xié)調(diào)不同層數(shù)的建筑之間沉降差異的作用。如果不同層數(shù)的建筑均選擇6b土層為樁端持力層，則由于荷載差異造成的沉降差會(huì)較大。經(jīng)反復(fù)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，如果選擇低壓縮性的7b土層為13層建筑的樁端持力層，選擇中壓縮性的6b土層為8層和2層建筑的樁端持力層，則對(duì)于協(xié)調(diào)二者的沉降差異可起到明顯的作用。圖1所示為其中一棟辦公樓的沉降等值線，另一棟與之基本對(duì)稱。
從圖1可以看出，該建筑的最大沉降在13層的電梯井部位（電梯井為剪力墻結(jié)構(gòu)，分擔(dān)荷載較大），最大沉降量為100mm；中間2層建筑的沉降量為30mm；8層的最大沉降也在電梯井部位，最大沉降量為50mm。該建筑的整體傾斜、局部?jī)A斜均<0.003，滿足規(guī)范要求。并且設(shè)計(jì)要求在13層與2層之間預(yù)留后澆帶，以消除施工期間產(chǎn)生的沉降差異對(duì)建筑物造成的不利影響。
選擇3根預(yù)制空心方樁和3根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。
表2單樁承載力試驗(yàn)結(jié)果
表2給出了各試驗(yàn)樁在單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值下所對(duì)應(yīng)的沉降量。由該表可以看出，各樁在單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值下所對(duì)應(yīng)的沉降量差異較小。由荷載差異造成的沉降差，經(jīng)合理的沉降協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，不會(huì)對(duì)建筑物造成危害。
實(shí)際上，根據(jù)靜載荷的P—S曲線可以判斷，管樁真正的承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于2110kN。這說(shuō)明采用普通的預(yù)制方樁的承載力參數(shù)進(jìn)行管樁設(shè)計(jì)是偏于保守的。筆者認(rèn)為這是由于在壓樁過(guò)程中，樁周土體被不斷擠密，管樁為圓形截面，樁周土對(duì)管樁產(chǎn)生均衡的徑向壓力，象“箍”一樣箍住樁體，可以提高樁的承載力；而方樁截面受力不均衡，四角處應(yīng)力集中，相對(duì)管樁周圍土體更易破壞，極限承載力便也相對(duì)較低。因此，筆者建議，出于安全與經(jīng)濟(jì)的雙重考慮，宜預(yù)先對(duì)管樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，得到管樁真正的單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)該值進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
施工工藝
4．1制樁工藝
管樁的制造工藝應(yīng)有嚴(yán)格的要求。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁應(yīng)嚴(yán)格按照以下工藝流程制造：
鋼筋定長(zhǎng)切斷。盤條高強(qiáng)度鋼筋切斷成準(zhǔn)確長(zhǎng)度，同組鋼筋長(zhǎng)度相對(duì)誤差不超過(guò)L/5000。
主筋鐓頭。采用先進(jìn)的電阻加熱液壓頂推的自動(dòng)鐓頭機(jī)對(duì)主筋進(jìn)行鐓頭加工，保證鐓頭處強(qiáng)度在1280N/mm2以上。
鋼筋骨架自動(dòng)滾焊。采用先進(jìn)的鋼筋骨架自動(dòng)滾焊機(jī)編制鋼筋籠，保證焊點(diǎn)強(qiáng)度損失<5%，螺旋鋼筋螺距準(zhǔn)確，骨架整體性好。
裝鋼籠。將鋼樁頭與鋼筋骨架進(jìn)行連接，并擰緊張拉板組成一體，裝入管樁底模內(nèi)。
混凝土配料攪拌。微電腦控制全自動(dòng)、強(qiáng)制式混凝土配料、攪拌。
混凝土澆注。用專用混凝土澆注車，將拌好的高品質(zhì)新鮮混凝土及時(shí)澆入裝有鋼樁頭鋼筋骨架的底模內(nèi)，并人工輔助填實(shí)。
縱向預(yù)應(yīng)力。用液壓張拉機(jī)對(duì)管樁主筋進(jìn)行整體預(yù)應(yīng)力張拉。
高速離心。對(duì)已澆注混凝土并張拉后的管樁模在離心機(jī)上進(jìn)行離心成型，高速而平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)、內(nèi)壁光滑，為獲得高強(qiáng)混凝土奠定基礎(chǔ)。
普通蒸養(yǎng)。離心成型完畢，按規(guī)定的制度對(duì)管樁進(jìn)行第一次帶模蒸養(yǎng)。
10．脫模。管樁經(jīng)蒸氣養(yǎng)護(hù)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到35MPa以上，即可脫模、放張。
11．高壓養(yǎng)護(hù)。脫模后的管樁經(jīng)過(guò)品質(zhì)檢查，送入蒸壓釜進(jìn)行高溫高壓蒸養(yǎng)。
4．2沉樁工藝
本工程采用靜壓法沉樁工藝。靜壓法與傳統(tǒng)的錘擊法相比，是技術(shù)上的進(jìn)步。錘擊法最大缺點(diǎn)是噪音大，震動(dòng)強(qiáng)烈，還會(huì)有一定的油煙污染。而靜壓法施工，既無(wú)噪音又無(wú)震動(dòng)，更沒(méi)有油煙污染，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，隨著天津國(guó)際化大都市形象的日益形成，靜壓法施工受到工程界和普通市民的歡迎。
本工程采用全液壓式靜力壓樁機(jī)。這種壓樁機(jī)是用樁機(jī)自重和樁機(jī)上的配重作反力，但行走、轉(zhuǎn)向、升降、夾樁、壓樁等工作全部液壓操作，自動(dòng)化程度高。施壓時(shí)，先通過(guò)液壓夾持機(jī)構(gòu)將樁身夾緊，然后主機(jī)的2或4個(gè)壓樁油缸（樁入土阻力小時(shí)可用2個(gè)油缸，阻力大時(shí)可用4個(gè)油缸）作伸程動(dòng)作，上向力由樁架自重和配重?fù)踝?，下向力迫使夾持機(jī)構(gòu)在導(dǎo)向架內(nèi)作向下運(yùn)動(dòng)，樁身隨之下沉入土。當(dāng)壓樁油缸行程走滿后，需將夾持機(jī)構(gòu)放松，再使壓樁油缸作回程動(dòng)作，待夾持機(jī)構(gòu)上升至原來(lái)高度處，再將樁身夾住，作壓樁動(dòng)作，這樣上下來(lái)回動(dòng)作，便可將整根樁壓入土層中直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。這類壓樁機(jī)設(shè)有自動(dòng)縱橫向行走和原位回轉(zhuǎn)裝置，行走轉(zhuǎn)向均方便快捷。機(jī)上還裝有工作吊機(jī)，可自行將預(yù)制樁吊放入夾持機(jī)構(gòu)中。同時(shí)還裝有壓力讀數(shù)表，能準(zhǔn)確顯示壓樁過(guò)程中的貫入阻力。
在選擇壓樁機(jī)的噸位時(shí)，考慮到將21m長(zhǎng)管樁送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，管樁要貫穿2層粉土（其中4a粉土層為3~5m厚不等，中密狀態(tài)；6b粉土層為3~4.3m厚不等，密實(shí)狀態(tài)），同時(shí)還要進(jìn)入7b粉砂層（密實(shí)狀態(tài)）1m左右，如選擇較小噸位壓樁機(jī)沉樁恐有困難，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試壓情況，決定選擇最大壓樁力為6000kN的壓樁機(jī)。值得一提的是，壓樁機(jī)的最大壓樁力并非越大越好。因?yàn)榇蟮膲簶读κ强看蟮淖灾睾团渲貒嵨粚?shí)現(xiàn)的，大噸位的壓樁機(jī)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地基承載力要求較高，天津地區(qū)表層地基土承載力偏低，地下水位較高，對(duì)于大噸位的壓樁機(jī)容易發(fā)生陷機(jī)事故。在本工程中，雖然地表承載力低，但由于采用降水和鋪墊房渣土等措施，基本保證靜壓樁的正常施工。
由于管樁對(duì)土體的擠密效應(yīng)強(qiáng)于預(yù)制方樁，當(dāng)布樁較為密集時(shí)，應(yīng)注意壓樁的順序問(wèn)題。原則上應(yīng)先壓中間的，后壓四周的，尤其注意避免漏打再補(bǔ)樁的情況。本工程中電梯井處有一根中間樁漏打，補(bǔ)樁時(shí)樁端尚未進(jìn)入持力層壓樁機(jī)壓力讀數(shù)就已達(dá)到極限，后樁頂由于受力過(guò)大出現(xiàn)裂縫，無(wú)法繼續(xù)施壓，只得截樁。
4．3截樁工藝
基槽開(kāi)挖后，部分樁未能壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高，需要截樁。由于樁身混凝土標(biāo)號(hào)C80，剔鑿困難，同時(shí)更是為了保證樁頭質(zhì)量，因而要求施工人員采用鋸樁器截割，嚴(yán)禁用大錘橫向敲擊或強(qiáng)行扳拉截樁。用鋸樁器截割一根管樁（如圖2所示）僅需20分鐘左右，且斷面平整光滑（如圖3所示），不會(huì)對(duì)樁身造成損壞。
圖2鋸樁器截割管樁圖3管樁截后斷面
經(jīng)濟(jì)效益比較
如前文所述，由于選擇7b粉砂層作為樁端持力層，而6b粉土層呈密實(shí)狀態(tài)，標(biāo)貫擊數(shù)算數(shù)平均值為24.8擊，普通預(yù)制樁和沉管灌注樁施工困難，不作為比較方案，僅考慮選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁或鉆孔灌注樁進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果如表3所示。
表3預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁與鉆孔灌注樁的經(jīng)濟(jì)比較
由表3可以看出，僅工程樁方面，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁比鉆孔灌注樁造價(jià)節(jié)省157525元，占工程樁造價(jià)的18.5%。
同時(shí)，由于管樁直徑400mm，最小樁間距1.2m，可采用十字交叉承臺(tái)梁的基礎(chǔ)形式；而灌注樁直徑600mm，最小樁間距1.8m，采用十字交叉承臺(tái)梁的基礎(chǔ)形式無(wú)法布樁，需改為承臺(tái)形式。這樣一來(lái)，在基礎(chǔ)方面采用管樁也比采用灌注樁經(jīng)濟(jì)一些。
結(jié)語(yǔ)
將本工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)如下，以期拋磚引玉。隨著管樁在天津地區(qū)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，相信管樁設(shè)計(jì)施工的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)不斷豐富完善。
1．靜壓法施工預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）具有經(jīng)濟(jì)、高效、文明、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于軟土地區(qū)的中高層建筑物。相信靜壓預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁將成為天津——乃至全國(guó)軟土地區(qū)最受歡迎的樁。
2．在進(jìn)行管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從承載力和沉降協(xié)調(diào)雙方面予以考慮，并且出于安全與經(jīng)濟(jì)的雙重考慮，宜預(yù)先對(duì)管樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，得到管樁真正的單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)該值進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
3．為保證和監(jiān)督樁身質(zhì)量，對(duì)管樁的制造工藝應(yīng)有嚴(yán)格的要求；在表層土質(zhì)較軟的情況下，應(yīng)注意選擇噸位合適的壓樁機(jī)，并輔以相應(yīng)處理措施，保證壓樁順利進(jìn)行；同時(shí)，當(dāng)布樁較為密集時(shí)，應(yīng)注意壓樁的順序；截樁時(shí)要求采用鋸樁器截割，嚴(yán)禁用大錘橫向敲擊或強(qiáng)行扳拉截樁。
4．選擇適合的樁長(zhǎng)、樁徑，并依據(jù)管樁經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)得到的極限承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地布樁，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的經(jīng)濟(jì)效益往往會(huì)優(yōu)于鉆孔灌注樁等樁型，做到社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益雙豐收。
參考文獻(xiàn)
中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》GB13476—2009，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2009-03-28發(fā)布。
天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)規(guī)程》DB29-110-2010，天津市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)，2010-09-10發(fā)布。
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