[摘要] 预应力混凝土管桩具有施工进度快、干作业、静压桩的噪声低、造价省、有很高的轴向承载力等众多特点,但其抗拉、抗裂强度差,在软弱土地基中易断桩和桩位严重偏位,为此提出施工方法及注意点。
[关键词] 软土地基;预应力混凝土管桩;施工
[中图分类号] TU753.65 [文献标识码] A [文章编号] 1002-8498 (2008) 01-0031-03
软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土的统称。由软弱土组成的地基称为软土地基。这类土广泛分布于我国东南沿海和内陆江河湖泊湿地的周围。其特性为: 含水量高、抗剪强度低、压缩性高、渗透性小、具有明显的结构性和很大流变性。该类土质往往不能作为天然地基。桩基础工程在该类土层中也存在明显的质量隐患。对灌注桩而言,易发生断桩和缩颈等质量问题。
预应力混凝土管桩具有施工进度快、干作业、静压桩的噪声低、造价省等众多特点,故在地质条件允许及抗震烈度小于7 度的地区,目前大多数工程优先选择采用预应力混凝土管桩。但很多设计在软土地基的预应力混凝土管桩选择上往往存在失误,施工单位也未针对软土的特性采取相应的措施,导致桩基完成后动测结果显示有大量的断桩存在,以及桩位严重偏位。
预应力混凝土管桩具有很高的轴向承载力,但其抗拉及抗裂强度很差,且断桩常发生在打桩过程和挖土过程中,当上部结构荷载产生后,由于对桩体的压应力,此时已不易产生断桩。根据对地质条件相近、临近杭州西溪湿地的9 个单位工程的预应力混凝土管桩动测结果进行统计归类得出:无基坑的桩的断裂主要在桩顶8m以内的焊缝位置,因配桩不当引起。而有基坑的桩的断裂主要在桩顶8m 以内的焊缝位置和桩顶3～6m的范围,主要因配桩不当和土方开挖引起。薄壁桩的断裂是厚壁桩的3 倍左右。桩位严重偏位超出规范要求的占总桩数的15.82 %。
1 桩在软土中的受力特点
1.1 软硬土交界处
由于打桩速度快,土体运动加剧,导致对先成桩的挤压力很大,如果下部土层坚硬或有坚硬夹层,可能导致桩体在软硬土交界部位产生横向裂缝。如图1 所示。
当桩在向下施压下沉的过程中,桩给周边的土施以压应力,土体需要释放应力,就会移动变形,由于上部土层的约束小于下部土层,土体产生水平位移和上升位移,这种位移导致土体对成桩上部的侧向挤压加大,使桩受弯断裂。
当然,也不是越近地表这种压力越大,由于离沉桩越远的部位越近地表的土体向上的变形约束越小,土体可向上位移,土体隆起,对侧向的压力也逐渐减小。具体对已成桩的压应力如图2 所示。
1.2 焊缝位置处
焊缝位置是管桩的薄弱位置,其抗裂弯矩较桩管部位小,且该部位易产生应力集中。故在焊接质量不良、挤土严重的地区,管桩的裂缝有60 %发生在焊缝位置。故在软土地基中,应重视管桩的焊接质量的检查。做到三人三边三遍围焊。焊缝自然冷却后入土(冷却时间≥8min) ,防止焊缝脆裂。同时配桩时要参照地质报告,避免接头在软硬交界的软土层2m范围内。因为坚硬土层具有嵌固作用,软土的流动挤压使桩在软硬交界的软土层2m范围内的弯矩很大,极易达到桩的抗裂弯矩。
1.3 桩头3～6m的范围内
由于桩工机械、挖土机械的运行以及临近基坑边的土体压力易导致桩头3～6m 的范围内发生断裂,而且这种断裂往往伴随桩头严重位移甚至桩体错位。
1) 桩工机械的重量很大,当桩头离地表仅有1m 左右时,桩工机械的压力使表层软土发生水平位移导致桩上部发生断裂。另外由于桩机施压抬机下坠振动,使土体流变后对已成桩的侧压导致断裂。所以要合理选用桩机,不能太大,防止压力变形;不能太小,防止桩机抬机下坠振动使土体流变。考虑桩在软土中的固结强度很大,往往压桩力仅须选择单桩设计承载力的1.2～1.8倍即可。
2) 挖土机械的运行对土体形成水平冲击,使土体产生水平位移对桩头产生冲击,而且挖土机械在坑边运行增加了
对土体的主动土压力,使靠近挖机部位的土体对桩的压力加大而产生断桩。如图3 所示。
3) 基坑边坡的土体压力也导致桩头3～6m的范围内发生断裂, 这主要是边坡的土体对临近边坡的桩产生主动土压力, 使边坡与桩之间的土发生挤压后对桩产生水平推力, 当推力产生的弯矩大于桩的抗裂弯矩后,桩便产生裂缝。如图4 所示。
以上桩工机械、挖土机械的运行以及临近基坑边的土体压力的影响均在桩的上部,经统计,桩的裂缝往往在3～6m的范围内。在软土中配桩时,考虑到焊缝这一薄弱点,最上部决不能配短桩,要求上部桩长≥8m。
2 预应力混凝土管桩注意事项
2.1 设计对桩的选择
软土的应变变形很大,成桩对土体的挤压对相临桩的影响很大,如果桩的抗裂弯矩小,极易导致断桩,故在软土地中基慎用预应力混凝土薄壁管桩,可选用预应力混凝土管桩。如杭州市西湖区蒋村乡大多数地区地表10～28m范围内为淤泥质粘土或淤泥质粉质粘土,在该区块范围内选用预应力混凝土薄壁管桩的工程平均断桩率很高,其中45 %为Ⅲ类桩,必须经处理甚至补桩方能保证工程质量,而选用预应力混凝土管桩的工程断桩率较低且基本为Ⅱ类桩,有些征得设计同意可不做处理。因此,在针对该类土质进行选桩时,应慎用预应力混凝土薄壁管桩,应对沉桩施工的挤土效应对桩及周边环境的影响充分考虑和计算。虽然同桩径的预应力混凝土管桩比预应力混凝土薄壁管桩单价高20～30 元/m左右,但预应力混凝土管桩容易保证工程质量,且预应力混凝土薄壁管桩发生质量问题的后期处理费用很高,且影响工期。对工程各方形成负面影响。
2.2 施工配桩的选择
在软土中配桩时,考虑到焊缝这一薄弱点,最上部决不能配短桩,要求上部桩长≥8m,如图5a 所示。同时配桩时要参照地质报告,避免接头在软硬交界的软土2m范围内,如图5b 所示。配桩时要求桩头达到设计标高的要求,防止开挖时桩的一侧土被挖除而产生悬臂力,具体如图6 所示。施工配桩时,尽量选择长桩,减少焊接接头。
2.3 打桩速度的控制
由于粘性土、淤泥质土的固结时间较长,且桩体快速压入会使土的性质剧变,土体的压缩变形加大,故打桩速度应比其他土质慢,防止桩位偏移和断桩。一般软土地基中,在同一区块每天不超过20 根。压桩时,要缓慢压入,压桩速度控制在≤1.5m/min。当桩进入坚硬土层时应缓慢加载,防止急剧施压产生的冲击使桩体开裂。
2.4 土方开挖时的注意事项
大多数工程均采用机械开挖土方,对土方开挖这一分部工程是比较经济的方法,但它可能给桩基础带来很大的危害,正如前所说的断桩,为此土方开挖应注意以下要点。
1) 考虑到粘性土、淤泥质土的固结时间较长,施工组织设计时,应考虑全部成桩后15d 开挖,让桩周土固结稳定,严禁边打桩边挖土。
2) 土方车有10～40t ,局部加压后易使桩断裂。故土方车严禁驶入桩顶挖土区域内。
3) 严禁采用大挖机挖土,选用120t 以下的履带式挖机辅以钢垫板开挖(见图7) ,以减小对土体的压强。严禁挖机在桩顶来回走动,防止对桩顶产生屡次冲击,且保留基底以上30cm人工开挖。
4) 要求分层开挖,且桩周土的高差≤1m。若桩露出开挖面以上,则必须先掏挖挖机一侧的土,以减小侧压,防止断桩。
5) 坑边严禁堆土和其他建筑材料。
6) 对于基坑,要求基底采用拉锚设计或采用灌注桩及连续墙围护,防止边坡滑移对桩体产生侧压。为了减少土体流变,可采取技术措施如下:当表层土的流塑性很大,分层开挖也不能保证桩体质量时,可先分层将表层土剥至桩顶1.5～2m 位置,借助钢板桩和钢垫板开挖,以减小对土体的压强;开挖时应逐轴放钢板桩和钢垫板。
2.5 其他注意事项
1) 对桩的龄期要求 管桩混凝土强度达到设计强度,且常压蒸汽养护后在常温下静停7d 后方可沉桩。
2) 配桩时要尽量使桩顶标高达到设计标高,避免土方开挖时产生悬臂。
3) 打桩前,若现场表土松软、桩顶土层≤1m,应先填40～60cm 碎砖块或矿渣等坚硬土,防止桩机陷入,同时减小软土的变形。
3) 加强施工现场排水,减小土体软化。在雨水多的季节施工时,可在场地表层铺15cm 粘土。
4) 对桩垂直度要求 沉桩过程中经常检查桩身垂直度,并及时纠正,当桩进入坚硬土层后,严禁采用移动桩架的方法强行回扳,防止断桩。
5) 对截桩的要求 应采用锯桩器,或手持电动工具切割,严禁采用大锤横向敲击或强行扳拉。
