不同地质环境下PHC管桩施工质量控制

关键词：PHC管桩；不同地质环境；施工质量控制 

　　PHC管桩，即预应力高强度混凝土管桩，是20世纪60年代后期我国逐渐应用在铁路桥梁工程基础建设的一种新型可靠的建筑材料。随着我国经济建设的加快和建筑技术的发展，PHC管桩在如今我国社会中已经被广泛地应用在了不仅铁路桥梁工程，甚至包括工业与民用建筑、公路、冶金等领域中。因此，在PHC管桩施工中难免会遇到不同的地质环境，为了在这种情况下，保障PHC管桩的施工质量，就要针对不同的地质环境采取相对应的施工技术。本文就不同地质环境下PHC管桩施工质量控制进行了探讨，以期能为PHC管桩在不同地质环境下的施工提供参考。 

　　1 PHC管桩概述 

　　PHC管桩具有较好的抗裂、抗弯性能以及一定的穿透能力，可以任意接长桩的长度，国内已有80m长的PHC管桩项目施工完成，并取得了良好的效果。另外PHC管桩还具有成桩质量高，施工速度快，施工工期短、对环境污染小等优点。但PHC管桩也有其适用的土层，在不同的地质条件下，PHC管桩施工产生的挤土效应会引起土体的隆起，桩体上浮等问题，另外，在某些地层中会出现承载力不足，沉桩困难、桩体断裂等情况。 

　　2 砂性土质条件下PHC管桩的施工 

　　密实砂土层中的标准贯入试验和静力触探试验结果表明，将PHC管桩静力压入砂层地基中极困难。通常情况下，常用桩位处预引孔技术来解决静压沉桩困难情况，但由于砂性土结构松散，粘聚力小，土体受扰动易发生液化、流砂等特点，在砂性土地基中预引孔及压桩过程中极易出现塌孔从而导致沉桩困难或失败。 

　　为了解决砂性土地基中引孔易塌孔问题，可采用大密度泥浆护壁来解决。某住宅小区静压PHC管桩施工时，为了穿越砂层，采用螺旋钻机引孔作业的同时配制密度不小于1.15g/cm3的膨润土泥浆，以0.6MPa压强将泥浆通过中空螺旋钻杆注入预引孔内，在砂土孔内壁形成泥皮以利于砂土孔壁稳定。同时螺旋钻机和静压桩机协调配合，使引孔作业和压桩作业连续进行，避免成孔留置时间过长而增加砂土塌孔的可能性。该工程桩基竣工时，低应变反射法检测结果显示I类桩占到80%左右，无III、IV类桩。 

　　当PHC管桩需要穿越的砂层较厚时，静压桩施工极为困难，应优先采用锤击法进行施工。确定施工机械时，应选用筒式锤，采用“重锤低击”方式进行施工。同时，应选用能穿越硬土的开口桩尖或者穿透力强的锥形桩尖；为了减少管桩的挤土效应和土塞效应，可辅助引孔措施。 

　　当PHC管桩的持力层为砂层时，引孔将扰动土体，损失大部分土体的有效承载力，为了保证单桩承载力，将不宜使用引孔措施，此时锤击的大部分能量作用在桩身上，桩头部分受到的应力最大，为了避免桩头应力过大而导致破坏，可以通过调节桩机燃油泵的排油量来减少锤击能。具体的做法为调整顶杆与顶销之间的调整垫片的厚度，从而调整压油杠杆与泵体安装平面之间的距离，垫片越厚，相同挡位上的供油量越少。沉桩过程中因超孔隙水压力上升引起的“抱头效应”可通过施工休止来消除，并通过休止复打来控制桩体的上浮。 

　　3 深厚软粘土条件下PHC管桩的施工 

　　软土具有含水量高、饱和度高、垂直渗透性低以及抗剪强度低、压缩性高以及承载能力低、结构性强、灵敏度高等特点。PHC管桩沉桩过程中，随着应力的增大和土骨架间联结的破坏，土骨架间的有效应力转移到孔隙中的水体中，从而引起桩周土体孔隙水压力升高，有效应力减小。若土体中的超孔隙水压力未得到及时、有效的消散，将造成桩基的承载力下降。在超孔隙水压力以及地下水对管桩产生的浮力以及由于管桩施工产生的挤土效应的共同作用下，管桩会产生上浮现象。只有等到超孔隙水压力消散到小于单桩抗浮极限承载力标准值与管桩自重之和时，管桩才会停止上浮。为了减轻管桩上浮以及土体的挤土效应，在管桩施工时应降低打桩速度，保证土体有足够的休止时间，同时使打桩过程中形成的超孔隙水压力得到及时的消散，桩周土体重新固结，桩周土体有效应力增大，土体强度增强。待超孔隙水压力消散后，对上浮的管桩应进行复打。为了减轻挤土效应，应根据现场具体情况采取应对措施： 

　　（1）测量桩顶、桩周及周围建筑物的位移，掌握地基土体的隆起和管桩的上浮情况并测量打桩引起的超孔隙水压力的积累和消散过程。 

　　（2）设置应力释放孔，减少地基土体的变形及其影响范围，释放沉桩所产生的有效应力并加快超孔隙水压力的消散。 

　　（3）在压桩场地四周及邻近建筑物的地方开挖防挤沟，减小浅层土体的侧向位移和隆起，并降低沉桩对邻近建筑物基础的影响。 

　　（4）设置袋装砂井、塑料排水板或者采用井点降水措施，降低地下水位，改善土体的排水性质，加快消散沉桩引起的超孔隙水压力，提高土体的强度以增大其对土体变形的约束力。 

　　（5）采取预引孔措施，提高桩的排土量，可显著减小沉桩挤土对地基变形及超孔隙水压力得到影响程度和范围。 

　　（6）采取跳打方式进行沉桩，并根据挤土情况适当增加跳打的间距。 

　　上述措施结合实际工程情况，可以单独使用也可结合使用。 

　　某桩基工程，场地原始地貌为海滨滩涂，场地素填土厚度约7m，淤泥层厚约5m～11m，淤泥层下依次为粉土、粘性土以及强风化岩，地下水位较高，设计选用PHC-95A-400以及PHC-95A-500型管桩，桩位分布较密集。施工过程中，由于工期紧张，10天时间内共完成了1069根静压管桩施工。由于施工速度太快，且土层的透水性差，施工中产生的超孔隙水压力难以消散，导致管桩上浮严重，对管桩的沉降观测结果显示，PHC-95A-500型管桩上浮量在20～104mm之间，PHC-95-400型管桩沉降量在20～55mm之间。针对此情况，对上浮桩采取了取消桩尖、降低成桩速度以及加大跳打间距，并对施工完毕的管桩全部复压等措施，处理结果仍不理想，待沉桩后25天对管桩重新复压，才控制住管桩上浮。后续施工的管桩采取了增大终压力、增加复压次数、增长复压时间、加大跳打间距等措施，效果良好，观测结果显示后续施工的管桩基本无上浮情况。

　　4 岩溶地质条件下PHC管桩的施工 

　　岩溶地区溶洞发育复杂多样，覆盖土层性质不一，岩层出露变化大，岩层面倾角大且常常还有土洞伴生。岩溶及土洞均为不良地质，存在岩溶及土洞的场地，原则上应该舍弃或绕避，否则可能增加地基处理的工作量。若考虑到其他因素，仍作为建设场地使用时，应查明岩溶的埋藏条件、发育情况及发育趋势以及地下水情况，且优先选用灌注桩作为建筑物的基础。当岩溶比较稳定时，可选用PHC管桩基础。在溶岩地区采用PHC管桩的优势主要为：有效利用覆盖土层的承载力，且可以直接穿越溶洞、土洞，克服灌注桩等其他桩型成孔难的缺点。但在施工过程中面临着承载力不足、断桩等问题。 

　　当覆盖土层较厚，管桩有较好的持力层时，可以考虑把桩端落在溶洞以上一定距离的持力层中，但是要注意前提是溶洞比较稳定，若是不稳定的溶洞，考虑到溶蚀继续作用的不利影响，这种桩基方案绝对是比较冒险的。 

　　当覆盖层较薄时，管桩需穿过溶洞，把桩端落在稳定的持力层上，但是溶洞形状各异，打桩过程桩端在遇到斜度较大的接触面时，偏心受压容易产生断桩。所以在岩溶地区使用管桩要慎之又慎。若基岩的承载力太低，不能满足单桩承载力要求，此时需要在PHC管桩的基础上配合桩底加固等辅助措施，先把管桩打到距岩面一定高度处，然后根据溶洞的发育程度、溶洞的大小以及顶层岩面的厚度及倾斜情况，采用桩底注浆或高压旋喷工艺把桩底至岩面的土层加固到一定的强度，从而提高管桩的承载力。若有必要，还应将顶层的溶洞注浆填充加固。 

　　某住宅楼，根据地勘报告，场地土层中有溶洞及土洞。其中，土洞夹在粉质粘土之间，土洞填充物层厚0～6m，土体呈饱和、流塑状；溶洞夹在中风化灰岩之间，溶洞填充物层厚0～2m，土体饱和，流塑～软塑状。工程原设计采用冲孔灌注桩方案，以中风化灰岩为桩端持力层，造价约为400万元，工期约90天。考虑到灌注桩方案工期较长，经多方论证，最终采用PHC管桩复合地基加筏板基础的方案，节约造价近20%，工期减小至30天左右。PHC管桩选用PHC-94A-400型，选择中风化灰岩为持力层。在有溶洞及土洞的区域，PHC管桩施工完成后，采用直径600mm的双重管旋喷注浆处理，加固管桩周围的薄弱土层。注浆引孔直径为110mm，复合浆液的配合比为水泥：重钙粉：粉煤灰=1：3：3，水灰比1：1，注浆压力为0.5～1.0MPa。施工完成后，选取6根桩进行单桩复合地基承载力检测，均满足设计要求。 

　　岩溶地区PHC管桩施工时断桩的原因较多，除了管桩自身的材料缺陷以及施工机械的原因外还和地质情况和打桩工艺有关。岩溶地质方面的原因主要有：施工时遇到较大的溶洞或土洞，管桩穿透溶洞顶板后，突然快速下滑导致断裂；由于岩面不平，地层不规则，在施压过程中，桩下端碰到倾斜基岩或陷入溶沟、溶槽而断裂。打桩工艺方面的原因主要有：沉桩入土速度过快，遇到突变岩面或孤石导致管桩应力过大而断裂。施工时应采取有效措施防止或减少断桩的发生。 

　　（1）沉桩前，应研究桩位附近的地勘钻孔资料，了解各贯穿土层的分布和物理力学性质，并查明地下溶洞、土洞的位置和规模，严格按照地勘资料确定管桩的长度。 

　　（2）当管桩的入土深度接近计划桩长或桩的入土压力急剧增大时，应控制管桩的入土速度，避免桩下端碰到倾斜岩面。 

　　（3）采用倒锥型桩尖，增大桩尖刺入岩面的嵌入力，减少管桩顺岩面产生的滑移。 

　　（4）严格控制管桩的质量，对桩身出现裂纹、麻面等缺陷的管桩严禁使用，并控制好上下两节桩之间的焊缝质量。 

　　（5）施工过程中，当发现沉桩机械抖动，压桩力持续稳定、压桩力瞬时降低等异常情况时，应立即用测绳对桩身进行探测，检验是否断桩。 

　　5 结语 

　　综上所述，PHC管桩具有单桩承载力高、沉桩质量可靠、造价便宜等优点使其得到广泛应用，特别是在沿海地区。因为PHC管桩应用广泛，所以会面对不同的地质环境，因此，为了保障PHC管桩的施工，就要根据不同的地质条件，制定合理的工艺管理措施，精心组织施工组织设计，从而提高成桩的质量，保障管桩的施工。 

　　参考文献： 

　　[1]邱伟东.PHC管桩沉桩施工中的问题及对策探讨[J].城市建设理论研究.2011（09）. 

　　[2]孙仓龙、邹林昆.复杂地质条件下PHC管桩的设计优化及施工实践[J].建筑科学.2004（06）.