预应力高强混凝土桩（大直径PHC桩）的施工技术探讨

苏火金

（福建省五洲建设集团有限公司，福建 泉州 362400）

0 引言

预应力高强混凝土桩（大直径PHC桩），具有单桩承载力高、桩身质量好、工程造价低的特点，因其出色的承载能力、稳定的质量和经济性而备受瞩目[1]。但预应力高强混凝土管桩施工过程中，常存在沉桩困难、达不到设计标高、偏移或倾斜过大、达到设计标高或深度但桩的承载能力不足等问题，极大地限制了大直径PHC桩在实际工程中的应用[2]。因此，本文将介绍一种新型的预应力高强混凝土桩（大直径PHC桩）的施工工法，并通过试验桩进行载荷测试，根据试验结果提出了大直径PHC桩的施工建议。

1 大直径PHC桩施工方法的优缺点比较

安装大直径PHC桩通常采用两种方法：重物冲击法和顶升反应法。

（1）重物冲击法。使用重物冲击安装时，锤头的动能和桩锤接触行为可能引发复杂的应力波响应，有损混凝土桩的完整性，当遇到障碍物或坚硬地层时，产生的大压应力可能导致桩底部破损；长时间冲击则可能导致疲劳破坏。

（2）顶升法安装。相比重物冲击法，顶升法操作异常安静且无振动，在安装过程中通过液压系统施加荷载来完成桩基的成型。但顶升法仅适用于微型桩。需要通过结构为其提供反作用力，以避免对桩施加大压应力。

为了提升大直径PHC桩尤其是大直径（D≥800mm）PHC在坚硬地层中的应用，并提高它们的潜在承载能力，本文提出了一种新型桩施工工法——混合揭示预应力混凝土管桩，该工法采用一种新兴的混合打桩系统，具备精密反馈回路，可以有效解决大直径PHC桩目前应用中存在的受限问题。

2 混合揭示预应力混凝土管桩施工技术要点

2.1 工艺原理及优缺点

2.1.1 工艺原理

混合揭示预应力混凝土管桩（以下简称“混合桩”）是一种新型的桩基工法。其核心是将传统的预应力高强度混凝土管桩（大直径PHC桩）技术与现代化的打桩系统相结合[]。在此工法中，大直径PHC桩被精确地驱动进入地层，同时利用一个精密反馈回路系统来监控和调整打桩过程。这种反馈机制能够根据地层的硬度、桩的下沉速度和角度等参数实时调整打桩力度和方向，从而确保桩的正确安置和最优性能。

以下是此工艺的详细步骤：

（1）准备阶段：选择合适的钢筋或钢丝绳，以及混凝土原材料。

（2）模具设置：根据设计的规格和尺寸安置模具。

（3）钢筋/钢丝绳布置：将钢筋或钢丝绳平均分布在模具中。

（4）混凝土注入：在模具中倒入混凝土，确保其均匀分布。

（5）施加预应力：在混凝土凝固之前，通过专用设备对钢筋或钢丝绳施加张力。

（6）养护和脱模：待混凝土达到一定强度后，进行养护和脱模。

2.1.2 工艺优缺点对比

混合揭示预应力混凝土管桩工艺与传统预应力混凝土管桩工艺的优缺点对比如表1所示。

表1 工艺优缺点对比表

通过上述表格，可以清楚地看出混合桩工法在提高PHC桩施工精度和适应性方面的显著优势，同时也指出了其成本和技术要求方面的挑战。

2.1 打桩设备组成

打桩设备的混合驱动装置由动力头、振动激振器和桩夹组成，其中动力头和振动激振器分别通过可调缸和弹性弹簧与土壤箱相连，液压动力头的轴可以输出高达80kN·m 的钻进力矩，振动激振器有2 个对称的离心质块，由电机驱动。

2.2 施工工艺流程及要点控制

大直径PHC桩施工顺序如图1所示。

图1 大直径PHC桩施工流程

2.2.1 施工准备阶段

如图1（a）所示，钻杆被插入振动激振器和土壤箱的中央孔中，然后螺栓固定到动力头的轴上，待安装的大直径PHC桩竖立起来，钻杆穿过其内芯，并使振动激振器夹住桩头，土壤箱和动力头之间的可调缸可以伸缩，以适应桩和钻杆之间的长度差的波动。设备的垂直性和稳定性也是准备阶段需要考虑的关键因素，背撑（即两个撑杆）可以调整到前倾或后倾5°，侧向倾斜3°，以保持精确和稳定的垂直钻进。桩夹的水平度可以通过3个缸仔细调整，以保证待安装桩的垂直度。

2.2.2 钻进施工阶段

绞盘被广泛应用于大直径PHC桩的施工装备中，用于控制支架的前倾、吊装重物的起升、吊篮的移动以及驱动装置的操作。在钻进阶段，如图1（b）所示，动力头轴正转（即钻进未搅拌的地层）导致与转动方向相反的摩擦，产生一种切削阻力，从而自动打开扩孔钻翼。现场土壤沿着钻杆和管桩内壁之间的螺旋空间被挖出，并排放到一个土壤箱中，箱子的开口面对着一辆卡车，以便土壤的收集和运输，同时减少对环境的污染。通过监测钻杆的力矩和向下速度，可以现场推断地层的密度和刚度等地质特征，有助于工程人员更好地了解地质情况，这一施工过程的高效性和精确性，使其成为处理地层挖掘和管桩安装的理想方法。同时，通过绞盘等设备的应用，施工过程更加安全和可控，确保了工程的顺利进行。

通常情况下，桩可以自发地沉入钻好的孔中，因为桩的外径略小于钻孔的外径，而桩的重力足够大，能够克服分布在桩周的潜在向上摩擦力。如果在打桩过程中遇到意外情况，传感器可以监测到实时的钻进力矩明显增加。当力矩达到临界值（即40kN·m）时，正反馈回路将被激活，以持续调整振动激振器的电机流量，直到其输出的垂直向下力的频率和振幅足以克服稳定的钻进力矩所带来的摩擦。相反，如果桩过快地沉入钻好的孔中（即钻进条件较容易），则弹簧在振动激振器和土壤箱之间的自动测量弹性伸长被传

递到有效命令，以通过夹具加强桩的约束。因此，动力头和振动激振器之间、钻杆和桩之间的相对位移可以在设计范围内进行控制。

2.2.3 大直径PHC桩的安装

当桩头距离地面约1～1.5m，停止打桩操作，如图1（c）所示。此时将连接在桩头的钻杆—动力头和桩头—振动激振器拆卸下来，然后将新的桩与已安装的桩通过焊接或机械连接在一起，直到桩达到设计的穿透深度，通过位于钻杆和扩孔钻的中心孔中的管道，将混凝土泵入桩芯中进行密封，如图1（d）所示。具体来说，通过将混凝土灌注到大直径PHC桩内部的管道，大直径PHC桩与钻孔之间的任何间隙都会被压浆填充，以增强桩混凝土与周围地层之间的粘结强度，确保桩的牢固性和稳定性。当自顶向下拆卸钻杆时，由于受到大直径PHC桩内壁的约束，扩孔钻翼会自动关闭。该设备能够在不同类型的土壤和岩石中以10m/h 和4m/h 的速度迅速安装大直径PHC桩，而且可以安装深达50m的大直径PHC桩，这种施工方法可极大地提高基础设施建设效率，确保施工质量和工程的稳定性[4]。

3 大直径PHC桩施工工法的应用试验分析

3.1 试验概况

案例工程项目占地面积3662.08m2，总建筑面积25351.32m2，建筑高度35.9m。为了验证大直径PHC 桩的施工设备在坚硬地层中的应用性能，使用标准静载荷测试程序对2根直径D=1000mm、壁厚130mm的大直径PHC桩（桩1和桩2）进行了安装和测试。表2列出了打桩施工前从2根试桩旁边的勘探孔样本中获得的现场地层剖面和相应的力学性质。2根桩在穿越破碎花岗岩到明显风化花岗岩表面的穿透深度分别为15.55m（桩1）和15.04m（桩2）。2根桩的灌浆压力均为2.0MPa，扩孔钻的直径为1020mm，这表明理论上钻孔和桩之间的待灌浆缝隙宽度为10mm。

表2 土壤材料特性

3.2 试验结果

测试桩的荷载-沉降（即Q-s曲线）关系如图2所示。根据相应的规定，桩1和桩2分别对应于韧性和脆性破坏模式，其极限承载力分别为Q1=20500kN和Q2=15100kN。这比传统的打桩或顶桩技术以及钻孔灌注桩的承载力要高效。高应变率测试确定了桩1和桩2的极限荷载中由桩身阻力承担的比例分别为79.2%和69.4%。

图2 试桩荷载-沉降关系图

为了找出测试桩的极限承载能力差异的原因，进行了系统比较。首先，移除了桩头周围的地层（深度约2m）进行观察，如图3所示。孔与桩之间灌浆缝隙的实际宽度为8～17mm，桩1外表面覆盖的水泥层略厚且具有较大的表面形态梯度，而桩2的水泥层较薄，表面形态梯度较小（即桩1的灌浆质量更好）。通过进一步的勘探孔，发现2根测试桩的影响范围，即对应于模量约95%恢复的距离（如图4所示），大约是桩直径的2倍。然而，2个测试桩沿桩边紧密的土壤的平均弹性模量差异很大，桩1的平均弹性模量（31.97MPa）小于桩2（149.51MPa）。正如图2所示，2个测试桩的卸荷路径相符，它们之间的端部承载性能没有明显差异，这与高应变率测试的结果一致（桩1和桩2分别为4267kN和4633kN）。通常情况下，使用传统技术安装的桩的承载能力与周围地层的模量和强度呈正相关，这与大直径PHC 桩的试验结果相反。这是因为软弱的钻孔有利于渗透灌浆和破裂灌浆，以实现较粗糙的桩-土壤界面，而模量降低引起的缓冲效应可以产生更均匀的应力分布。另一方面，如果灌浆质量可以提供足够的桩-土壤粘附效果，使破坏发生在桩周围的地层内，那么在坚硬地层中安装的桩基应该表现更好。因此，灌浆接触面的性质和周围地层的模量降低现象都对大直径PHC桩的承载能力有显著影响[5]。

图3 清除周围土壤后的桩头情况

图4 地层的平均弹性模量与安装后测试桩中心距离的关系

4 大直径PHC桩的施工建议

试验测试桩的比较结果表明，灌浆质量与地层弹性模量之间的相互作用对PHC桩的承载力具有显著影响。具体而言，灌浆质量的提高有助于增强承载力，但当界面强度达到一定水平后，承载力趋于一个渐进值。

在分析界面强度不变的情况下，发现轴阻力并非总是随地层弹性模量的增加而增加。特别是在软钻孔环境中，界面强度相对较低，有利于应力从地层内部界面处扩散。然而，实际操作中，弹性模量降低不大的钻孔通常会导致桩土间隙变得更紧凑和坚硬，进而影响灌浆质量。

鉴于上述观察，本文提出以下建议以优化大直径PHC桩的施工效果：

（1）施工前，应对灌浆界面的抗剪强度进行详细测试。这种测试应聚焦于确定桩周围地层的平均弹性模量，以及与之相对应的无量纲界面强度。建议的无量纲界面强度法向值应大于0.02，这有助于确保灌浆质量与地层间有效的力学交互。

（2）在灌浆界面的抗剪强度受到材料特性限制的情况下，如果无量纲界面强度低于0.01，则应采用特定措施。这些措施包括引导辅助孔等方法，旨在降低周围地层的弹性模量，以此来发挥缓冲作用。通过这种方法，可以在维持较高的灌浆质量的同时，减轻地层弹性模量对PHC桩承载力的负面影响。

5 结束语

本文介绍了一种新型的混合钻孔桩系统，包括施工设备组成和施工工艺流程及技术要点进行分析，并对两根试验桩进行了载荷测试，桩安装深度约为15m，置于风化花岗岩中，以验证大直径PHC 桩在坚硬地层中的适用性和改进的承载能力。与通过自重将大直径PHC 桩打入地下不同，这种新的系统允许大直径PHC桩与混合钻孔同时下降，并充当套管材料。该设备中设计的反馈回路有效地将实时打桩状态的测量施工参数自动传递给启动或停止执行器的命令，使系统能够及时适应地质条件的波动，保证安装平稳和稳定。本文所提出的混合技术极大地提高了大直径PHC桩对各种地质条件的可行性和适应性。