邢佳嗣 孔培翰 付显铭
中建八局第四建设有限公司华东公司
1.前言
在预应力混凝土管桩的生产、运输及施工过程中，受到生产因素和运输、施工条件的限制，混凝土管桩长度一般控制在15m以内，然而由于各地区地质条件不同，工程桩设计深度往往超过单根管桩所能达到的深度，因此现场施工过程中要对多段管桩进行连接处理，接桩次数根据现场情况一般为1～3次，其连接质量直接影响到桩身的完整性和力学性能。本文借助松江区九亭镇工业区JT-17-001号地块项目工程案例，提出采用机械啮合接头连接技术以保证管桩连接质量。
2.项目概况
2.1 工程概况
上海市松江区九亭镇工业区JT-17-001号地块项目，工程地址位于上海市松江区九亭镇工业区，总建筑面积27934.58㎡，包含地上七层工业厂房及地下二层地下车库，其地下车库部分占地面积约5371m2，主楼区域投影面积为2738.44m2。
2.2 桩基工程概况
该项目基础设计为桩筏基础，由变标高筏板与预应力高强混凝土管桩组成，其中工程桩根据部位及受力性能，划分为承压桩、承压兼抗拔桩及抗拔桩3中类型，具体区域划分如下：
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图2-1 工程桩功能类型划分区域示意图
本工程各功能工程桩选择及数量如下表：
表2-1 工程桩设计选用一览表
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3.现状调查
3.1 现有焊接工艺存在的不足
管桩连接时，上下节桩身垂直度控制出现偏差时，接头处桩端板将无法完全贴合，在压桩过程中压桩力直接通过焊缝传递给下节桩身，焊缝受力过大，易导致接缝处产生局部应力破坏；
焊缝质量直接受焊工技术水平、桩端平整度等的影响，未处理好桩端，焊接质量不好，焊缝不连续、不饱满焊肉中存在夹渣、气泡，未等待焊缝充分冷却便直接加压等均会导致接头处出现断裂、滑移及偏位现象；
传统焊接工艺耗时较长，为保证焊接质量，单个接头满焊花费时间为15～20min，待焊缝自然冷却（约10min）后方可继续加压施工，导致施工工期较长，产生大量人力物力的浪费；
3.2 混凝土管桩机械快速接头连接技术
经过多个项目的经验学习与考察，目前市面上已存在一种新型的机械啮合接头连接技术来取代传统的焊接连接工艺，该技术通过连接销与预留的钢销板啮合，将上下节管桩无缝连接起来，具有安全、环保、快速等特点，完全规避了传统焊接工艺存在的不足，既能保证连接质量，又节约了人力、物力及工期，是理想的替代方式。此外，根据相关工程试验研究及国标图集《预应力混凝土管桩》（10G409-2010）中明确，机械啮合接头适用于抗拔和弱、中、强腐蚀性环境。
4.现场实施
（1）通过与设计单位沟通，在最终审图版图纸中明确现场188根抗拔桩选用C型管桩，并采用机械连接。
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（2）明确做法后，赴多家管桩生产厂家进行实地考察，最终确定符合各方面要求的供应商。
（3）现场严格规范管桩进场验收制度，管桩由项目部质检员、设计院现场负责人与项目总监联合验收，对不合格的管桩进行标记，直接退场处理，切实进行全数检查，做到不通过，不卸货。
桩材进场后卸于指定堆场，严禁直接置于裸土之上，并使用防水雨布覆盖，防止端板锈蚀。
（4）施工工序及流程
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（5）主要施工工序质量控制
a）下节管桩端板压至离地面约0.5m处时，清理端板及连接槽内填塞的泡塑及杂物，在连接槽壳内注入约一半槽深的沥青涂料，并在端板表面均匀涂抹；
b）将上节管桩吊起，调整管桩位置使连接销孔与下节连接槽一一对应，夹紧固定后清理端板，并将连接销旋入螺帽孔内旋紧，使用扭力扳手检测是否紧固到位，合格后下压使连接块齿牙与连接销完全咬合；
c）若两节管桩接头缝隙较大，应填塞薄铁片，并使用二氧化碳气体保护焊进行固定，必要时应对端板周圈进行满焊。
5.效果检查
5.1 目标完成情况
现场188根抗拔桩切实选用机械啮合连接技术进行对接连接，其过程中连接质量均符合设计及规范要求，后续桩身完整性低应变检测合格率达到100%，其中抽取的最具代表性的抗拔试桩所受的抗拔实验全部合格，且单桩工期对比本项目采用焊接连接方式施工的承压桩工期缩短了36.7%，全部达到目标要求。
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图5-1 291#抗拔桩抗拔试验曲线 图5-2 抗拔试验结果一览表
根据试验检测结果，其中149#、256#及291#桩均为采用机械啮合连接的抗拔桩，其单桩竖向抗拔极限承载力均符合设计要求。
6.对比分析
6.1 工期分析
为确认采用机械连接带来的工期效益，现对每日施工记录进行数据分析，为直观体现两种连接技术的工期差异，本次课题仅抽取单独施工统一类型管桩，且具有代表性的日期进行分析，具体数据汇总如下：
表6-1 静压桩施工记录数据分析汇总表
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根据以上数据，采用机械啮合连接技术进行施工时实际工期缩短率：
工期缩短率=（每套使用焊接连接所需的工期-每套使用机械啮合连接所需的工期）/每套使用焊接连接所需的工期=（1/1.194-1/1.886）/（1/1.194）=36.7%
6.2经济效益分析
与传统的焊接工艺相比，管桩机械啮合连接技术具有接头时间短、作业效率高、质量可靠等特点，在该项目取得了良好的经济效益：
（1）采用机械啮合连接将现有工期缩短了36.7%，以现有压桩市场40元/m计算，可节省经济效益约10.74元/m，且极大缩短了桩基工程施工时间，节省了桩机进场时间及使用费用；
（2）传统焊接工艺受天气因素影响较大，遇到降雨等恶劣天气会造成焊机及焊工闲置窝工，而采用机械啮合技术基本可以实现全天候施工，大大节省了焊机台班及焊工工时，综合提高经济效益约4.5元/m。
表6-2 经济效益分析对比表
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因选择C型桩为设计要求，且征得参见各方同意，因此由不同桩型桩材产生的单价价差由业主提供，不考虑认价价差，仅施工费用可节省约2万元。
6.3技术效益分析
机械连接的使用成功规避了管桩施工过程中由于焊接工艺未达到质量要求而造成的潜在后果，且新型技术的应用也大大提高了桩基工程的合格率。
7.总结
应对预应力高强混凝土管桩接头处的机械啮合连接技术，能够大大降低天气、焊接人员焊接技术水平、作业台班组织等因素对管桩作业的影响，且机械啮合接头技术无需冷却时间，施工工艺简单，成品质量稳定，合格率高，是保证管桩接头连接质量的有力措施。同时，该技术能够大大减少施工工期，降低机械租赁时间及人工的投入，降低施工成本，从而提高施工企业的经济效益，并积极推动建筑施工行业整体的高质量发展。