蒋 冬
深圳榕亨实业集团有限公司 广东省深圳市 518014
摘 要：针对某拟建高层建筑，结合工程地质土层状况，对预应力混凝土管桩的施工工艺进行了分析，研究了其在竖向及水平荷载作用下的桩体工作机理，给出了提高桩体承载力的科学建议。研究表明，桩体成桩工艺对工程质量影响重大，测量与监测、场地排水、接桩参数控制等应严格控制；预应力管桩的竖向承载能力主导因素为桩侧摩阻力，并与桩径、土层等参数相关，在考虑抗震与水平荷载作用是，应严控水平变形。
关键词：预应力混凝土管桩；施工工艺；桩体承载力
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：
Study on sinking technology and working mechanism of pipe pile in a high-rise building prestressed concrete
Jiang Dong
Shenzhen Rongheng Industrial Group Co. , Ltd. , Shenzhen 518014, Guangdong Province
Abstract： In view of a proposed high-rise building, combined with the engineering geological soil conditions, the construction technology of the prestressed concrete pile is analyzed, and the working mechanism of the pile under vertical and horizontal loads is studied, some scientific suggestions are given to improve the bearing capacity of pile. The study shows that the pile-forming technology of pile body has a great influence on the engineering quality, and the measurement and monitoring, site drainage and parameter control of pile connection should be strictly controlled, considering the effect of earthquake resistance and horizontal load, the horizontal deformation should be strictly controlled
Key words: prestressed concrete pile; construction technology; bearing capacity of pile body
0引言
预应力混凝土管桩（PC桩）具有强度高、施工速度快、成桩质量好等优点，既节约资源、又有利于环保。改革开放以来，在建筑工程、公路工程、港口工程得到了广泛应用[1]。
不足之处在于对地下水质条件及土壤介质的防腐性要求比较高；在压桩过程质量控制难度较大，如管桩需穿越较厚的粉土粉砂层或硬塑粘土层，发生管桩压不下去的情况也比较普遍，还可能因桩机施压过大造成桩身及接头部位断裂。
因此，为确保沉桩的质量，在严格按照设计图纸要求和相关规范技术标准的基础上，有必要对其施工工艺及受力特点进行研究，摸清和掌握管桩的特点，对沉桩施工过程的主要环节系统地、有针对性地进行质量控制具有重要的意义。
1 项目概况
1.1工程概况
该拟建高层建筑（24-26F）为剪力墙结构，基础形式为桩筏基础，基础埋深4.2m。依据国家相关标准，该拟建建筑属甲类建筑，工程重要性等级均为二级，场地复杂程度等级和地基复杂程度等级为二级。
1.2地层结构及岩性
根据野外勘探揭露，拟建场地地层由人工填土、第四纪全新世冲洪积黄土状土，冲积粉质粘土、砂类土，晚、中更新世冲积粉质粘土和砂类土组成，现按层序分述如下：
①-杂填土Q4ml：土质不均匀，结构疏松，成分杂乱，以粘性土为主，含较多砖块，混凝土块、建筑垃圾及植物根茎等。本层厚度为0.60～2.80m。
②-黄土状土Q4al+pl：土质较均匀，具针状孔隙，含植物根、异色土块及钙质条纹，局部含较多砂粒等。本层厚度为0.50～2.00m，层底埋深为1.40～3.50m。
③-细砂Q4al：矿物成分以石英、长石为主，云母及暗色矿物次之，级配差，含泥量一般小于5%。本层厚度为3.60～5.80m，层底埋深为5.80～7.80m。
④-中砂Q4al：矿物成份以石英、长石为主，云母及暗色矿物次之，含少量圆砾颗粒，级配差，含泥量一般小于5%。本层厚度为3.10～7.10m，层底埋深为10.00～13.60m。
④-1-粉质粘土Q4al：土质较均匀，含粉细砂颗粒，偶见钙质结核。本层厚度为0.50～1.30m，层底埋深为11.20～11.40m。
⑤-中粗砂Q4al：矿物成份以石英、长石为主，云母及暗色矿物次之，含少量圆砾颗粒，级配一般，含泥量一般小于5%。本层厚度为7.00～9.00m，层底埋深为19.60～20.80m。
⑥-中砂Q3al：矿物成份以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之。含零星圆砾和卵石颗粒。级配一般，含泥量一般小于5%。本层厚度为9.00～9.80m，层底埋深为29.00～30.00m。
⑦-中砂Q3al：矿物成份以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之。可见少量圆砾颗粒，级配差，含泥量一般小于5%。本层厚度为9.40～11.20m，层底埋深为39.00～41.00m。
⑧-中砂Q3al：矿物成份以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之。可见少量圆砾颗粒，级配差，含泥量一般小于5%。本层未揭穿，其揭露厚度为11.00～12.20m。
2预应力管桩施工工艺
2.1沉桩准备
进行地基开挖过程中，应做好基坑支护及检测工作。大面积打桩前进行试桩，施打条件应与工程桩一致，应符合正式打桩的有关规定，根据试桩情况确定施工工艺，保证施工工艺符合现场施工要求。正式打桩过程中应正确选择沉桩顺序，遵循“先中间后四周”原则。场地回填应注意放坡，地面坡度不得大于1%，以利于纵横向排水，避免场地积水影响施工，同时为管桩到场后的施工吊装、存放和机械布置做好准备。
2.2 桩机就位对中
首先在桩身画出以米为单位的长度标记，以便控制打桩的速度。采用多点起吊将管桩吊直，底桩就位后对中、调直。调直，一是要使桩身垂直；二是使桩身、桩帽、桩锤的中心线重合。底桩起吊就位插入地面时桩身垂直度偏差应不大于0.5%。每台打桩机配备一把靠尺，随时量测桩身的垂直度。测量管桩桩身还包括测量打桩架导杆的垂直度，可用2 台经纬仪在距打桩机15m 处成正交方向进行观察。
2.3 控制沉桩过程
由于天然土层整体密实度较差，对桩的侧向位移限制作用差，施工要避免桩机来回走动，造成地基土反复扰动，对已沉好的桩产生一定的挤压作用，造成偏桩或断桩。利用柴油锤进行沉桩施工时，若遇到软弱土层，采用重锤低击方法施工，以减少桩顶压力，该工程预应力管桩不采用桩尖，可以减少管桩穿透力，避免一次性贯入过大，有利于减少桩身倾斜，同时控制锤打击力度，桩顶端不能离地面太低，避免造成掉桩。管桩施工前应逐根检查混凝土桩的质量，将管桩两端和施焊面上的油漆、杂物清刷干净。
2.4 接桩
接桩时要注意保持新接桩节与打入桩节的轴线一致，轴线偏差控制在0.5%。焊接必须连续饱满，防止节点由于温度应力产生变形而引起桩身歪斜。按桩基环衬预留的焊缝接口采用电弧焊方式满焊，分3 层焊接，焊缝应连续饱满，无夹渣、气泡，焊缝接头错开，对于两钢套间隙较大处，用楔铁垫平焊牢。焊好后，焊渣清除干净，进行验收检查。焊接完成后经过不少于10 分钟的自然冷却时间后才能涂刷环氧树脂防腐，环氧树脂必须完全覆盖接头位置并涂刷两遍，之后才能继续施打管桩，这样既避免了施焊处因冷却过快使接头出现冷脆、焊缝开裂等现象，影响强度，同时环氧树脂有隔绝作用，大大增加了使用寿命。
3 预应力管桩的工作原理
3.1 桩体承载力
参照《公路桥涵地基与基础设计规范》及《建筑桩基技术规范》，根据土的物理力学指标与承载力参数之间的关系，单桩承载力可采用如下计算公式：
式中：
qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kpa）；qpk为极限桩端阻力标准值（kpa）；li为桩周第i层土的厚度（cm）；u和Ap为桩周长（cm）和桩端截面积（cm2）。
3.2 竖向荷载作用下预应力管桩的工作机理
当PC桩桩顶逐步受到垂直于桩基顶面作用力的影响时，桩身会有压缩变形的趋势，PC 桩的压缩变形使桩基与周边土层产生相对位移，在发生变形的过程中，桩基四周的土层会相对于桩基自身运动反方向的摩阻力作用，该摩阻力的大小与桩基位移的大小成正比，因为有摩阻力的关系，桩基顶部施加的竖向力沿着桩身传递的过程中会随着深度的增加而逐渐的减少，在桩基顶部收到的力最大，桩身与土层相对位移最大，摩阻力也就相对较大，在桩基底部，相对位移最小，甚至没有发生位移，此时摩阻力相对也就最小，甚至没有[2-3]。
摩阻力的大小不仅与土层深度有关，还与施加竖向力的大小息息相关，桩基承受的竖向力在由小变大的过程中，摩阻力的大小在竖向力加载初期，与其成比关系，竖向力越大，桩基变形越大，与土层产生的相对位移也就越大，摩阻力相对的也就越大，但是当竖向力逐渐增大到一定程度，其对桩基的变形影响逐渐变的平稳，竖向力在这个阶段继续加大，桩基与土层的位移基本不会再增加，此时，也就是整个桩身受力，桩基端部产生一定大小的阻力作用，继续增大的竖向力将全部由这时产生的端部摩阻力来承担，桩侧阻力不会再发生大的变化。当桩基端部开始承受力的作用时，若竖向力继续增加，此时端部摩阻力逐渐增大，直至端部摩阻力不足以支撑力的增加时，此时桩基所承受的力就是我们所研究的桩基极限承载能力。
随着近年来大直径灌注桩与管桩在实际工程及试验中的不断应用与探索，大量的试验数据以及测试结果表明，桩侧阻力发挥的大小不仅与力的大小有关，还与桩径大小、施工时所用的方法、桩基周边土的基本特性有直接的关系。
3.3 水平荷载作用下预应力管桩的工作机理
由于土层的侧向约束效应，工程界对桩基关注的重点都是桩基的竖向承载能力，对桩基承受的侧向荷载重视不足，随着科技的不断进步，工程人员开始渐渐发现水平荷载对桩基承载能力产生的重要作用，对于水平荷载的作用效果极其工作原理也开始受到工程人员的重视[4]。
桩基承受水平荷载效应可通过现场原位测试或破坏性试验以及抗震试验进行研究。单根桩基从开始受到水平荷载作用到桩基破坏结束这个过程中一般分为三个阶段。初始时间段为弹性变形期，桩基受到水平作用力作用后，由于自身材料的弹性属性，桩基受力会跟着力的方向发生位移，但在荷载消失后会慢慢恢复到原状。
下一个时间段为弹塑性期，当作用力超过弹性变形的极限值之后，桩基继续受力，会产生无法恢复到原始状态的变形，并且在超过该限制之后，桩基受力变形量将会大大增加，当桩基础的变形量随着力的增大逐渐稳定的时候，此时的水平作用力称之为极限荷载；最后一阶段为破坏阶段，当作用在桩基上的水平荷载超过其极限荷载之后，桩基的水平变位会突然变大，同时桩基开始出现裂缝及无法恢复的变形越来越大，直至破坏。
4 提高桩基承载力的措施及建议
⑴成桩工艺优先采用锤击成桩。桩端达到坚硬的黏性土、中密以上砂土、碎石土及风化岩时，锤击桩一般以贯入度控制为主，标高控制为辅。锤击桩能够保证桩打穿较厚的土层（包括硬夹层）进入较好的持力层，达到预定设计的深度。应控制打桩速率和日打桩量，24h 内休止时间不少于8h，并对桩顶上涌和水平位移进行监测。
⑵静压桩成桩质量控制应同时保证桩长与压桩力满足设计要求。最大压桩力不应小于设计的单桩竖向抗压极限承载力，施工桩长不应小于理论公式的计算结果。单节桩下压时垂直度偏差不应大于0.5%。对于大面积桩群，应控制日压桩量，并监测桩的上浮量及桩顶水平偏位值。
⑶尽量消除地下水及降水的影响。大面积降水会降低土体的粘聚力和内摩擦角，桩侧土的极限侧阻力标准值随含水量的增高而减小，进而降低桩基的竖向承载力。桩端土层明显软化的情况下，其极限端阻力标准值也会明显降低。因此，对于地下水位较高的场地应采取有效的降水措施。桩端嵌入遇水易软化的风化岩和非饱和土的预制空心管桩，应对桩端以上2m 范围内采取有效的防渗措施。
⑷对桩侧土体进行加固。成桩之前对浅部土层进行换填处理，换填排水性能好、内摩擦角大的砂土、碎石土可以提高桩基的竖向与水平承载力；对桩侧土体采用化学注浆的方式进行加固，也可以明显提高桩基的竖向与水平承载力。
5 结论
(1) PC桩在施工过程中，根据其桩体受力及施工特点，应严格控制施工工艺。在对基坑进行有效支护基础上，严格按照沉桩、接桩等技术要求进行。针对不同土层，锤击技术要求应进行调整。
(2) PC桩体的竖向承载能力主导因素依然为桩侧摩阻力，其大小与土层特性、桩径、施工工艺相关。在考虑抗震及水平荷载作用下，水平承载能力亦应受到关注。
(3) 为确保成桩质量，在严格控制沉桩工艺基础上，对地下水位较高状况，应采取必要的降水措施，并对桩端土层进行防渗处理。
参考文献：
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