预应力混凝土管桩加固软弱地基施工技术探析

马凯

（长治市建筑工程总公司， 山西 长治 046000）

在科技进步、 桩基类型多样性、 用料性能更新、工艺完善的大环境下， 高层建筑项目逐渐增多， 对桩基础工艺方法、 承载能力、 沉降量控制提出了更严格的要求。 实际工程操作时， 工程规划人员需以更强承载力、 高效工艺流程、 较低的施工成本， 获取优质高层建筑。 为此， 针对软土地基区域的施工困难， 积极发挥高强管桩工艺价值， 势在必行。

1 管桩概述

1.1 管桩类型

管桩按混凝土强度等级及壁厚分为： 预应力高强混凝土管桩（代号PHC）、 预应力混凝土管桩（代号PC）、 预应力混凝土薄壁管桩（代号PTC）。 PHC桩混凝土强度等级不低于C80， PC桩和PTC桩混凝土强度等级不高于C80 但不低于C60。 PHC、 PC桩壁厚一般为75 ～130mmmm， 大直径桩壁厚可达150mm，PTC桩壁厚较小， 一般为55 ～70mm。 管桩按外径主要分为300、 400、 500、 550、 600、 800、 1000mm等规格。 管桩按抗弯性能或有效预压应力值分为A型、AB型、 B型和C型等， 其有效预压应力值分别为4、6、 8、 10MPA， 其计算值应在各自规定值的范围内，管桩的抗弯性能应符合附录C的规定。 预应力混凝土薄壁管桩主要考虑承受纵向压力， 其抗弯性能应满足管桩吊运和堆放要求。

预应力管桩的管桩分类： 预应力管桩按外径分为300、 350、 400、 450、 500、 550、 600、 800mm 和1000mm等规格， 实际生产的管径以300、 400、 500、600mm为主。 预应力管桩按桩身抗裂弯矩的大小分为A型、 AB型和B型。 A型的有效预应力约为3.5 ～4.2Mpa， AB型为5.0Mpa， B型约为5.5 ～6.0Mpa，一般管桩有4 ～5Mpa的有效预应力， 打桩时桩身混凝土可有效地抵抗打桩拉应力， 所以， 对于一般的建筑工程， 选用我国规定的A或AB型的管桩就可以。 根据成桩方法可分为锤击桩和静压桩。

管桩还可以按使用功能分为竖向抗压桩、 竖向抗拔桩、 水平受荷桩和复合受荷桩。 竖向抗压桩主要承受竖向荷载， 是主要的受荷形式。 根据荷载传递特征， 可分为摩擦桩、 端承摩擦桩、 摩擦端承桩及端承桩四类。

1.2 管桩强度

预应力管桩强度需高于C50， 薄壁型产品强度需高于C60， 高强管桩的产品强度应大于C80。 前两种管桩的后续养护方法， 以常压蒸汽为主， 在养护28d后方可进行管桩施工。 高强管桩使用时， 需在高压釜中进行养护， 养护方法： 蒸压度数为180°， 用料强度达到C80。 高强管桩成型后运至工程区需3d。

2 高强管桩的工艺方法

2.1 锤击法

在高强管桩工艺操作中， 沉桩处理尤为关键， 锤击法适用于沉桩环节的常见方法。 锤击法的工艺优势： 打桩机整体质量较小， 对于工程区地基要求较低， 适用于软土区域施工； 打桩机整体性能优异， 能够保障管桩的沉桩处理效果， 符合软土区域的加固需求。 沉桩处理会形成一定冲击荷载， 管桩在荷载的作用下， 顺利穿过砂层、 砾石层等， 更适用于沉桩深度高的项目。 锤击法工艺的主要设备有： 桩架、 驱动设备等。

桩锤选择是工艺应用的关键点， 选用规则为： 锤头类型以“柴油锤为主”， 型号有七种； D25 型锤头，冲击质量m为2.5t， 锤头质量总和M为6.5t， 击打形成冲击作用P约为2200kN， 使用的管桩直径d 为[350， 400] mm； D35 型锤头， m＝3.5t， M ＝7.2t，P＝[2500， 4000] kN， d ＝[400， 500] mm； D56型锤头， m ＝4.5t， M ＝9.6t， P＝[4000， 5000]kN， d ＝[500， 550] mm等。 各类锤头的使用冲程介于1.8m与2.3m之间。 结合工程需求选择对应锤头， 保证沉桩质量。

锤击沉桩效果主要取决于锤头、 桩身性能、 桩群密度、 沉桩次序等各类因素。 锤击沉桩也有局限性，如在居民聚集区施打， 由于锤击声音较大， 产生噪声污染从而发生扰民现象。

2.2 静压法

运行静力压桩设备进行沉桩处理的工艺称为静压法。 压桩操作中应借助静压机的自身质量， 启动液压装置操作管桩， 使管桩深入土层中。 静压法的工艺优势： 施工噪音较小、 设备无振动、 工艺全流程零污染、 工艺操作速度快， 可持续进行压桩操作， 减少工期。 在工艺使用时， 送桩设备能够有效贴合于桩头，可减少压桩操作的晃动问题， 保证送桩深入性。

静压桩工艺送桩终止操作的判断依据： 管桩种类、 现状地质状况等。 端承类型的管桩， 在桩端处于持力层后暂停送桩操作。 摩擦类型的管桩， 应加强桩长控制， 终压作用力需高于单桩可承受的最大作用力。 稳压送桩用时介于5 ～10s之间， 再次送桩次数结合管桩长度确定， 可进行2 ～5 次。

2.3 压桩次序

压桩次序可设中心处为桩身压入起点， 逐一向外打桩， 逐圈进行对称桩位的压入操作， 以此有效控制桩侧面形成的操作压力， 间接减少沉桩涌气量。

3 高强管桩的质量检测方法

3.1 检测方法

管桩施工完成需进行质量检测， 检测项目包括：承载力、 单桩质量、 桩体竖向位移、 桩位水平偏差。承载性能的检测项目， 可使用静载检测方法， 检测总数＝管桩压入量×1%， 且检测数量不可少于3 个。单桩自身质量的检测工作， 可使用低应变法， 检测桩体个数＝管桩压入量×20%， 检测最小值为10。 竖向桩身偏斜性的检测数量＝管桩压入量×5%， 偏差角度需控制在1%以内。 桩体位移采取全数检测方式，检测标准： 1 ～3 根的管桩组合， 中位桩位偏差最大值为100mm； 4 ～16 根的管桩组合， 中位桩位偏差＝桩径×1/2， 外侧管桩偏差＝桩径×1/3。

3.2 缺陷桩基的应对方法

3.2.1 桩体缺陷处理

在管桩低应变测定时， 如果发现有缺陷桩基， 需进行进行桩基处理。 1） 如果桩身缺陷程度较小， 可结合工程周边地质实际情况， 进行桩体挖检， 从缺陷桩段位置起进行上部桩身的去除， 再次检测剩余桩体性能。 如果剩余桩体符合检测要求， 可进行接桩操作。 接桩施工期间， 操作人员需外包用料至少0.5m，使用的外包用料强度最低为C30， 确保桩基拼接质量。外包操作的桩体外径需大于原有桩体直径， 可取300mm的直径添加参数； 2） 针对其他类型的缺陷桩，使用至少C30 级别的用料， 开展灌芯补偿。 如果桩基的桩尖类型为“封闭式”， 补芯长度＝桩基整长。 如果桩基的桩尖类型为“开口式”， 补芯长度需覆盖缺陷处2m。

3.2.2 倾斜度问题处理

管桩倾斜具有较高的发生频率， 具体表现为： 桩身垂直角度较大， 不符合施工要求。 施工区域内表现出场区地面平整性不足、 坡度角度较大等情况。 如果在前期并未给予有效处理， 将会提升桩身发生倾斜问题的可能性。 在接桩处理后， 会继续增大桩身与地面垂直的偏差性。 在沉桩前期， 会给予基坑开挖操作。如果挖土操作不规范， 施工达不到标准条件， 会引起桩身侧面整体受力表现出差异性。 尤其在软土层较厚的施工区域内， 如果开挖深度较小， 极易形成桩身倾角过大问题。 在施工期间， 需把控操作面的平整性。如果部分区域的土质松软性较为严重， 无法保障操作面质量， 需增设垫木， 进行操作面修缮， 以此稳定桩身角度。 管桩检测结果如果有管桩倾斜度较大的问题， 需对全数管桩开展垂直角度检测， 针对竖向倾斜度不小于1%的桩， 开展低应变测定。 针对竖向倾角大于3%的管桩进行作废处理， 重新压桩施工。

3.2.3 桩位位移较大问题处理

管桩检测是保证整体地基加固性能的关键流程，如果检测发现管桩位移量较大， 超出偏差允许条件，需结合管桩最新方位核定各组管桩的承载力。 如果各桩承载力差距较大， 需进行补桩施工。 如果桩基向中心位移， 引起桩间距较小问题， 需重新核定单桩承载力。 在承载力重算时， 依据各桩体之间的间距， 给出最小桩间值， 以此数值作为直径， 进行重叠区域的核算， 可确定桩基承载受力的折减参数， 对各桩基进行受力折减。 受力重算后， 针对外围减少的承重桩数，依据受力折减数值进行管桩补充， 保持外侧管桩数量的充足性， 维持工程整体的支护加固效果， 减少支护受力不均问题。

3.2.4 防控邻桩上浮

沉桩施工时极易发生邻桩浮起问题。 沉桩施工时会形成一定挤土现象， 致使地面部分位置隆起， 多发于土层较为密集的区域。 其他发生此种现象的工程，存在施工操作失误问题， 比如沉桩未给予有效规划、施工操作规范性不强等。 设计人员需结合工程的实际情况， 参照桩体属性， 结合现场实况， 合理控制高强管桩的间隔大小， 保证间距设计的合理性。 施工人员按照规范、 结合现场实况进行施工作业。

3.2.5 爆桩的预防方法

管桩施工时可能会发生爆桩事件， 产生此种现象的原因： 桩身质量较低， 难以承担前期设定压力。 建材采买是把控建材性能的关键流程。 多数厂家为控制采买支出， 选择的材料质量较差， 在人为操作不规范、 机械有故障的情况下， 会增加桩身质量问题， 引起桩身质量较低， 难以承受预设力量， 发生爆桩问题。 产生爆桩的其他原因有： 地质层变动， 在短时间内提升了地层压力， 引起管桩受力超出自身承载值；现场人员管桩作业规范性不足、 送桩操作有失误等，均会引起爆桩问题。 爆桩的防护方法： 在管桩施工前期， 加强流程管控， 减少不利因素， 降低爆桩可能性。 1） 开展用料管理工作， 选择诚信供应商， 保证供货质量； 2） 加强工人操作专业性管理， 使其明确高强管桩的工艺内容， 提升操作规范性。

4 地基加固的工艺对比分析

4.1 工程地质情况

1） 长子县城中村同改造昱E区建设项目地貌特征情况。 拟建场地原为长子二中， 本场地原为水塘，大部分被垃圾土回填， 剩余直径约32m， 深约6m水塘， 塘内仍有存水。 场地整体地势为中部低， 东、 西侧高。 勘察范围最大高差7.66m。 场地地貌单元属河流冲积平原区。

2） 工程地质勘测分析第一层： 杂填土， 成分主要以砖块、 水泥块等建筑垃圾及煤渣、 炉渣灰等生活垃圾为主。 场地中部、 南侧该层揭露较厚， 厚度4.7m， 为人工无序堆积， 堆积时间小于10 年。 第二层： 粉质粘土， 含云母、 氧化物等， 夹有少量钙质结核， 偶见姜石， 夹有少量薄层粉土、 细砂； 厚度13.92m。 第三层： 粉土， 含云母、 氧化物等， 混有少量细砂， 厚度3.22m。 第四层： 粉质粘土， 含云母、氧化物等， 夹有少量姜石， 厚度5.38m。 第五层： 粉土； 混有少量细砂， 土质不均， 厚度7.04m。 第六层： 粉质粘土， 含云母、 氧化物、 黑色斑点有机物质等， 夹有少量姜石； 厚度10.01m。 第七层： 粉土；含云母、 氧化物等， 夹有少量细砂， 厚度12.83m。第八层： 粉质粘土， 含云母、 氧化物等， 夹有少量细砂、 姜石； 厚度10.71m。 第九层： 粉质粘土， 含云母、 氧化物、 黑色斑点有机物质等， 偶见姜石颗粒；厚度11.39m。 本次勘察均未揭穿该层， 最大揭露厚度12.1m， 最大揭露深度65m。

4.2 地基选型方案

本工程内的施工任务为： 项目规划用地面积24043.44m， 总建筑面积89402.94m， 地上建筑面积72868.38m， 地下建筑面积16534.56m。 建设内容包括6 栋住宅楼（4 栋26 层， 高度79.8m； 2 栋17 层，层高51.3m）、 地下车库及1 栋幼儿园。 此项目具有上部结构载荷量较高、 自重大、 弯矩值大的特点， 对于项目整体结构平稳性、 抗倾覆、 抗不均匀沉降各项性能的要求较高。 结合本项目周边情况的勘测资料，项目部组织了专家论证， 论证结果为此区域具有软土地质特征， 需先对区域内水塘进行地抽水后素土换填淤泥土， 然后有两种基加固处理方法选用， 第一种采用复合地基处理方法； 先对软土地质灌浆改良后施打CFG桩。 第二种桩基础。 通过本工程现场情况考及经济的比选， 专家组一致认为桩基础加固本工程软土地基最为合理。

4.3 桩基施工工艺及比选

桩基类型分为预制管桩、 钢筋混凝土灌注桩两种桩型， 预制管桩和钢筋混凝土灌注桩都能满足工艺要求的情况下， 项目部选对预制管桩和灌注桩进行了对比。

1） 高强管桩工艺。 在国内高强管桩制作， 多数采取先张法工艺。 生产高强管桩是借助先张法、 离心、 高温养护等工艺， 获取性能优异、 强度较高的管桩构件； 高强管桩沉桩方法有两种， ①锤击沉桩； ②静压沉桩。 管桩基础具有工序简单、 操作简易、 高速成型等优势。 多数情况下， 在软土地质区域内可缩短桩基施工用时。 施工工艺： 定桩位（测量、 编号、 复合） →压桩机到位（确定型号、 标定技术参数） →吊桩、 对中（控制吊点、 垂直度） →焊桩尖（查焊接）→压第一节桩（确保桩垂直度） →焊接接桩（查电焊工资质、 焊条、 焊序、 焊接层数、 质量、 自然冷却时间等） →压第N节桩（进行全过程测量、 调控） →送桩、 终桩（对送桩压力与标高进行双控） →移机（地压耐力、 压桩顺序） →截桩（锯桩器截割） →记录、 核查压桩及桩基检测相关资料。

2） 钢筋混凝土灌注桩工艺： 场地平整→桩位放线→开挖浆池、 浆沟→护筒埋设→钻机就位、 孔位校正→成孔、 泥浆循环、 清理废浆、 泥渣→第一次清孔→质量验收→下钢筋笼和导管→第二次清孔→浇筑水下混凝土→成桩。 结合本项目现场有一层4.7m厚杂填土， 灌注时容易塌孔产生断桩、 缩颈、 混凝土离析和孔底沉渣等质量问题。

参照国内本项目所在行业的成本预算， 结合市场报价， 开展成本对比。 高强管桩的施工成本为350 元/m， 护壁灌注桩的定额成本为700 元/m。 预算两种工艺的总支出： 高强管桩全的造价成本约为749 万元， 护壁灌注桩的造价总数约为1500 万元。 由此可知： 高强管桩工艺更具成本经济性， 相比灌注桩可减少一半开支。

经性能、 成本综合分析， 高强管桩表现出较高优势， 本项目选择高强管桩进行施工， 以此保障地基加固效果， 顺应软土处理需求， 保证工程质量。

5 结语

综上所述， 在软土区域的工程中引入高强管桩，从经济、 性能、 工艺、 进度等各方面进行比较， 管桩都有较高的优势， 但在进行综合比选的同时， 也需要结合本工程现场实际情况， 在管桩满足施工要求的情况下， 优先选择管桩施工工艺， 从而保障地基加固各项指标。