时美超
(廊坊市廊沧高速公路廊坊事务中心,河北 廊坊 065000)
某公路工程中的第一合同段,路线全长11.562km,桩号K3+240—K3+325.5段为软土地基,以粉土和粉质黏土为主,结合软土的性质,经过技术经济性比选后,最终决定采用预应力管桩对该软土地段加以处理,提高承载力,满足路基施工需要。下面重点对该公路中的预应力管桩施工技术及检测要点展开分析。
2.1.1 前期准备
(1)为加快施工速度,在指定的工厂对预应力管桩预制加工,依据运输条件、打设深度,对每一段的桩长合理确定。制作好的预应力管桩在出厂时,必须三证齐全,并附有质检报告等资料。
(2)在施工现场修建临时便道,为材料运输提供便利条件;选取坚实、平整的场地,堆放预应力管桩,到场的管桩要按照规定要求整齐堆码;配备静力压桩机1台,使用前要检查桩机的性能,看是否完好,各项技术指标是否满足施工需要,发现问题及时处理,避免带病作业。
(3)由工程技术人员以书面的形式,向参与施工的人员进行技术交底,包括岗位分工、施工顺序、技术标准、质量要求等内容。
2.1.2 确定技术参数
软土深度超过8.0m的路段较为适合预应力管桩,平面上,可以采用四边形布置,桩间距控制在2.5m左右,过渡段的桩间距可适当增加,最大不宜超过3.0m。对于管桩长度超过20m的过渡段,可以采用变桩长的方法处理,每排递减1.0m[1]。打入桩可以选用直径为0.4m的薄壁预应力混凝土管桩,壁厚为6.0cm,桩身采用强度等级为C60的混凝土,技术指标应当与招标文件及设计图纸的规定要求相符。桩帽采用强度等级为C30的混凝土,以现场浇筑的方法一次成型,尺寸与技术指标应当与设计要求相符。
2.1.3 施工要点
(1)当预应力管桩的混凝土高度全部达到100%后,且质量检查合格,便可出厂。由专用的车辆将管桩运至施工现场后,采用吊装的方法装车,为确保吊装过程中管桩平稳,可以选择两支点法,或是两端钩吊法。本工程中选用的是两支点法,两个吊点与桩端的距离控制在0.21L(L代表管桩的长度)为宜,绳索与管桩桩身的水平交角应达到45°以上[2]。
(2)在起吊、装卸及运输管桩的过程中,要确保平稳,避免碰撞;运输堆放时,支点位置与桩的两端应保持0.21L。采用汽车运输管桩时,应按照规定要求堆放,总层数不得超过3层,使用钢缆和钩绳将管桩支点附近封闭,避免运输途中车辆颠簸导致管桩滚动。堆放管桩的场地要坚实、平整、无积水,不得存在不均匀沉陷的现象,管桩地层二面外侧用楔形挡板支挡,避免滚落。
(3)管桩混凝土的强度达到100%,并经过蒸汽养护后,在常温条件下静置7d便可施工。本工程中,采用静压沉桩的方法施工预应力管桩,要确保桩架平稳、牢固,桩身垂直,插入时垂直度的最大允许偏差为0.5%,可在距离桩机20m左右的位置处布设一台经纬仪,据此对导杆和桩身的垂直度加以测定[3]。静压沉桩的桩架要按照稳定并有重量配置压重,确保压桩机在打桩时的机械性能良好。按设计要求沉桩,先打路中,然后隔行跳打,防止出现挤土现象。单桩一次性沉至控制标高,中途不宜停歇过长时间,以免影响沉桩效果。
(4)采用焊接的方法接桩时,应当确保焊接钢板表面洁净,桩端与地面之间的距离控制在1.0m左右。接桩的过程中,可以用定位板将上下桩接直,施焊前,使用楔形铁片将上下桩的间隙填塞密实,随后牢固焊接。要保证上下桩的中心线偏差在允许范围内,即不大于5.0mm,焊接过程中,要采取有效的措施,避免焊接变形,焊缝应饱满且连续,焊接完毕后,要将焊渣全部消除,并对焊缝加以检查,看饱满度是否达标,发现问题及时处理,以免影响接桩质量。需要注意的是,当沉桩遇到难以穿透的土层时,接桩应在桩尖穿过该层后施焊。
(5)当管桩沉至控制标高后,若是不需要截桩,则可与桩帽相连接,具体做法如下:用桩帽的连接筋与钢板牢固焊接,随后将桩顶插入桩帽即可。需要截桩的管桩,可在截断后,将垫块下入管内,再下放钢筋笼,最后使用与桩帽标号相同的混凝土灌注。
2.1.4 技术措施
(1)为确保用于施工的管桩质量合格,应在管桩进场前,采取随机的方式抽检,确认合格后,方可进场并在施工中使用,所有进场管桩均应填写进场使用台账。以设计文件中给出的桩基深度作为主要依据,确定管桩的节段,即24m的桩基,以3节段为宜;12m的桩基,可采用1节段管桩[4]。施工时,根据长桩在下、短桩在上的原则,确保桩身的稳定性。
(2)压桩作业开始前,先用钢丝绳将桩身绑好,缓慢移入桩机,随后将桩机调平,利用经纬仪检测垂直度,确认达标后,便可压桩。第一节管桩压入土中50cm左右后,要对桩身的垂直度加以检查,发现偏差及时校正,随后开启压桩设备,对压桩时间准确记录,要保证压桩连续不间断,速度控制在1.0~2.0m/min[5]。
(3)管桩接桩的过程中,要使桩头略高于地面,并在下节桩的桩端加装定位板,再将上节桩吊放至下节桩端板上,借助定位板使上下节桩连接顺直,最大允许偏差为5.0mm。当上下桩存在间隙时,要在填塞后牢固焊接。在对管桩施焊前,应将待焊接的部位清理干净,露出金属光泽,采用分层的方法施焊,利用点焊对坡口四周对称焊接,以4点为宜,可由两名焊工同时操作,确保焊接层数不少于2层,焊接时,要将层间的焊皮清理干净,以免影响焊接质量。焊好的桩接头在自然冷却后,涂刷防锈漆。
(4)使用高精度水准仪对地面标高加以确定,并在送桩杆上做好标记,施工时全程跟踪,随时对送桩深度加以检查。在送桩器的下端位置处加设桩垫,要确保厚度适宜,并与桩顶全断面接触。根据设计压桩力的1.5倍送桩,达到高程后,持荷10min,当沉降量低于2.0mm/min时,便可结束送桩[6]。
2.2.1 检测项目
预应力管桩检测是一项较为系统的工作,为确保检测工作的有序开展,要明确具体的检测项目,包括混凝土的抗压强度、预应力管桩的外观质量、尺寸偏差以及坑裂性能等。不同的检测项目适用不同的标准,其中抗压强度检测的执行的标准为《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107—2010);管桩外观质量检测,以连续生产3 000m为一个批次,采取随机抽检的方法,抽检数量为10根,执行的标准是《先张法预应力管桩》(GB13476—2009);管桩的抗裂性能和抗弯性能检测,全部执行GB13476—2009标准,其中抗裂性能检验应在外观质量检验合格的管桩中,以随机的方法抽取2根作为检测对象。
2.2.2 检测方法
管桩检测常用的方法有两种,一种是静载试验法,另一种是动测试验法。在公路工程软基处理中,为确保预应力管桩的整体质量,必须保证单桩竖向抗压承载力达标,所以,本工程中选取静载试验法检测管桩。
2.2.3 检测设备
预应力管桩检测中,单桩竖向抗压静载试验是重要项目,在该试验检测的主要设备为千斤顶,其加载反力装置如下:
(1)锚桩横梁反力装置。该装置由以下几个部分组成:锚桩、梁(主梁和次梁)、千斤顶、测量仪表等。要求锚桩与反力梁提供的反力不小于最大试验荷载的1.5倍。
(2)压重平台反力装置。该装置由以下几个部分组成:支墩、横梁、千斤顶、钢锭、测量仪表等。要求压重量不少于试桩破坏荷载的1.2倍,并在试验检测开始前,一次性施加压重,使其均匀、稳固置于平台上。
2.2.4 确定单桩承载力
预应力管桩竖向承载力是按照桩身的额定强度予以确定,可以通过经验公式估算,并以现场静荷载试验的方法确定。由于管桩的外径、壁厚有所差别,加之混凝土的强度等级不同,从而使得管桩的承载力也不相同。对于管桩桩身的额定强度,采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中国际通用的计算公式验算,具体如式(1):
式中:σ为桩身的垂直压力;R为试块的极限抗压强度;σpc为桩身截面上混凝土的有效预应力[7]。
2.2.5 检测结果
(1)采用随机的方法,抽取不少于管桩总数20%的桩作为试验检测对象,通过低应变动力检测发射波法检测管桩,主要目的如下:借助动力检测对桩基的质量加以检查,具体包括桩身完整性、混凝土品质、单桩承载力等。本次检测所得的结果为纵波的波形曲线呈现出良好的规律性,桩间为出现明显的反射波,所有检测的管桩均可观测到桩底反射波信号,由此说明检测的管桩桩身完整,节段之间连接完好,无质量缺陷,经推算单桩混凝土的抗压强度及承载力均达到设计要求。
(2)采用工程桩开展静荷载试验检测,并在综合考虑各方面的影响因素后,如动测结果、施工状况以及管桩在现场的分布情况等,选取3根桩做测试,它们的静载均为施加荷载至2.0倍承载力特征值时停止载入,以静力加压的方式,获取试桩的荷载与沉降关系曲线,据此评定管桩的承载力。3根试桩在各荷载作用下,桩身周围的摩阻及桩端承载力均发挥正常,表明桩身的质量优良,桩顶沉降小,P-S曲线平稳,实际承载力超过设计要求的承载力特征值。
在预应力管桩施工中,受到一些因素的影响,常常会出现各种质量缺陷,如断桩、沉桩不到位、桩顶位移、桩身倾斜等。
2.3.1 断桩的处理
预应力管桩沉桩过程中,桩身突然发生错位的现象,桩端土质无变化,贯入度增大时,桩身回弹,由此可能造成断桩,究其根本原因如下:在施工阶段,桩身发生弯曲且幅度较大,受到集中荷载的影响,使得桩身无法承受抗弯度,当压应力超过混凝土的极限抗压强度时,混凝土便会破碎,进而引起桩身断裂;用于管桩预制的水泥标号过低,砂石骨料中含泥量超标、石子中含大量的碎屑,会导致桩身的强度不足,施工中便会断裂。针对断桩问题,可以采取如下措施加以防治:预应力管桩施工前,将现场一定深度范围内的障碍物清除干净,沉桩时,发现桩身垂直度偏差过大,要及时纠偏,当桩身打入一定深度后出现倾斜现象时,不要移动桩架纠偏[8]。上下桩接桩时,要确保在同一轴线上,严格按照规定要求操作。普通的预应力管桩应在达到设计强度后,经过一段时间的养护,提高桩身的强度,以有效防止断桩的情况发生。施工阶段发生断桩事故后,应与设计人员共同研究处治方案,结合现场实际情况,采取补桩的方法处理。
2.3.2 沉桩不到位的处理
公路软基处理中,预应力管桩在设计时,是以最终的贯入度及标高作为施工控制依据。但在有些情况下,会出现沉桩达不到设计要求的现象,具体原因如下:现场布设的勘探点位数量不够,或是勘探资料不详细,导致管桩设计时,在持力层选择方面出现问题;桩机的配重不合理,致使管桩无法沉到或是超过控制标高;打桩时将造成断桩,无法继续打入。此类情况可以采取如下措施预防:施工正式开始前,对现场做详细勘探,如有必要,则应补勘,依据设计要求,正确选择持力层,避免桩身断裂,打桩过程中,对桩身的变化情况予以密切关注。
2.3.3 桩顶位移的处理
预应力管桩沉桩过程中,邻桩发生横向位移或是上升的情况,导致该问题的具体原因如下:管桩的数量过多,桩间距过小;沉桩时,土被挤密而向上隆起,邻桩随之被涌起;软基处理中,因沉桩引起一定的空隙压力,这部分压力将邻桩推向一侧;桩位测量放线的精确度不够,偏差过大,桩位标志在施工中丢失或是偏位,导致管桩错位。对此可以采取如下措施加以预防:沉桩与基坑开挖错开施工,在不影响工期的前提下,应待沉桩完成后10d左右开挖基坑,在基坑开挖时,要做好排水措施,并留设边坡,挖出的土方不得堆放在基坑边缘。合理设置桩位,做好复查,发现问题及时处理。
2.3.4 桩身倾斜的处理
桩身倾斜是预应力管桩施工中较为常见的问题,具体是指桩身的垂直度偏差过大,导致该问题的主要原因如下:施工现场地面的平整度不够,存在较大的坡度,桩机就位存在倾斜现象;送桩器与桩帽和桩身不在一条直线上。对此,可采取如下措施加以预防:平整场地,桩机就位后调平。
预应力管桩在公路软基处理中具有良好的效果,具体应用时,应熟练掌握管桩施工技术,并在管桩施工完毕后,加以检测,以确保质量达标,从而使管桩在软基处理中的作用得以充分发挥。