PHC桩基技术及工程实践

2022-09-11

PHC管桩 (即预应力高强混凝土管桩) 是采用先张法预应力离心成型工艺, 在成型脱模后, 经过10个大气压、180℃左右的高温高压蒸汽养护, 制成的一种空心圆柱体细长混疑土预制构件[1]。PHC管桩基础具有经济、实用、施工便捷等特点, 目前在工程建设中得到广泛应用。北京创展家居项目就是采用该基础类型, 桩基施工质量控制良好, 工期缩短半个多月, 取得了很好的经济、社会效益。

北京创展家居示范中心位于北京市通州区张家湾工业开发区南区, 该项目一期总建筑面积约为20万平方米, 由16栋建筑单体组成, 为三、四层框架结构。设计抗震等级为二级, 抗震设防烈度为8度。地质勘察揭露该场地土类型为中软场地, 场地类别为三类。场地土3层粉、细砂有液化, 对建筑物抗震属不利地段, 建议采用桩基础, 桩尖持力层为4层细、中砂。

1 桩型设计

通过对PHC管桩、混凝土预制方桩、钢筋砼灌注桩、CFG桩等多种桩型经济、技术指标比较, 综合施工条件, 最终采用PHC管桩。各项设计指标确定为:管桩A400, 壁厚9 0 m m, C 8 0高强混凝土, 设计有效桩长为10.5m, 桩尖进入持力层细、中砂土层50cm以上, 单桩竖向承载力设计值为900k N, 最后三阵贯入度要求不大于30mm。

2 施工准备

2.1 场地准备

施工前加强地质勘察工作, 摸清地质情况, 了解持力层的埋深、走向。施工场地要求平整, 局部淤泥较深时必须清除后用素土填换夯实, 场地北侧鱼塘填有生活垃圾, 必须全部挖除至老土层并按设计要求回填至桩顶200mm。要求场地地面排水畅通, 排水坡度应在1%以内。场地承压能力应满足打桩机稳定要求。

2.2 技术准备

审查施工单位管理人员是否到岗, 质量保证体系是否建立健全, 以及施工技术方案、质量保证措施、工期保证措施和安全保证措施是否合理、可行。此外检查其劳力、机械设备、材料及半成品是否进场, 是否满足连续施工的需要, 是否具备开工条件。

2.3 桩的吊桩、运输、堆放

PHC管桩在厂家预制完成后, 混凝土强度超过80%时才能吊装, 桩长不大于13m时, 可采用专用吊钩钩住管桩两端内壁直接进行水平起吊。PHC管桩强度达到100%时方可运输, 桩在运输过程中支承应满足安全要求, 并且要绑扎牢固。PHC桩堆放场地要坚实平整, 堆放层数不得超过三层, 叠层堆放时, 应在垂直于管桩长度方向上的地面设置2道垫木, 垫木应分别位于距桩端0.2L处, 底层边缘管桩需用木楔塞紧以防滚动, 垫木宜用耐压的长方木或枕木, 不得用有棱角的金属构件代替。PHC桩的吊装、运输及堆放过程中应轻起轻放, 应避免振动、碰撞、滚落。

2.4 验桩

PHC桩在使用前需进行质量验收, 主要有外观质量、尺寸偏差、出厂合格证等。检验合格后方可使用。

(1) 桩的表面应平整、密实, 局部蜂窝和麻面的缺损总面积不得超过桩表面全部面积的0.5%, 每处深度不大于10mm, 且应修补;破损深度不大于10mm, 每处面积不大于50cm2, 且应修补。桩顶和桩尖处不得有蜂窝、麻面、裂缝和掉角[2]。

(2) 不得出现环向和纵向裂缝, 由于收缩产生的裂缝深度不得大于0.20mm, 宽度不得大于0.25mm。

(3) 检查管桩合格的尺寸, 一般桩径 (+5mm、-4mm) 、管壁厚度 (正偏差不限、0) 、桩尖中心线 (<2mm) 、顶面平整度 (10mm) 、桩体弯曲 (<1/1000L) [2~3]。

(4) 运抵现场的管桩, 每节都应有出厂标记, 标在管桩表面距端头1.0米左右的地方。标记内容:生产厂家、产牌、生产日期、外径、壁厚、长度型号。并附有出厂合格证。

2.5 试桩

正式施工前需进行试桩, 试桩数量不得少于桩总数量的1%, 验证是否满足设计要求, 确定持力层深度、桩长, 以便进一步优化设计, 同时确定沉管深度、贯入度及最后一米沉桩锤击数等收锤标准的施工参数, 并检验打桩设备、施工工艺及技术措施是否符合要求。根据试桩情况, 本工程打桩的有效长度调整到不得小于10m, 可初步按一节10m长桩进行配桩;桩锤选用40~50型筒式柴油锤, 冲程为2.0m~2.5m。

3 主要施工方法

PHC管桩沉桩方法有多种, 由于本项目位于工业区内, 离居民区较远, 故采用施工费用较低、施工便捷的锤击法进行施工。

3.1 工艺流程

测量定位→桩机就位→底桩就位 (对中、调直) →锤击沉桩→接桩→再锤击→送桩→打至持力层→收锤。

3.2 桩基定位

施工前对施工图中所有管桩进行编号, 现场根据建筑物控制点, 确定轴线位置, 逐个测定桩位, 打入钢钎 (钢筋) , 以该点为中心用白灰画一圆圈, 直径为400mm, 以便插桩对中, 保持桩位准确。桩位的放样误差控制在20mm以内。

3.3 桩机就位

打桩机就位时, 应对准桩位, 保证垂直、稳定, 确保在施工中不发生倾斜、移动。调整打桩架导杆的垂直度, 控制偏差不得超过0.5%。

3.4 桩身就位

用吊车取桩, 起吊前在桩身上划出以米为单位的长度标记, 以便观察桩的入土深度以及记录每米沉桩的锤击数, 起吊支点宜在桩头0.3L处, 单点起吊使桩尖插在白灰圈中心, 将桩头送入桩帽套内就位, 再用两台经纬仪 (轴线互相垂直) 双向调整桩的垂直度, 通过桩机导架的旋转、滑动及停留进行调整, 使桩身、桩帽、桩锤三者中心线重合, 控制垂直度偏差不得超过0.5%。

3.5 锤击沉桩

因土质较软, 初打时下沉量较大, 宜先短距轻击将桩徐徐打入, 将桩身沉到一定深度时 (沉降稳定) , 用经仪器双向观察桩的中心位置和垂直度, 若发生严重倾斜时, 不宜采用移架方法来校正, 应拔出重插。在满足要求后再正常施打。正常打桩时采用“重锤低击, 低锤重打”。在整个打桩过程中, 要特别注意桩身垂直, 要使桩锤、桩帽、桩身保持在同一轴线上。必要时应将桩锤及桩架导杆方向按桩身方向调整, 不要使管桩受到偏心锤打, 以免管桩弯扭破坏。打桩较难下沉时, 要检查落锤有无倾斜偏心, 特别是要检查桩垫桩帽是否合适, 如果不合适, 需更换或补充软垫。

3.6 接桩

局部地区地基土较软弱而使桩长大于1 0m需要接桩处理。当底桩的桩头距地面0.5m~1 m左右时, 应停锤接桩, 方法是先将端头板及坡口用钢丝刷清刷干净, 再在下节桩头上安装导向箍, 将上节桩吊入导向箍内就位, 调直后, 保证上下节桩处于同一中心线上。施焊时先在坡口四周对称点焊4~6点加以固定, 然后拆除导向箍, 由2名电焊工对称、均匀、连续施焊, 焊接层数不少于二层, 内层焊渣必须清理干净后再焊下一层, 要保证焊缝饱满连续。焊好的桩接头应自然冷却8~10分钟后方可继续锤击沉桩, 严禁用水冷却或焊好即打。

3.7 送桩

管桩设计标高低于地面标高需要采用送桩器送桩。送桩器宜用钢板制成筒形, 应有足够的强度、刚度和耐打性, 长度应满足送桩深度要求 (送桩深度不宜大于2m) 。当桩头距地面1m左右时, 将送桩器放于桩头上, 两者中心线吻合后, 方可锤击送桩。送桩完成后拔出送桩器, 留下的桩孔应立即用中粗砂回填密实。

3.8 收锤

收锤标准以桩尖达到设计标高 (达到持力层) 、有效桩长、最后贯入度、及最后1m的锤击数为主要控制指标, 当符合设计确定的停锤条件时即可收锤停打。一般停锤控制原则是:桩端位于一般土层时, 以桩尖达到设计标高为主, 贯入度为参考;当桩端达到坚硬土质时, 以贯入度为主, 桩端标高作为参考, 当贯入度已达到而桩尖标高未达到设计标高时, 应继续锤击三阵, 每阵10击, 三阵贯入度不应大于30mm。施工中, 要控制好每根桩总锤击数不超过2500, 最后1m沉桩锤击数不宜超过300。

3.9 成果记录

打桩过程中应详细记录各桩沉桩时间、每打入1m的锤击数、最后三阵贯入度和最后1m的锤击数等。按规范要求整理成表作为验收依据。测量最后贯入度时, 易用收锤回弹曲线测绘纸先测绘出管桩回弹曲线, 在从回弹曲线上量出贯入度。

3.1 0基坑开挖及截桩

打桩结束后合理的进行土方开挖以及截桩施工, 将直接关系到成桩质量。基坑开挖时, 应制定合理的施工顺序和技术措施保证桩周土均衡开挖, 以防桩变形、位移和倾斜。桩基部位禁止机械挖土, 以防挖机挖断桩身。对于高出设计标高的桩头, 截桩头宜用锯桩器截割, 严禁用大锤横向敲击或强行扳拉截桩。

4 常见质量问题及防治措施

4.1 桩顶位移或桩身倾斜产生的原因及防治措施

(1) 打桩顺序不当, 引起桩顶偏移。防治措施:严格按规定顺序进行, 坚持“先深后浅、先长后短”的原则, 由中心向四周或由一侧向单一方向施打;合理安排工序, 避免打桩期间同时开挖基坑。

(2) 遇到孤石或其他障碍物, 将桩挤向一边。防治措施:施工前需探明地下障碍物及硬土层, 较浅的挖除, 深的用钻钻透。

(3) 接桩不直, 形成折线。防治措施:接桩应吊线找直, 垂直度偏差不大于0.5%。

(4) 打桩机导杆弯曲或场地不平、场地承载力不足, 产生倾斜。防治措施:导杆弯曲应调直或更换;打桩场地施工前应平整夯实。

(5) 开始沉桩, 桩身未稳就猛烈施打。防治措施:需要稳桩, 初打时宜短距轻击将桩徐徐打入, 将桩身沉到一定深度, 校正垂直度后再正常施打。

(6) 施打时桩身、桩帽、桩锤中心线不在同一直线上, 或桩帽太大、桩垫锤垫不平, 偏心受力, 使桩身倾斜。防治措施:施打前应检查桩身、桩帽、桩锤是否在同一直线上, 如有问题及时调整;桩垫、锤垫应找平。桩帽与桩周围的空隙应为5mm~10mm, 不宜过大。

4.2 桩顶破碎或桩身断裂产生的原因及防治措施

(1) 桩的制作质量差, 砼强度、密实度或桩预应力值未达到设计要求;在使用前桩即存在孔洞、裂缝等, 极易引起脆性破坏。防治措施:加强桩制作质量控制, 严格控制漏浆、管壁厚度, 保证桩的混凝土密实度、强度及预应力值达到设计要求;施工前对桩的外观质量、尺寸偏差、质量保证资料等进行检查, 检验合格后方可使用, 禁止使用有严重裂缝或断裂的桩。

(2) 搬运、吊装、堆放过程中碰撞损坏。防治措施:桩的吊装、运输及堆放过程中应轻起轻放, 避免振动、碰撞、滚落。

(3) 桩锤选用不当, 过重易将桩头击碎, 过轻会使桩顶疲劳破坏。防治措施:选择桩锤时应充分考虑桩的形状、尺寸、重量、入土长度、结构形式以及土质等条件, 选择合适重量的桩锤。

(4) 桩帽尺寸不合适。防治措施:桩帽易做成圆筒形, 筒体深度易为350mm~400mm, 内径应比管径大20mm~30mm, 空隙不宜过大。

(5) 接桩质量差, 引起开裂。防治措施:接桩要保持上下节桩在一条直线上, 端头板及坡口应清刷干净, 焊缝应饱满, 填塞钢板应紧密。焊后自然冷却8~10分钟后再施打。

(6) 打桩时未加桩垫或桩垫太薄。预防措施:打桩时应使用合适的桩垫, 厚度不宜小于12cm。

4.3 沉桩未达到设计标高或最后贯入度及锤击数未达到设计要求的原因及防治措施

(1) 桩尖遇到密实的粉土或粉细沙层上, 产生“假凝”。处理措施:暂停一段时间后再继续施打。

(2) 打桩间隔时间过长, 摩阻力加大。预防措施:打桩应连续进行, 不易间歇时间过长, 若间歇, 不许超过24小时。

(3) 遇到孤石、硬夹层或其他障碍物。防治措施:施工前需探明地下障碍物及硬土层, 较浅的挖除, 深的用钻钻透。

5 桩的质量检测

5.1 质量验收

成桩质量检查包括桩身垂直度、桩顶标高、桩身质量, 并应符合下列规定。

(1) 桩身垂直度允许偏差为1%。

(2) 截桩后的桩顶标高允许偏差为±10mm。

(3) 桩顶中心位置允许偏差为100mm。

5.2 质量检测

PHC管桩在成桩后, 必须由具有资质的检测单位对桩的完好情况以及单桩承载力进行检测。

(1) 桩体质量检查:本工程共抽961根桩 (按规定不少于总桩数的15%, 且每根柱子承台不得少于一根) 进行低应变动力检测。检测的目的主要通过动测方法检查桩身的完整性 (桩身断裂、桩身各节的连接情况) 。检测的961根桩, 实测纵波波形曲线规律性较好, 且均可观测到桩底反射波信号, 未见明显异常, 表明这些桩桩身完整, 连接良好, 未出现明显的桩身质量问题。

(2) 静荷载试验:必须待桩周土的固接力完成后 (一般在成桩后7~12天即可) 进行。根据动测结果、施工记录、平面分布等情况, 选取了48根桩 (按规定不少于总桩数的1%) 进行静载。静载终压值均达到1800k N (2倍单桩设计承载力) [4]。从Q-S曲线可以看出, 48根桩的总沉降都小于10mm, 符合规范要求, 且沉降随时间、荷载的变化都是均匀的, 基本上是弹性的。由此可以看出, 当Q=1800k N时, PHC桩还没有达到极限承载力状态, 仍有很大“潜力”。

6 结语

PHC桩采用C80以上高性能混凝土及先张预应力技术, 使其具有强度高、抗弯性能好、耐施打、穿透力强、单位承载力价格便宜、质量稳定、生产周期短、施工速度快等优点。对工程技术管理人员来讲, 施工质量管理是工程管理的核心。PHC桩基质量控制是个系统工程, 它是贯穿设计、生产、施工、验收等全过程, 只有加强各个环节的质量管理, 严格执行国家有关技术规程、规范, 在施工中不断积累经验, 不断提高技术应用水平, 才能使PHC桩在工程中得到更好的应用。

摘要：PHC管桩基础是在近代高性能混凝土 (HPC) 工艺和预应力技术基础上发展起来的一种地基基础处理形式, 由于其经济、实用、施工便捷、适用面广等特点, 在建筑工程中广泛应用。对于PHC桩基施工过程中如何克服质量通病, 减少人为因素、环境因素等对工程的影响, 提高工程质量, 仍是我们工程技术人员所面临的重要课题。

关键词：PHC管桩,锤击法,质量控制,防治措施