单壁螺纹PVC塑料套管现浇混凝土桩技术及现场试验

齐昌广，郭 卫，崔允亮（.宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波 5；.长江水利委员会水文局，湖北武汉 4000；.浙江大学城市学院，浙江杭州 005）



单壁螺纹PVC塑料套管现浇混凝土桩技术及现场试验

齐昌广1，郭 卫2，崔允亮3
（1.宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波 315211；2.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010；
3.浙江大学城市学院，浙江杭州 310015）

摘要：介绍了单壁螺纹PVC塑料套管现浇混凝土桩（TC桩）的组成、特点、施工设备、施工流程及检测方法，结合申嘉湖杭高速公路练市至杭州段TC桩处理的软基工程，通过埋设土压力盒和钢筋应力计，比较分析了路堤荷载下桩帽顶上应力、桩帽间及桩帽下土应力的分布及变化规律，得出了桩土应力比、荷载分担比随填筑荷载的变化曲线。结果表明：随着填筑高度的增加，路堤荷载逐渐向TC桩转移，桩间土应力先增大后减小；在检测期内，TC桩的桩土应力比与荷载分担比始终趋于增大。

关键词：混凝土桩；软土地基处理；承载性能；桩土应力比；现场试验

随着我国东南沿海软土地区高速公路的建设，各种软基处理方法不断应用到实际工程中，如真空堆载预压法、排水固结法、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基等，其中以刚性桩复合地基为代表的桩承式软基处理方法以其单桩承载力好（与柔性桩相比）、地基处理效果更加显著（与排水固结法相比）、施工速度快（与真空、堆载预压法相比）等特点得到广泛的使用[1-5]。

单壁螺纹PVC塑料套管现浇混凝土桩（以下简称TC桩）是在借鉴国外AuGeo桩先进技术和国内沉管灌注桩技术的基础上改进而发展起来的一种新型软基处理技术[6-8]，并申请了多项专利[9-11]，有效解决了江浙两省软土地区高速公路的地基处理问题，同时提升了高速公路的施工速度和质量，丰富了我国的软基处理技术。

本文介绍TC桩的组成及特点、施工设备及工艺和质量检测方法，并结合实际工程试验研究了TC桩在工作荷载下的荷载分担比、桩土应力比随填土高度的变化规律。

1 TC桩的组成和特点

TC桩是由钢筋混凝土预制桩尖、单壁螺纹PVC塑料套管、混凝土盖板、混凝土和插筋组成，如图1所示。桩尖为圆锥形，采用C30混凝土预制并嵌浇套管接头，直径约30 cm（PVC管直径为160 mm时）或40 cm（PVC管直径为200 mm时），桩尖的两侧留有两个对称的孔洞以方便施工。PVC套管的质量是影响TC桩整体质量的关键，根据不同的打设深度段，选择不同等级的PVC管，连接套管的接头是与PVC管相匹配的专用接头，材质与PVC管相同。盖板是与桩身一起浇注成型的，在浇筑前先将插筋放入套管内，放置好盖板模板，并设置两层钢筋网。

图1 TC桩的组成

TC桩的特点有单壁螺纹PVC塑料套管、管内注水和抽水、后连续整体浇注混凝土（待某一区段桩体打设完毕后再整体连续浇注混凝土）、小直径刚性桩等。

2 TC桩的施工设备和工艺

目前，TC桩的施工设备有两种。一种是在国内广泛应用的塑料排水管插管机基础上研发的全液压打设机，由300挖机改装而成，将挖机大臂改装后与机架相连，并提供液压动力系统。该打设机的优点是移动灵活、施工方便、所需人工少；缺点是由于受到自身重量的限制，遇到坚硬土层时打设较为困难，目前已很少使用。另一种是由静压振动沉管桩机改装而成的，专门用于TC桩打设的桩机，如图2所示，其优点是打设深度深，不受地域的限制，遇到硬土层时可以开启振动以穿越硬土层，从而打设至设计深度，目前该类打设机的最大打设深度为25 m。

图2 静压振动联合打设机

TC桩工法派生于传统沉管灌注桩，在传统沉管灌注桩工法的基础上加以改进发展而成，但其施工工艺与沉管灌注桩存在显著区别，其施工过程如图3所示，共分为7步：①采用高强度胶水将PVC塑料套管、桩尖和套管接头进行人工组装形成TC套筒；②将TC套筒插入到钢沉管内；③采用静压振动联合打设机打设TC套筒；④向打设后的TC套筒注水；⑤向TC套筒内注水并上拔钢沉管，并将TC套筒留在地基内；⑥抽掉TC套筒内的水；⑦浇筑混凝土成桩。

图3 TC桩的施工过程

3 TC桩的检测方法

与传统桩体检测的内容不同，TC桩的检测主要包括浇注混凝土前对套管打设质量的检测、桩体完整性检测和承载力检测三方面，其中浇注混凝土前对套管打设质量的检测是由TC桩的技术特色决定的。套管打设质量的检测包括打设深度检测和套管压扁弯曲情况的检测。在套管成孔后，混凝土浇注之前套管内被水填充，利用下端系一金属重物测绳可对套管打设深度进行很方便地检查，当测绳放到管底时，金属重物与桩尖接触，同时保持测绳处于拉紧状态，此时的测绳长度便为套管的检测深度。

若桩体深度检测良好，则进行套管压扁弯曲检测。将系有拉绳的测弯管沿管壁放入套管内，测弯管为一圆柱形空心圆筒，其直径小于套管内径4cm。若测弯管不能下放，且上拔困难，此时可以断定套管被挤扁或发生了弯曲。桩体完整性检测是套管浇筑成桩后，对桩体的浇注质量进行检测。利用低应变检测方法检测桩体浇注7 d后的桩体完整性，具体参照规范JGJ106—2003《建筑基桩检测技术规范》[12]。桩体强度检测可采用高应变检测或单桩静载试验，具体参照规范JGJ106—2003《建筑基桩检测技术规范》[12]。

4 TC桩的承载性能现场试验

4. 1 工程地质概况

申嘉湖杭高速公路位于杭嘉湖平原区，其大部分路段穿越软土地基，且沿线河网交错，村庄密布，结构物众多，填土高度较大。全线软土为高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性，局部路段为深厚软土地基。本试验区域选在练杭段L6标桥头处理段，具体物理力学指标见表1。

4. 2 试验区TC桩的设计

本试验段TC桩均采用正方形布桩，桩距为1.6m，设计桩长为23 m，圆形盖板直径为60 cm、厚度为20 cm，盖板净距为1 m，桩身混凝土为C25，盖板混凝土为C30，桩径为16cm，预制桩尖为X形或圆形，垫层厚度为40 cm，土工格栅铺设在垫层上面，路基填料的容重按19kN/ m3考虑。试验段于2007年10 月29日开始路基填筑，2008年1月14日填筑完成进入预压期，具体荷载变化见图4。

图4 K32试验段填土荷载变化曲线

4. 3 测试仪器的埋设和测试频率

土压力测试采用振弦式土压力盒，型号为TYJ-2020，分别埋设在盖板上、盖板下地基土和盖板间地基土表面，埋设在盖板上土压力盒的量程为1. 2 MPa，埋设在盖板下和盖板间土压力盒的量程为0. 2 MPa，绝缘电阻大于或等于50 MΩ，如图5所示（图中数字串为土压力盒编号，其中以1开头的埋设于盖板上，以0开头的埋设于盖板下或盖板间）。

图5 土压力盒埋设布置

采用测频仪测读土压力盒在不同填筑荷载下的频率，根据初始频率和系数K计算相应的土压力。根据填土速率，调整测试频率，保证在一次填土前后至少进行一次观测。路堤进入预压期以后，逐步降低监测频率，如果遇到沉降速率突然变大等情况，则加大监测频率，并进行动态跟踪。

4. 4 填筑荷载下路堤测试应力的变化规律

编号为10587的土压力盒在填土加荷开始时就被破坏，因此3号桩的应力研究失去意义，故只研究其他3个盖板下的土应力变化规律。图6为试验段盖板下土体应力随填土荷载的变化规律，可以看出02522号土压力盒到预压后期所受应力为零，说明1号桩盖板发生严重倾斜，一边已经被托空，故其盖板顶所测应力失真。从4号桩盖板下应力变化规律曲线来看，两边的土应力绝对值相差很大，超过10 kPa，说明盖板浇注时已发生倾斜，没有保持水平，但在路堤填筑过程中没有发生进一步的倾斜，其板顶应力也失真。2号桩盖板下两边土体表面应力变化趋势一致性较好，从填土加荷后第36天02596号土压力盒所测得应力比02575号压力盒所测得应力大2. 7 kPa，但在以后的路堤填筑预压过程中仍较好地保持变化趋势的一致性，说明盖板的水平度保持较好，盖板顶所测应力可作为研究依据。

图6 盖板下土体应力随时间的变化

图7为盖板间土体应力随填土荷载的变化，在填土加荷初期，盖板间不同位置的应力都迅速增大，位于中心位置的02490压力盒在填土加荷22d时应力达到峰值78 kPa，然后再递减并趋于稳定，表明应力向桩体开始发生转移，路堤中开始形成土拱，此时的路堤填筑高度为1. 5m，大于盖板净距1. 25倍，达到陈仁朋等[1]所述的临界高度，即大于盖板净距1. 1～1. 3倍。另外两个压力盒同样遵循相同的规律，但是其值小于中心压力盒的值，进入预压期后，其值相差约14 kPa，表明盖板间的土拱效应比中心处的土拱效应显著，将更多的上部荷载传至盖板。

表1 K32＋800处物理力学性质指标

图7 盖板间土体应力随时间的变化

图8为盖板应力随填土荷载变化，在填筑高度小于盖板净距时，盖板上应力与盖板间的土体应力相差不大，盖板间平均应力略大于盖板上应力，当填筑高度达到1. 5 m时，盖板上应力徒增，盖板间的平均应力也随之增大，但增幅远小于盖板上的应力，桩土应力比达到10，荷载分担比为0. 5，当上部填筑高度达到设计高度后，盖板上应力到达最大值，随后略微减小，但减小幅度不大，相差约为24. 6 kPa，此时桩间土平均应力为46. 2kPa，桩土应力比约为27. 6，荷载分担比为0. 68。

图8 盖板应力随时间的变化

由图9和图10可知，桩土应力比与荷载分担比随着填土高度的增加而变大。在堆载初期，桩土应力比变化很小，荷载分担比保持在低值状态，当填筑高度大于盖板净距时，桩土应力比徒增，曲线形状由凹变凸，当进入预压期后，其值变稳，桩土应力比的突然变化直接反映到荷载分担比上，在堆载期，荷载分担比呈线性增加，至预压期后稳定。在整个测试期间，桩土应力比与荷载分担比都处在增加的状态，但到后期增加速度逐渐变小。

图9 桩土应力比随时间的变化

图10 荷载分担比随时间的变化

5 结 语

TC桩吸收了AuGeo桩技术和沉管灌注桩工法技术，采用单壁螺纹PVC管替代AuGeo桩的双壁PVC管和双壁HDPE管，大大降低了工程造价；增加的注水工艺使打设后的套管能够进行混凝土的连续整体浇注，提高了施工速度。工程试验表明，随着填筑高度的增加，上部荷载存在向TC桩转移的现象，桩间土应力先增大后减小至逐步稳定；浇注初期盖板上应力缓慢增加，待上部荷载达到临界高度后，增加量徒增，桩土应力比与荷载分担比逐渐增大；在整个检测期内，桩土应力比与荷载分担比都始终处在增大的趋势。

参考文献：

[ 1 ] CHEN Renpeng，XU Zhengzhong，CHEN Yunmin，et al. Field tests on pile-supported embankments over soft ground[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2010，136（6）：777-785.

[ 2 ] LIU Hanlong，NG C WW，FEI Kang. Performance of a geogrid-reinforced and pile-supported highway embankment over soft clay：case study [ J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2007，133（12）：1483-1493.

[ 3 ] HAN J，GABR M A. Numerical analysis of geosyntheticreinforced and pile-supported earth platforms over soft soil [ J ]. Journal of Geotechnical and GeoenvironoentalEngineering，ASCE，2002，128（l）：44-53.

[ 4 ] HAN J，AKINS K. Use of geogrid-reinforced and pilesupported earth structures [ C ] / / International Deep Foundations Congress 2002. Orlando：ASCE，2002：668-679.

[ 5 ] GANGAKHEDKAR R. Geosynthetic reinforced pile supported embankments [ D]. Gainesville：University of Florida，2004.

[ 6 ] CHEN Yonghui，CAO Dehong，WANG Xinquan，et al. Field study of plastic tube cast-in-place concrete pile[J]. Journal of Central South University of Technology，2008，15（Sup2）：195-202.

[ 7 ]齐昌广，刘干斌，陈永辉，等.塑料套管管侧前注浆桩承载特性的现场试验研究[J].岩土力学，2015，36（8）：2377-2385.（QI Changguang，LIU Ganbin，CHEN Yonghui，et al. Field testing on the bearing characteristics of plastic tube cast-in-place concrete pile with shaft pregrouting[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，36（8）：2377-2385.（in Chinese））

[ 8 ] QI Changguang，LIU Ganbin，WANG Yan，et al. A design method for plastic tube cast-in-place concrete pile considering cavity contraction and its validation [ J]. Computers＆Geotechnics，2015，69（9）：262-271.

[ 9 ]陈永辉，徐立新，张正刚，等.单壁螺纹塑料套管现浇混凝土桩的施工方法：20061097347. 8[P]. 2006-10-31.

[10]陈永辉，王新泉，刘汉龙，等.塑料套管混凝土桩及其加固处理软土地基的方法：200910024639. 2[P]. 2009-02-25.

[11]陈永辉，曹德洪，马文彬，等.塑料套管混凝土桩：200920036795. 6[P]. 2009-02-25.

[12] JGJ106—2003 建筑基桩检测技术规范[S].

[13]叶观宝，李志斌，徐超，等.桩土应力比曲线的机理分析[J].勘察科学技术，2004（3）：3-5.（YE Guanbao，LI Zhibin，XU Chao，et al. Mechanism analysis of pile-soil stress ratio curve [ J]. Site Investigation Science and Technology，2004（3）：3-5.（in Chinese））

Single-wall corrugated PVC plastic tube-based cast-in-place concrete pile technology and field tests/ /

QI Changguang1，GUO Wei2，CUI Yunliang3（1. Faculty of Architectural，Civil Engineering and Environment，Ningbo University，Ningbo 315211，China；2. Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；3. City College，Zhejiang University，Hangzhou 310015，China）

Abstract：The composition，characteristics，construction equipment，construction process，and quality inspection method of cast-in-place concrete piles（TC piles），with single-wall corrugated PVC plastic tubes used in the construction process，are introduced. In combination with the soft foundation project of the Lianshi-Hangzhou section of the Shen-Jia-Hu-Hang Expressway reinforced by TC piles，the distribution and variation of the soil stress on the top of pile caps，and that between and under pile caps were compared and analyzed based on observations by embedded earth pressure cells and rebar stress meters. Variation curves of the pile-soil stress ratio and load sharing ratio against the filled load were obtained. The results show that the embankment load is gradually transferred to TC piles，and the pile-soil stress ratio increases first and then decreases as the height of embankment is increased. During the measurement period，the pile-soil stress ratio and load sharing ratio of TC piles tend to increase.

Key words：concrete pile；soft ground treatment；bearing behavior；pile-soil stress ratio；field test

收稿日期：（2014 10 29 编辑：郑孝宇）

作者简介：齐昌广（1986—），男，讲师，博士，主要从事桩基工程和透明土试验等研究。E-mail：qichangguang@163. com

基金项目：浙江省自然科学基金青年基金（LQ15E080002）；国家自然科学基金（51508282，51508507）

中图分类号：TU473

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0066 05