钢管混凝土管桩在工程中的应用

2022-10-08 01:26毛永平季永光
广东建材 2022年9期
关键词:单桩管桩薄壁

毛永平 季永光

(建华建材科技(广东)有限公司)

0 引言

钢管混凝土管桩(以下简称SC 管桩)是采用牌号为Q235B、Q355B 或Q500B 的钢板(钢带)经卷曲成型焊接制成的钢管内浇注混凝土,经离心成型,混凝土抗压强度不低于80MPa,具有承受较大竖向荷载和水平荷载的新型基桩制品。钢材拉压强度高、弹塑性好、但易失稳屈曲,而混凝土抗压强度高、抗拉能力弱。离心钢管混凝土充分发挥二者的优点,钢管借助内壁混凝土增强其稳定性,混凝土借助钢管的环向约束作用,处于三向应力状态,抗压强度大幅度提高。这种新型的管桩充分利用钢材和混凝土两种材料的特性,其抗锤击能力比PHC 管桩好,又能穿透较厚的较硬土层,而桩材的生产成本又较钢管桩(SP 桩)或钢管混凝土灌注桩(SCP 桩)节省,不但有钢管桩的韧性和较高的抗拉强度,还具有PHC 管桩强度高、价格合理的优点,技术经济效益显著。

国内相关的标准有:《水运工程预制高强混凝土薄壁钢管桩设计与施工规程》JTS167-15-2019,电力行业标准《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》DL/T 5030-1996;宝山钢铁股份有限公司编制的企业标准Q/BGJ019-2005《TSC 管桩(薄壁钢管离心混凝土管桩)产品质量验收规程》和Q/BGJ020-2005《TSC 管桩(薄壁钢管离心混凝土管桩)施工与质量验收规程》;行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272。SC 管桩在国内主要用于码头或海洋平台高桩承台建设时使用800~1200mm的大直径SC 管桩,而小直径的SC 管桩在上海宝钢和天钢高炉建设中应用。针对SC 管桩的钢管与混凝土的粘结强度、抗弯及抗剪的理论计算实验验证、抗震性能等研究很少。

日本为地震频发的国家,SC 管桩是一个成熟产品,用量在预制桩基础中占比为5%左右,而且桩基设计一般采用组合桩的形式,从下到上一般采用PHC、PRC 及SC 管桩的组合形式,与承台连接的桩采用SC 管桩。SC管桩直径从400mm 至1200mm 均有应用。同时在日本,对于SC 管桩根据采用的混凝土强度不同,分为80MPa 和105MPa 两种类型。

图1 钢管混凝土管桩(SC 管桩)

1 既有成果

同济大学的吕西林院士、宝钢的王怀忠博士等基于宝钢的四号连铸机、三热轧、五冷轧等项目的建设,对9组400mm 和600mm 的SC 管桩进行粘结、抗弯实验和1:3 短柱实验,同时对12 组已施工的桩基进行抗压、抗拔静力实验,实验表明:①钢管与混凝土间的粘结强度约为3.44MPa;②弹性抗弯弯矩为行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272 中规定的极限弯矩值的1.1 倍,抗弯能力被严重低估;③短柱抗压实验值为设计值的1.5 倍;④抗压、抗拔静力实验值满足设计要求。可替代原设计的400 直径的钢管混凝土灌注桩,经济优势明显。

合肥工业大学的周安教授等对20 组400 直径的SC 管桩进行钢管与混凝土的粘结、抗弯实验、抗剪实验、填芯和不填芯构件抗震实验及有限元模拟。实验结果表明:①粘结实验中破坏状态为混凝土压碎,钢管与混凝土间的粘结强度约为4MPa,大于钢筋混凝土中钢筋与混凝土的粘结强度3.0~3.5MPa,在压弯或轴压状态下,钢管和混凝土间不会产生滑移。依据文献《宝钢工程长桩理论与实践》,管桩打入施工时钢管与混凝土之间产生的最大剪应力在0.04~0.05MPa 范围,该值远小于界面抗剪强度试验结果,因此SC 管桩的锤击沉桩施工不会导致钢管与混凝土发生界面粘结失效;②抗弯实验时其挠跨比小于1/250,极限抗弯实验值远大于行业产品标准《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JG/T 272 中规定的极限弯矩值,实验值与理论值之比大于1.48,行业标准中的极限弯矩制定过于保守,与实际不相符。破坏形式为变形不收敛,钢管未出现拉裂现象。③抗剪实验值的极限值远超理论计算值3 倍以上,破坏形式为局部压碎。④抗震实验中,随着位移分级加载的增大,钢管根部拉压屈服,并产生塑性残余变形,这种残余变形在反向加载时不能恢复,导致屈曲变形,由于内部混凝土的支撑作用,屈曲表现为外凸变形,随着反复交替拉压变形,首先螺旋焊缝撕裂,内部混凝土破碎成颗粒状溢出,桩的抗弯承载力开始明显下降,最后钢管横向疲劳断裂,抗弯承载力突降,达到承载力极限。⑤填芯对于抗震性能几乎无影响。位移延性系数为4.2~4.6,极限变形是常规等径管桩的3 倍以上。极限承载力是常规等径管桩的3 倍以上。

实验及应用案例表明,SC 管桩具有卓越的抗压、抗弯、抗震能力,桩身强度高,同时具有良好的抗锤击能力和抗变形能力。在广东省内普遍存在的岩溶地区、上软下硬、坚硬中微风化夹层、表层土含抛石等复杂地质环境下可选用,超高层建筑的桩基工程,以及在常规PHC和PRC 难以满足的深基坑支护工程,给设计提供更多的选择。

SC 管桩可单独使用,可与其它如PHC 和PRC 等组合使用,等径或不等径的组合桩连接大样如图2、图3所示,同时也可在更大直径的搅拌桩内插入SC 管桩形成劲性复合桩,使用环境有如下情况:①表层土含抛石时,可使用SC 管桩作为最底节使用,穿透表层土后,再连接其它相对性价比更高的预制桩形成组合桩,SC 管桩和其它桩可等径或不等径,充分利用其抗锤击能力强和穿透能力强的特点;②存在上软下硬、坚硬中微风化夹层时,可全长使用SC 管桩;③岩溶地区存在烂桩率高的问题,部分项目采用SC+PHC 组合使用,可有效控制成桩,承载力可保证;④水泥土搅拌桩内插入SC 管桩或预钻孔后植入SC 管桩,可充分利用更大直径搅拌桩提供的外侧摩阻力,发挥SC 管桩桩身强度,提高单桩承载力,减少桩数或减少SC 管桩直径,在超高层建筑中有利于桩基的布置。

图2 等径SC 和PHC 焊接接桩

图3 不等径SC 和PHC 焊接接桩

用于中、强腐蚀环境下的SC 管桩的钢管应进行防腐处理,根据陆上工程、海港和河港工程的不同使用条件,采取下列防腐措施:①增加钢管壁厚预留腐蚀余量;②防护层保护,即外壁采用热喷涂锌(铝)加环氧沥青油漆封闭,或加覆多层防腐涂层;③水下采用阴极保护如外加电流或牺牲阳极。④选用耐腐蚀钢种。

2 工程应用

佛山市某养殖厂房项目,建筑场地位于广东省佛山市三水区。地处珠江三角洲平原腹地,地貌形态单一。场地地形起伏变化不大,16.6 ~16.7m,最大高差约0.10m。建筑场地所处区域地层为下石碳系(C)灰岩,场地未发现全新世活动证据。根据钻探揭露,场区内未发现有断裂迹象。根据本次岩土工程勘察工作,未发现新的构造断裂通过。主要土层分布:①素填土:灰褐色,由粘性土,砂土等,近几年堆积,湿,松散,平均值4.38m。②粉质粘土:灰,可塑~硬塑,含中粗砂,干强度中等,韧性中等,平均值3.70m。③粉质粘土:灰,软塑~可塑,含粉细砂,干强度中等,韧性中等。平均值6.12m。④微风化灰岩:灰,白,较完整,隐晶质结构,块状构造,呈柱状,岩质坚硬。平均值4.17m。

地质剖面图如图4 所示,因岩层为微风化岩层,属于典型的上软下硬土层,管桩难以贯入,桩端放置于岩面。本工程初步设计时,管桩选型为PHC500125AB,单桩承载力特征值取值为1600kN,单桩长度14~20m。因管桩无法嵌入微风化层,端阻的取值很低,基本以端承摩擦桩进行设计,故单桩取值很低。静压管桩至岩面,由于岩面的起伏不定,桩长难以预估,加压施工使桩端至岩面时,桩头容易出现倾斜而爆裂,导致断桩,特别是存在的接桩时的底节桩出现爆头的几率非常高。初期施工时,断桩率高达10%,后经设计优化调整:①降低单桩承载力,单桩承载力特征值改为1400kN;②单节桩的桩头部分加强;③两节桩的底节采用SC 桩。调整设计方案后,断桩率降至0.1%。顺利完成桩基施工。

表1 土层物理力学参数

图4 地质剖面图

图5 SC+PHC 组合桩

3 结论

通过钢管混凝土管桩的构造及国内外的试验研究进展进行简要介绍,结合工程应用进行验证,得出以下结论:

⑴SC 管桩的钢管与混凝土之间具有良好的粘结性能,施工阶段和使用阶段的钢管与混凝土不会发生界面粘结失效;

⑵相对于管桩,SC 管桩的抗压性能、抗弯性能和抗震性能卓越。同时具有良好的抗锤击能力和抗变形能力;

⑶管桩在特殊地质如上软下硬和岩溶地区等应用时,桩端遇到坚硬岩层或者桩端遇到斜岩倾斜时出现破损,可采用SC 管桩和PHC 管桩组合桩。岩溶发育充分时宜降低单桩承载力。

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