預應力混凝土管樁加固軟弱地基施工技術探析

馬凱

（長治市建筑工程總公司， 山西 長治 046000）

在科技進步、 樁基類型多樣性、 用料性能更新、工藝完善的大環(huán)境下， 高層建筑項目逐漸增多， 對樁基礎工藝方法、 承載能力、 沉降量控制提出了更嚴格的要求。 實際工程操作時， 工程規(guī)劃人員需以更強承載力、 高效工藝流程、 較低的施工成本， 獲取優(yōu)質(zhì)高層建筑。 為此， 針對軟土地基區(qū)域的施工困難， 積極發(fā)揮高強管樁工藝價值， 勢在必行。

1 管樁概述

1.1 管樁類型

管樁按混凝土強度等級及壁厚分為： 預應力高強混凝土管樁（代號PHC）、 預應力混凝土管樁（代號PC）、 預應力混凝土薄壁管樁（代號PTC）。 PHC樁混凝土強度等級不低于C80， PC樁和PTC樁混凝土強度等級不高于C80 但不低于C60。 PHC、 PC樁壁厚一般為75 ～130mmmm， 大直徑樁壁厚可達150mm，PTC樁壁厚較小， 一般為55 ～70mm。 管樁按外徑主要分為300、 400、 500、 550、 600、 800、 1000mm等規(guī)格。 管樁按抗彎性能或有效預壓應力值分為A型、AB型、 B型和C型等， 其有效預壓應力值分別為4、6、 8、 10MPA， 其計算值應在各自規(guī)定值的范圍內(nèi)，管樁的抗彎性能應符合附錄C的規(guī)定。 預應力混凝土薄壁管樁主要考慮承受縱向壓力， 其抗彎性能應滿足管樁吊運和堆放要求。

預應力管樁的管樁分類： 預應力管樁按外徑分為300、 350、 400、 450、 500、 550、 600、 800mm 和1000mm等規(guī)格， 實際生產(chǎn)的管徑以300、 400、 500、600mm為主。 預應力管樁按樁身抗裂彎矩的大小分為A型、 AB型和B型。 A型的有效預應力約為3.5 ～4.2Mpa， AB型為5.0Mpa， B型約為5.5 ～6.0Mpa，一般管樁有4 ～5Mpa的有效預應力， 打樁時樁身混凝土可有效地抵抗打樁拉應力， 所以， 對于一般的建筑工程， 選用我國規(guī)定的A或AB型的管樁就可以。 根據(jù)成樁方法可分為錘擊樁和靜壓樁。

管樁還可以按使用功能分為豎向抗壓樁、 豎向抗拔樁、 水平受荷樁和復合受荷樁。 豎向抗壓樁主要承受豎向荷載， 是主要的受荷形式。 根據(jù)荷載傳遞特征， 可分為摩擦樁、 端承摩擦樁、 摩擦端承樁及端承樁四類。

1.2 管樁強度

預應力管樁強度需高于C50， 薄壁型產(chǎn)品強度需高于C60， 高強管樁的產(chǎn)品強度應大于C80。 前兩種管樁的后續(xù)養(yǎng)護方法， 以常壓蒸汽為主， 在養(yǎng)護28d后方可進行管樁施工。 高強管樁使用時， 需在高壓釜中進行養(yǎng)護， 養(yǎng)護方法： 蒸壓度數(shù)為180°， 用料強度達到C80。 高強管樁成型后運至工程區(qū)需3d。

2 高強管樁的工藝方法

2.1 錘擊法

在高強管樁工藝操作中， 沉樁處理尤為關鍵， 錘擊法適用于沉樁環(huán)節(jié)的常見方法。 錘擊法的工藝優(yōu)勢： 打樁機整體質(zhì)量較小， 對于工程區(qū)地基要求較低， 適用于軟土區(qū)域施工； 打樁機整體性能優(yōu)異， 能夠保障管樁的沉樁處理效果， 符合軟土區(qū)域的加固需求。 沉樁處理會形成一定沖擊荷載， 管樁在荷載的作用下， 順利穿過砂層、 礫石層等， 更適用于沉樁深度高的項目。 錘擊法工藝的主要設備有： 樁架、 驅(qū)動設備等。

樁錘選擇是工藝應用的關鍵點， 選用規(guī)則為： 錘頭類型以“柴油錘為主”， 型號有七種； D25 型錘頭，沖擊質(zhì)量m為2.5t， 錘頭質(zhì)量總和M為6.5t， 擊打形成沖擊作用P約為2200kN， 使用的管樁直徑d 為[350， 400] mm； D35 型錘頭， m＝3.5t， M ＝7.2t，P＝[2500， 4000] kN， d ＝[400， 500] mm； D56型錘頭， m ＝4.5t， M ＝9.6t， P＝[4000， 5000]kN， d ＝[500， 550] mm等。 各類錘頭的使用沖程介于1.8m與2.3m之間。 結合工程需求選擇對應錘頭， 保證沉樁質(zhì)量。

錘擊沉樁效果主要取決于錘頭、 樁身性能、 樁群密度、 沉樁次序等各類因素。 錘擊沉樁也有局限性，如在居民聚集區(qū)施打， 由于錘擊聲音較大， 產(chǎn)生噪聲污染從而發(fā)生擾民現(xiàn)象。

2.2 靜壓法

運行靜力壓樁設備進行沉樁處理的工藝稱為靜壓法。 壓樁操作中應借助靜壓機的自身質(zhì)量， 啟動液壓裝置操作管樁， 使管樁深入土層中。 靜壓法的工藝優(yōu)勢： 施工噪音較小、 設備無振動、 工藝全流程零污染、 工藝操作速度快， 可持續(xù)進行壓樁操作， 減少工期。 在工藝使用時， 送樁設備能夠有效貼合于樁頭，可減少壓樁操作的晃動問題， 保證送樁深入性。

靜壓樁工藝送樁終止操作的判斷依據(jù)： 管樁種類、 現(xiàn)狀地質(zhì)狀況等。 端承類型的管樁， 在樁端處于持力層后暫停送樁操作。 摩擦類型的管樁， 應加強樁長控制， 終壓作用力需高于單樁可承受的最大作用力。 穩(wěn)壓送樁用時介于5 ～10s之間， 再次送樁次數(shù)結合管樁長度確定， 可進行2 ～5 次。

2.3 壓樁次序

壓樁次序可設中心處為樁身壓入起點， 逐一向外打樁， 逐圈進行對稱樁位的壓入操作， 以此有效控制樁側面形成的操作壓力， 間接減少沉樁涌氣量。

3 高強管樁的質(zhì)量檢測方法

3.1 檢測方法

管樁施工完成需進行質(zhì)量檢測， 檢測項目包括：承載力、 單樁質(zhì)量、 樁體豎向位移、 樁位水平偏差。承載性能的檢測項目， 可使用靜載檢測方法， 檢測總數(shù)＝管樁壓入量×1%， 且檢測數(shù)量不可少于3 個。單樁自身質(zhì)量的檢測工作， 可使用低應變法， 檢測樁體個數(shù)＝管樁壓入量×20%， 檢測最小值為10。 豎向樁身偏斜性的檢測數(shù)量＝管樁壓入量×5%， 偏差角度需控制在1%以內(nèi)。 樁體位移采取全數(shù)檢測方式，檢測標準： 1 ～3 根的管樁組合， 中位樁位偏差最大值為100mm； 4 ～16 根的管樁組合， 中位樁位偏差＝樁徑×1/2， 外側管樁偏差＝樁徑×1/3。

3.2 缺陷樁基的應對方法

3.2.1 樁體缺陷處理

在管樁低應變測定時， 如果發(fā)現(xiàn)有缺陷樁基， 需進行進行樁基處理。 1） 如果樁身缺陷程度較小， 可結合工程周邊地質(zhì)實際情況， 進行樁體挖檢， 從缺陷樁段位置起進行上部樁身的去除， 再次檢測剩余樁體性能。 如果剩余樁體符合檢測要求， 可進行接樁操作。 接樁施工期間， 操作人員需外包用料至少0.5m，使用的外包用料強度最低為C30， 確保樁基拼接質(zhì)量。外包操作的樁體外徑需大于原有樁體直徑， 可取300mm的直徑添加參數(shù)； 2） 針對其他類型的缺陷樁，使用至少C30 級別的用料， 開展灌芯補償。 如果樁基的樁尖類型為“封閉式”， 補芯長度＝樁基整長。 如果樁基的樁尖類型為“開口式”， 補芯長度需覆蓋缺陷處2m。

3.2.2 傾斜度問題處理

管樁傾斜具有較高的發(fā)生頻率， 具體表現(xiàn)為： 樁身垂直角度較大， 不符合施工要求。 施工區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出場區(qū)地面平整性不足、 坡度角度較大等情況。 如果在前期并未給予有效處理， 將會提升樁身發(fā)生傾斜問題的可能性。 在接樁處理后， 會繼續(xù)增大樁身與地面垂直的偏差性。 在沉樁前期， 會給予基坑開挖操作。如果挖土操作不規(guī)范， 施工達不到標準條件， 會引起樁身側面整體受力表現(xiàn)出差異性。 尤其在軟土層較厚的施工區(qū)域內(nèi)， 如果開挖深度較小， 極易形成樁身傾角過大問題。 在施工期間， 需把控操作面的平整性。如果部分區(qū)域的土質(zhì)松軟性較為嚴重， 無法保障操作面質(zhì)量， 需增設墊木， 進行操作面修繕， 以此穩(wěn)定樁身角度。 管樁檢測結果如果有管樁傾斜度較大的問題， 需對全數(shù)管樁開展垂直角度檢測， 針對豎向傾斜度不小于1%的樁， 開展低應變測定。 針對豎向傾角大于3%的管樁進行作廢處理， 重新壓樁施工。

3.2.3 樁位位移較大問題處理

管樁檢測是保證整體地基加固性能的關鍵流程，如果檢測發(fā)現(xiàn)管樁位移量較大， 超出偏差允許條件，需結合管樁最新方位核定各組管樁的承載力。 如果各樁承載力差距較大， 需進行補樁施工。 如果樁基向中心位移， 引起樁間距較小問題， 需重新核定單樁承載力。 在承載力重算時， 依據(jù)各樁體之間的間距， 給出最小樁間值， 以此數(shù)值作為直徑， 進行重疊區(qū)域的核算， 可確定樁基承載受力的折減參數(shù)， 對各樁基進行受力折減。 受力重算后， 針對外圍減少的承重樁數(shù)，依據(jù)受力折減數(shù)值進行管樁補充， 保持外側管樁數(shù)量的充足性， 維持工程整體的支護加固效果， 減少支護受力不均問題。

3.2.4 防控鄰樁上浮

沉樁施工時極易發(fā)生鄰樁浮起問題。 沉樁施工時會形成一定擠土現(xiàn)象， 致使地面部分位置隆起， 多發(fā)于土層較為密集的區(qū)域。 其他發(fā)生此種現(xiàn)象的工程，存在施工操作失誤問題， 比如沉樁未給予有效規(guī)劃、施工操作規(guī)范性不強等。 設計人員需結合工程的實際情況， 參照樁體屬性， 結合現(xiàn)場實況， 合理控制高強管樁的間隔大小， 保證間距設計的合理性。 施工人員按照規(guī)范、 結合現(xiàn)場實況進行施工作業(yè)。

3.2.5 爆樁的預防方法

管樁施工時可能會發(fā)生爆樁事件， 產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因： 樁身質(zhì)量較低， 難以承擔前期設定壓力。 建材采買是把控建材性能的關鍵流程。 多數(shù)廠家為控制采買支出， 選擇的材料質(zhì)量較差， 在人為操作不規(guī)范、 機械有故障的情況下， 會增加樁身質(zhì)量問題， 引起樁身質(zhì)量較低， 難以承受預設力量， 發(fā)生爆樁問題。 產(chǎn)生爆樁的其他原因有： 地質(zhì)層變動， 在短時間內(nèi)提升了地層壓力， 引起管樁受力超出自身承載值；現(xiàn)場人員管樁作業(yè)規(guī)范性不足、 送樁操作有失誤等，均會引起爆樁問題。 爆樁的防護方法： 在管樁施工前期， 加強流程管控， 減少不利因素， 降低爆樁可能性。 1） 開展用料管理工作， 選擇誠信供應商， 保證供貨質(zhì)量； 2） 加強工人操作專業(yè)性管理， 使其明確高強管樁的工藝內(nèi)容， 提升操作規(guī)范性。

4 地基加固的工藝對比分析

4.1 工程地質(zhì)情況

1） 長子縣城中村同改造昱E區(qū)建設項目地貌特征情況。 擬建場地原為長子二中， 本場地原為水塘，大部分被垃圾土回填， 剩余直徑約32m， 深約6m水塘， 塘內(nèi)仍有存水。 場地整體地勢為中部低， 東、 西側高。 勘察范圍最大高差7.66m。 場地地貌單元屬河流沖積平原區(qū)。

2） 工程地質(zhì)勘測分析第一層： 雜填土， 成分主要以磚塊、 水泥塊等建筑垃圾及煤渣、 爐渣灰等生活垃圾為主。 場地中部、 南側該層揭露較厚， 厚度4.7m， 為人工無序堆積， 堆積時間小于10 年。 第二層： 粉質(zhì)粘土， 含云母、 氧化物等， 夾有少量鈣質(zhì)結核， 偶見姜石， 夾有少量薄層粉土、 細砂； 厚度13.92m。 第三層： 粉土， 含云母、 氧化物等， 混有少量細砂， 厚度3.22m。 第四層： 粉質(zhì)粘土， 含云母、氧化物等， 夾有少量姜石， 厚度5.38m。 第五層： 粉土； 混有少量細砂， 土質(zhì)不均， 厚度7.04m。 第六層： 粉質(zhì)粘土， 含云母、 氧化物、 黑色斑點有機物質(zhì)等， 夾有少量姜石； 厚度10.01m。 第七層： 粉土；含云母、 氧化物等， 夾有少量細砂， 厚度12.83m。第八層： 粉質(zhì)粘土， 含云母、 氧化物等， 夾有少量細砂、 姜石； 厚度10.71m。 第九層： 粉質(zhì)粘土， 含云母、 氧化物、 黑色斑點有機物質(zhì)等， 偶見姜石顆粒；厚度11.39m。 本次勘察均未揭穿該層， 最大揭露厚度12.1m， 最大揭露深度65m。

4.2 地基選型方案

本工程內(nèi)的施工任務為： 項目規(guī)劃用地面積24043.44m， 總建筑面積89402.94m， 地上建筑面積72868.38m， 地下建筑面積16534.56m。 建設內(nèi)容包括6 棟住宅樓（4 棟26 層， 高度79.8m； 2 棟17 層，層高51.3m）、 地下車庫及1 棟幼兒園。 此項目具有上部結構載荷量較高、 自重大、 彎矩值大的特點， 對于項目整體結構平穩(wěn)性、 抗傾覆、 抗不均勻沉降各項性能的要求較高。 結合本項目周邊情況的勘測資料，項目部組織了專家論證， 論證結果為此區(qū)域具有軟土地質(zhì)特征， 需先對區(qū)域內(nèi)水塘進行地抽水后素土換填淤泥土， 然后有兩種基加固處理方法選用， 第一種采用復合地基處理方法； 先對軟土地質(zhì)灌漿改良后施打CFG樁。 第二種樁基礎。 通過本工程現(xiàn)場情況考及經(jīng)濟的比選， 專家組一致認為樁基礎加固本工程軟土地基最為合理。

4.3 樁基施工工藝及比選

樁基類型分為預制管樁、 鋼筋混凝土灌注樁兩種樁型， 預制管樁和鋼筋混凝土灌注樁都能滿足工藝要求的情況下， 項目部選對預制管樁和灌注樁進行了對比。

1） 高強管樁工藝。 在國內(nèi)高強管樁制作， 多數(shù)采取先張法工藝。 生產(chǎn)高強管樁是借助先張法、 離心、 高溫養(yǎng)護等工藝， 獲取性能優(yōu)異、 強度較高的管樁構件； 高強管樁沉樁方法有兩種， ①錘擊沉樁； ②靜壓沉樁。 管樁基礎具有工序簡單、 操作簡易、 高速成型等優(yōu)勢。 多數(shù)情況下， 在軟土地質(zhì)區(qū)域內(nèi)可縮短樁基施工用時。 施工工藝： 定樁位（測量、 編號、 復合） →壓樁機到位（確定型號、 標定技術參數(shù)） →吊樁、 對中（控制吊點、 垂直度） →焊樁尖（查焊接）→壓第一節(jié)樁（確保樁垂直度） →焊接接樁（查電焊工資質(zhì)、 焊條、 焊序、 焊接層數(shù)、 質(zhì)量、 自然冷卻時間等） →壓第N節(jié)樁（進行全過程測量、 調(diào)控） →送樁、 終樁（對送樁壓力與標高進行雙控） →移機（地壓耐力、 壓樁順序） →截樁（鋸樁器截割） →記錄、 核查壓樁及樁基檢測相關資料。

2） 鋼筋混凝土灌注樁工藝： 場地平整→樁位放線→開挖漿池、 漿溝→護筒埋設→鉆機就位、 孔位校正→成孔、 泥漿循環(huán)、 清理廢漿、 泥渣→第一次清孔→質(zhì)量驗收→下鋼筋籠和導管→第二次清孔→澆筑水下混凝土→成樁。 結合本項目現(xiàn)場有一層4.7m厚雜填土， 灌注時容易塌孔產(chǎn)生斷樁、 縮頸、 混凝土離析和孔底沉渣等質(zhì)量問題。

參照國內(nèi)本項目所在行業(yè)的成本預算， 結合市場報價， 開展成本對比。 高強管樁的施工成本為350 元/m， 護壁灌注樁的定額成本為700 元/m。 預算兩種工藝的總支出： 高強管樁全的造價成本約為749 萬元， 護壁灌注樁的造價總數(shù)約為1500 萬元。 由此可知： 高強管樁工藝更具成本經(jīng)濟性， 相比灌注樁可減少一半開支。

經(jīng)性能、 成本綜合分析， 高強管樁表現(xiàn)出較高優(yōu)勢， 本項目選擇高強管樁進行施工， 以此保障地基加固效果， 順應軟土處理需求， 保證工程質(zhì)量。

5 結語

綜上所述， 在軟土區(qū)域的工程中引入高強管樁，從經(jīng)濟、 性能、 工藝、 進度等各方面進行比較， 管樁都有較高的優(yōu)勢， 但在進行綜合比選的同時， 也需要結合本工程現(xiàn)場實際情況， 在管樁滿足施工要求的情況下， 優(yōu)先選擇管樁施工工藝， 從而保障地基加固各項指標。