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预应力管桩的最新进展和发展趋向

日期：2016-3-16 16:07:49　来源：转载　浏览数：
　

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1· 管桩的最新进展
    1.1 管桩生产和应用的概况及动向
    预应力管桩在我国大规模应用已将近30 年，我国现有管桩生产厂600 余家。据不完全统计，2013 年全国管桩销售量约为2.8 亿m，仍是我国基础工程中用量最多的预制桩。
    纵观管桩应用情况，用量最多的为覫400mm 和覫500mm 的厚壁管桩。覫300mm 管桩因其质量和保护层厚度不足等问题，用量大幅度减少；A 型桩因其有效预应力较低，用量也在减少；AB 型管桩用量随之增多；有些重要工程和地质复杂工程开始应用B型桩。
    目前，上海已经能生产D220 和D250 的特大柴油锤，主要用于打大直径钢管桩，打预应力管桩的柴油锤一般只要D100~D138 即可，覫700～覫1400mm的大直径管桩应用量也不断增多，尤其是水工、码头工程中应用较多。但随着“钻孔植桩”工法的大量应用，陆地上应用大直径管桩的机会和工程也会越来越多。
    静压管桩的应用量在广东已超过锤击管桩的应用量，全国凡应用管桩的地区，都有这样的发展趋势。2008 年修订的广东省标准DBJ/T15-22-2008《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》已于2009 年3 月1 日正式实施；经过十多年努力，广东的静压桩技术规程即广东省标准DBJ/T15-94-2013《静压预制混凝土桩基础技术规程》也已出台，并于2013 年10 月1 日开始执行。这两个规程经专家评审认定其在国内是处于领先地位的。
    预应力管桩以前大部分应用在工业与民用建筑中。现在，在市政、水利、公路、桥梁、码头等工程中也逐步得到应用。研制了混合配筋的预应力管桩即PRC 桩后，在基坑、护岸、边坡稳定工程中也能得到应用。2009 年前后，建华管桩厂与河南郑州大学共同研发了PRC 桩，在黄河护堤郑州段建成移动式护堤“桩坝”（见图1 和图2），这种“桩坝”有拆装重组和灵活移动的特点，为遏制黄河下游畸型河势的发展及稳定黄河的主槽提供了技术手段。“桩坝”成果已在黄河下游黄河滩区供水工程和河道整治工程中应用3km，用桩8 万m；在洞庭湖软基堤段堤坡抗滑加固中应用1.1km，用桩10 万m。

    1.2 管桩新产品的研发
    1.2.1 大直径钢绞线预应力管桩
    由于之前的PHC 管桩都是采用中低松弛螺旋槽钢棒（PC 钢棒），虽其抗拉强度不小于1570MPa，非比例延伸强度不小于1420MPa，但脆性较大。为此，采用钢绞线代替PC 钢棒研制出了大直径钢绞线预应力管桩（如图3 所示），使其抗弯、抗裂性能得到提高。

    1.2.2 预应力高强混凝土耐腐蚀管桩根据不同的腐蚀介质和中、强腐蚀环境等级，研制出不同要求的耐腐蚀管桩。腐蚀环境分为氯盐腐蚀环境、硫酸盐腐蚀环境及冻融破坏环境或者其组合。采用混凝土电通量、氯离子扩散系数、抗硫酸盐等级和冻融循环次数等试验指标来判断和检验。广东三和管桩有限公司制订了企业标准《先张法预应力高强混凝土耐腐蚀管桩》，上海宝钢制订了有关耐腐蚀管桩的制作图集。现在，在强腐蚀和严冻环境中，特制管桩也得到了成功应用。广东湛江东海岛上某新钢铁厂应用耐强氯盐腐蚀管桩预计多达600 万延米。
    1.2.3 免蒸压预应力高强混凝土管桩
    过去生产PHC 桩都要进行蒸压养护，即管桩经过常压蒸汽养护脱模静停2h 后，还要经过180℃高温、1.0MPa 的蒸压养护，大约经过十多个小时后出釜，桩身混凝土强度等级达到C80，有些甚至达到C100。蒸压养护既耗能又不环保，而免蒸压管桩节能、环保，是今后管桩生产的发展方向，但目前的价格比蒸压养护的管桩略贵一些。
    1.2.4 混合配筋预应力混凝土管桩
    混合配筋预应力混凝土管桩，即PRC 桩，是在PHC 桩中加入一定数量的非预应力钢筋，形成一种新型的混合配筋预应力混凝土管桩。我国先后出台了DBJT19-34-2009《混合配筋预应力混凝土管桩》图集及《复合配筋先张法预应力混凝土管桩》图集。此外，关于PRC 桩的抗震试验也已经展开研究，并取得许多研究成果。
    1.2.5 竹节桩
    目前，竹节桩（见图4）的规格主要有两种：一种是桩身直径为500mm，壁厚100mm 和125mm，竹节的直径为650mm；另一种是桩身直径为600mm，壁厚110mm 和130mm，竹节的直径为800mm。竹节与竹节的间距均为1000mm。

    竹节桩在软土地层中应用效果较好，能增加桩身的摩阻力，500mm 直径的竹节桩可以当650mm直径的管桩用，600mm 直径的竹节桩可以当800mm直径的管桩用。目前，宁波某集团已开始大量生产和应用竹节桩。
    1.3 新施工技术和新施工机械的开发应用
    陆地上的建筑工程中要想用重型柴油锤来施打大直径管桩是根本行不通的，主要原因是：①桩架太大太高，运输安装难度大；②重型柴油锤噪音太大；③锤击时振动太大；④挤土效应太大，会造成附近地面、管线、危房的大量破损；⑤油烟污染太严重。所以，要在陆地上应用大直径管桩只能另辟路径。
    管桩沉桩的方法在我国目前主要有两种：锤击法和静压法。锤击法是用重型柴油锤将预制桩打下去，尽管预制桩特别是PHC 桩耐打，但桩身会出现横向裂纹，甚至还会出现纵向裂缝。静压法在抱夹时也可损伤桩身。这两种施工法对桩身的破损是不可避免的。所以，目前桩身承载力计算时将工作条件系数加以折减。今后应从施工方法上进行改造和创新，力求桩身完整无破损，进而提高桩基的耐久性。
    现在我国许多单位正加紧研发钻孔植桩工法。所谓钻孔植桩就是先挖孔，然后将预制桩埋入孔内，再灌浆固结。钻孔植桩工法最简单的做法就是用钻孔桩机钻好孔，用泥浆护壁，然后将预制桩放入孔内，再灌浆（混凝土）固结。但这种方法克服不了泥浆满地流的缺陷。
    目前，我国钻孔植桩的方法主要有以下三种：（1）中掘法，也叫中钻法：五年前，湖南山河智能机械股份有限公司与广州市建筑科学研究院合作，研制出一种能下沉Φ600～Φ1000mm 大直径管桩的沉桩机具，取名叫随钻跟管钻机。它是将大直径管桩直立在桩机前方，管内放入一根钻杆，钻头可以伸到管桩底部的端板外边，钻头能收缩和扩大，并能钻到中风化岩层。土是通过管桩内孔从桩顶排出来，整根管桩随着钻头的深入跟着下沉，沉到设计标高后，再注浆固结。这种工法的特点是由管桩本身作为护壁，其施工机械见图5。2014 年上半年，由广州市建筑科学研究院等主编的行业标准《随钻跟管桩技术规程》已进入报批稿阶段。

（2）静钻根植施工法：浙东建材集团近几年来研制静钻根植施工法植桩已颇有成效，该工法工艺过程为钻孔→扩头→注浆→植桩（见图6），可将Φ500～Φ1200mm 的组合桩植入地基中，最大深度可达90m。这种工法最大的特点为：螺旋钻孔时将部分桩孔中的土取出，剩余的土加上1∶1 的水泥浆进行搅拌，变成强度不高的水泥搅拌桩作为护壁，所以这种工法溢出的水泥浆量不多，加上固化剂后基本上消除了溢出的泥浆。

（3）钢套管护壁潜孔锤凿岩的嵌岩植桩法：潜孔锤（见图7）配置一套相应的空压机供气系统，可高效率打孔入岩，所以比较容易将持力层的中风化岩或微风化岩破碎，钢套管是作护壁用，等预制桩放到持力岩层后，就可将钢套管拔出，这种方法较适用于桩身较短的嵌岩植桩（见图8）。因为是嵌岩桩，一般来说桩身周边用不着灌浆固结。

    2· 管桩的发展趋向
    （1）管桩的生产和施工呈多样化
    根据我国地域辽阔、地质复杂、经济发展不平衡、法制不健全等特点，较长时期内我国管桩的生产将呈现多样化，高质量管桩起引领作用，低劣产品也不会很快退出历史舞台。但我们行业协会要旗帜鲜明，提倡生产应用节能、环保、高质量、高性能、可持续发展的管桩产品。
    施工方面也会呈现多样化。至今，日本已有90%以上采用钻孔植桩的沉桩工艺，我国短期内可能难以做到，但随着钻孔植桩工法的推广应用，锤击法、静压法沉桩这两种传统的施工工法所占的比例会逐渐减少。
    （2）应大力推广应用PRC 桩，尤其是在8 度抗震设防地区
    常规的预应力高强混凝土桩的桩身强度很高，但抗弯性能较差，同时具有极限弯矩和开裂弯矩相差不大的缺点。破坏形式呈脆性，当桩出现开裂后，裂缝迅速蔓延，受拉区钢筋很快进入屈服和紧缩状态直至断裂。由于桩的抗水平承载力不足，因此，在抗震设防烈度大于等于8 度地区的建筑基础设计中，在基坑工程、边坡工程、护岸工程以及软土地区建筑桩基中的应用受到限制。福建、江苏、天津等省市有关单位出台了各种限制管桩使用的文件，如：管桩不能用于18 层以上的高层建筑基础等。
    为改善管桩的工作性能，提高高层建筑管桩基础的抗弯、抗水平力以及抗震能力，同时也为了扩大管桩的应用范围，迫切需要开发一种性能更好的预应力管桩。
    建华管桩集团、浙东建材集团、天津宝丰管桩厂等单位联合当地著名高校和科研机构研发了PRC 桩，并将PRC 桩与PHC 桩进行比较，发现PRC桩性能明显提高。
    建华管桩集团研究得出：PRC 桩的抗裂弯矩提高了10%～20%；极限弯矩和设计弯矩提高了30%～50%；桩身强度提供的竖向承载力提高了10%～20%。在标准试验条件下，延性增加了8%～30%；在工作条件下裂缝宽度减少了50%。
    天津大学的研究得出：配置非预应力筋的PRC桩开裂荷载和极限荷载都有极大的提高，滞回曲线较为饱满，构件呈延性破坏特征。配置非预应力筋能够显著提高PRC 桩的承载力、延性以及耗能能力。随着非预应力筋配筋率的提高，管桩的抗弯承载力随之提高，耗能性提高。
    由此可见，PRC 桩的抗震性能较好，是比PHC桩质量更高一级的管桩产品，今后我们应大力推广应用。
    此外，笔者认为：①要多做试验，使PRC 的结构构造更合理、更标准化； ②将PRC 桩写进GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》的修订稿中，使之成为比PHC 桩更高级的管桩产品；③争取在国标及各地方地基设计规范（程）中出现这样的表述：在8 度抗震设防区，应选用PRC 桩；在7 度抗震设防区或其他重要的、地质条件较差的工程，宜选用PRC 桩。
    （3）钻孔植桩，前途无量。
    钻孔植桩工法具有以下优点： ①成桩后桩身完整无损伤；②桩身承载力可提高三分之一；③提高桩身耐久性；④施工时无挤土效应；⑤施工时无噪音；⑥施工时无振动；⑦可使预制桩桩端进入中风化、微风化岩层；⑧使大直径管桩在陆地上的建筑工程中能得到应用；⑨不受送桩深度的限制；⑩桩的中心距基本控制为三倍桩径（3D）；(11)只要精心施工，可做到不用截桩；(12)沉桩时不用担心硬夹层或厚砂层；(13)适用于各种地质条件；(14)灌注桩桩身弊病不会在植桩上出现；(15)桩身可以任意组合；(16)植桩比灌注桩更节约建材；(17)植桩基础可以做到设防烈度8 度、9 度的抗震要求；(18)管桩接头可以做得更牢固可靠；(19)管桩的外表面可以涂抹防腐剂；(20)桩端能做成扩大头；(21)施工速度快，施工文明；(22)植桩造价比钻孔灌注桩便宜； (23)施工全程可视可控，质量有保证；(24)工程质量检测简单、省时。
    从以上优点中可以看到：采用钻孔植桩工艺的桩基，消除了预制桩和灌注桩工艺中存在的缺陷，集成了预制桩和灌注桩这两种桩型和工艺的优点，且集成后基桩质量更好，抗震、抗水平能力大大提高，使大直径管桩在建筑工程中能得到广泛应用，是一种较理想的桩基。
    3· 结语
    （1）PRC 桩是当前质量较好、性能较佳的一种先张法预应力混凝土管桩；钻孔植桩工法是目前预制桩施工法中较完美的一种工法。所以，PRC 桩和钻孔植桩工法的推广应用，是我们管桩行业今后需要做的两件最重要的工作，也是我国管桩行业的发展趋向。
    （2）真正要把钻孔植桩工法在全国推广普及，估计还需5～10 年时间才能成熟，机械设备、钻孔工艺、灌浆技术、大直径管桩制作、承载力计算、施工监控、桩基检测、新型接头以及桩头与承台联接技术等，都有待我们深入研究和努力实践。