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預應力混凝土管樁在高層建筑中的應用 摘 要：闡述預應力混凝土管樁及其特點，說明預應力混凝土管樁是高層建筑中一種較好的樁基礎之一，分析預應力混凝土管樁基礎設計、施工的有關(guān)要求。 關(guān)鍵詞：預應力混凝土管樁 優(yōu)缺點 設計 施工 1 預應力混凝土管樁的概述 預應力混凝土管樁是近二十年來發(fā)展起來的一種新型的樁基形式，是采用高強混凝土和高強度的預應力混凝土用鋼棒，在工廠用離心法和預應力預制而成。預應力混凝土管樁包括高強預應力混凝土管樁（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）。預應力混凝土管樁按外經(jīng)分為300mm、400mm、500mm、550mm、600mm、800mm和1000mm等規(guī)格。建筑中應用最廣泛的為高強預應力混凝土管樁，預應力混凝土薄壁管樁僅能用于臨時建筑。常用的管樁外經(jīng)為300mm、400mm、500mm、600mm等規(guī)格。預應力混凝土管樁按樁身混凝土有效預壓應力值分為A型、AB型、B型和C型，各種型號管樁均有其相應的抗彎性能指標。 2 預應力混凝土管樁的優(yōu)缺點 2.1 實踐證明，預應力混凝土管樁有如下優(yōu)點 2.1.1 單樁承載力高 預應力混凝土管樁樁身混凝土強度高，尤其是高強預應力混凝土管樁，樁身混凝土強度可高達80Mpa，并可打入密實的沙層及強風化巖層，由于擠壓作用，管樁承載力要比同樣直徑的沉管灌注樁或鉆孔灌注樁高。 2.1.2 抗彎抗裂性好 采用高強度鋼棒和預應力工藝，與普通混凝土預制樁相比具有較強的抗裂性和較強的抗彎性剛度，在運輸?shù)跹b過程中及施打過程中均能保持樁身完好。 2.1.3 符合環(huán)保要求 運輸?shù)跹b方便，接樁快捷，施工現(xiàn)場整潔文明。 2.1.4 成樁質(zhì)量可靠，施工速度快，工效高，工期短。 縮短工期是預應混凝土管樁的最大優(yōu)勢，預應力混凝土管樁不需要等待28天齡期，成樁后即可作樁基檢測。 2.1.5 適應性廣 可用于工業(yè)與民用建筑工程基礎，大型設備基礎，橋梁和碼頭的基礎及擋土墻等，尤其是其樁身混凝土強度高，對各種地質(zhì)地層有較強的穿透能力。 2.1.6 單位承載力造價便宜，經(jīng)濟效益好。 因預應力混凝土管樁單樁承載力比同直徑的沉管灌注樁和鉆孔灌注樁高，并可拼接，管樁長度與沉管灌注樁和人工挖孔樁相比受施工機械和地質(zhì)條件的限制較少。衡量樁基的經(jīng)濟效益，以每米造價或以單方混凝土造價對比都是不科學的，應以單位承載力（每噸或每千牛）的造價作對比。雖然預應力混凝土管樁每米造價比沉管灌注樁高，但其單樁承載力高，結(jié)果每噸承載力造價比沉管灌注樁經(jīng)濟，雖然預應力混凝土管樁單方混凝土造價比人工挖孔樁和鉆孔灌注樁高，但每噸承載力的造價在正常情況下還是比人工挖孔樁和鉆孔灌注樁便宜。 2.2 預應力混凝土管樁也有它的缺點和局限性 2.2.1 采用錘擊法施工，包括簡式柴油錘、液壓錘、高頻錘等，都伴有震動劇烈或噪音大，擠土量大，會造成一定的環(huán)境污染和影響。采用靜壓法施工，無震動、無噪音，但擠土作用依然存在。 2.2.2 有些工程地質(zhì)條件不適合使用預應力混凝土管樁，如含孤石或障礙物較多且不易清除的土層；樁端以上存在難以穿透的堅硬隔層的地區(qū)；石灰?guī)r地區(qū)；硬質(zhì)巖殘積土及強風化層很薄且其上為松軟土層的地區(qū)。 3.預應力混凝土管樁的發(fā)展 預應力混凝土管樁雖然有許多優(yōu)點和長處，但在八十年代末以前推廣步伐較慢，一方面是工藝技術(shù)條件收到限制，同時也有社會經(jīng)濟體質(zhì)等諸多因素，造成預應力混凝土管樁發(fā)展較慢。八十年代末直到九十年代，才在我國華東、華南特別是廣東地區(qū)由于受到港澳地區(qū)應用預應力混凝土管樁的影響，預應力混凝土管樁得到迅速發(fā)展。九十年代末到現(xiàn)階段，預應力混凝土管樁在國內(nèi)各省均得到迅速推廣。 隨著人們近二十年來的工程實踐，不斷總結(jié)、積累預應力混凝土管樁使用中的豐富經(jīng)驗，解決了預應力混凝土管樁的許多工藝技術(shù)等問題，如接樁和截樁等問題，便得預應力混凝土管樁的使用技術(shù)越來越成熟。 今天，隨著社會經(jīng)濟建設突出猛進的發(fā)展，經(jīng)濟體制的改革，經(jīng)濟觀念的更新，預應力混凝土管樁特別是高強預應力混凝土管樁廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、鐵路、公路、碼頭、港口等工程建設中。從國內(nèi)各省的應用情況來看，以工業(yè)與民用建筑用量最大。預應力混凝土管樁既適用于多層建筑，也適用于高層建筑。特別是近些年來，全國各地高樓大廈的建設如雨后春筍，高強預應力混凝土管樁更是在10層到30層高層建筑中得到大量應用，倍受業(yè)主方的青瞇。目前，高強預應力混凝土管樁已經(jīng)成為10層到30層高層建筑的常用樁基礎之一。 4、預應力混凝土管樁基礎的設計 4.1 分析預應力混凝土管樁的適用性 設計方要根據(jù)工程的巖土工程詳細勘察報告，判斷地質(zhì)情況是否適合采用預應力混凝土管樁?？紤]采用預應力混凝土管樁時沉樁振動、噪音及擠土效應對周邊環(huán)境的影響等因素，確定預應力混凝土管樁的適用性。 4.2 預應力混凝土管樁基礎的一般規(guī)定 設計人員要根據(jù)建筑規(guī)模、功能特征、對差異變形的適應性、場地地基和建筑物體形的復雜性以及由于樁基問題可能造成建筑破壞或影響正常適用的程度，將樁基設計按規(guī)范的有關(guān)規(guī)定確定合理的設計等級。 預應力混凝土管樁基礎應按規(guī)范的有關(guān)規(guī)定進行承載能力和穩(wěn)定性計算。預應力混凝土管樁作為抗拔樁使用時，應滿足規(guī)范的有關(guān)規(guī)定?？拱晤A應力混凝土管樁宜采用AB型、B型或C型PHC樁或PC樁。侵蝕性環(huán)境中采用預應力混凝土樁作抗拔樁時，應采用閉口樁尖，且樁全長灌芯，抗拔鋼筋通長設置。 預應力混凝土管樁基礎應合理選用管樁的最小中心距。管樁間距大小會影響管樁的承載力。預應力混凝土管樁的最小中心距應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。國內(nèi)有些省市發(fā)布了預應力管樁混凝土管樁基礎的地方標準，對預應力混凝土管樁的制作、設計、施工作了很詳細很有經(jīng)驗的規(guī)定。其中管樁的最小中心距也作了相應規(guī)定。目前，在高層建筑中，大面積的預應力混凝土管樁群被廣泛應用，打樁引起的土體上涌現(xiàn)象很明顯，沉樁中擠土效應對鄰近樁承載力及樁身結(jié)構(gòu)的影響的因素，不能忽視，群樁的樁距應大于少樁的樁距。有些地方規(guī)程中規(guī)定少樁時管樁的最小中心距為3.5D，群樁時為4.0D，摩擦樁為4.5D，我個人認為這是有實踐經(jīng)驗的，也是很有必要的。樁最小中心距加大雖然導致承臺面積增大，配筋增加，但實際設計中，綜合各種因素考慮預應力混凝土管樁的最小中心距合理采用最小中心距是設計人員不能忽視的。 預應力混凝土管樁與承臺的連接應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。受壓預應力混凝土管樁與承臺連接采用插筋時，插入管樁頂填芯混凝土長度不宜少于1.2M，宜采用熱軋帶肋鋼筋作連接鋼筋，配筋率按樁外徑實心截面計算不應小于0.6%。鋼筋錨入承臺內(nèi)的長度應滿足GB50010中鋼筋錨固長度的要求。填芯采用補償收縮混凝土，強度等級不應低于C30且不應低于承臺和承臺梁的混凝土強度等級。 預應力混凝土管樁的接頭數(shù)應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。不宜利用截樁余下的部分作接長使用。預應力混凝土管樁上下節(jié)拼接可采用端板焊接連接、法蘭連接或機械接頭連接，接頭應確保管樁內(nèi)縱向鋼筋與端板能有效傳力，接頭連接強度應大于管樁樁身強度。 預應力混凝土管樁接樁處理時，受壓樁接樁時外包混凝土應延伸至樁頂以下一倍樁經(jīng)且不小于0.5m，混凝土強度等級應經(jīng)計算確定且不應低于C30，外包混凝土外徑不得小于樁徑加300mm，外包混凝土縱向鋼筋配筋率不宜小于0.6%，箍筋可采用中8@100mm。除采取上述措施外，管樁內(nèi)孔尚應采用強度等級不低于C30混凝土灌芯，灌芯深度不小于1.2m（自接樁處算起），配筋及構(gòu)造應符合有關(guān)標準的要求。對于抗拔樁及受水平力較大的預應力混凝土管樁，接樁時應進行專門的計算。 預應力混凝土管樁基礎基抗挖土應分層進行，高差不應過大，軟土地區(qū)的基抗開挖，應采用小型機械配合人工分層均衡進行，高差不應超過1.0m。 4.3 樁尖的選擇 預應力混凝土管樁樁尖應根據(jù)場區(qū)地層和布樁情況設置，可采用閉口型或開口型樁尖。當樁端位于飽和砂類土或遇水易軟化的土層時，以及樁具有抗拔功能時，應選用閉口樁尖，且在樁端澆注1.2m厚度以上的補償收縮混凝土或中粗砂拌制的水泥砂漿，混凝土強度等級不宜低于C20，水泥砂漿強度等級不宜低于M15。閉口型樁尖分為平底型、平底十字型及錐形等，視沉樁需穿過的土層性質(zhì)、打（壓）樁力的大小而選用合適的樁尖。樁尖鋼板厚度不宜小于16mm，且應滿足沉樁過程對樁尖的剛度和強度要求。 4.4 預應力混凝土管樁的承載力 預應力混凝土管樁的承載力由樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力設計值和單樁承載力特征值決定。其中樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力設計值可以查國家建筑標準設計圖集03SG409確定。預應力混凝土管樁的單樁豎向抗壓或抗拔承載力特征值在初步設計時，根據(jù)巖石工程勘察報告，土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系估算，再結(jié)合規(guī)范有關(guān)參數(shù)及本地區(qū)經(jīng)驗綜合選定。完成管樁的單樁豎向承載力特征值的選定后，設計人員必須仔細根據(jù)國標圖集03SG409中各種規(guī)格樁的相關(guān)參數(shù)選用合理規(guī)格樁及樁型。選定樁型后進行工程樁施工之前的試樁，根據(jù)試樁的單樁豎向靜載荷試驗確定單樁豎向抗壓承載力特征值或單樁豎向抗拔承載力特征值。工程樁不得用作抗拔靜載荷試驗的試樁。工程樁施工后，單樁豎向承力特征值最終以單樁豎向靜載荷試驗為準。 當工程地質(zhì)情況較好的情況下，單樁豎向載力特征值往往可以達到預應力混凝土管樁樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力，也就是說單樁豎向承載特征值在工程地質(zhì)情況較好的情況下，通常根據(jù)預應力混凝土管樁樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力來確定，在實際設計中，為了充分發(fā)揮預應力混凝土管樁樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力的作用和取得較好的經(jīng)濟效益指標，一般也是這樣設計的。 5．預應力混凝土管樁的施工 5.1 施工機具 根據(jù)設計文件、巖土工程勘察報告、施工場地周邊環(huán)境情況，選擇適宜的沉樁機械。對采用錘擊法施工，打樁錘宜選用簡式柴油錘、液壓錘、高頻錘，不宜采用自由落錘打樁機，根據(jù)單樁豎向承載力，樁的規(guī)格，入土深度等因素，并遵循重錘低擊的原則綜合考慮后選用。采用靜壓法沉樁時，靜壓樁機宜選用液壓式樁機。可選用頂壓式或抱壓式，樁機的型號，最大壓樁力必須滿足樁身力學參數(shù)和設計要求。樁機總量不小于最大壓樁力的1.2倍（不含靜壓樁機大履和小履的重量）。PTC樁不宜采用抱壓式沉樁。 5.2 沉樁 預應力混凝土管樁沉樁過程中，沉樁順序綜合考慮下列原則：宜從中間向四周進行；按樁的入土深度，宜先深后淺；按管樁的規(guī)格，宜先大后??；按高層建筑塔樓與裙房的關(guān)系，宜先高后低。樁間距較密時宜采用跳打。 沉樁時，管樁的傾斜率應嚴格控制，第一節(jié)管樁起吊就位插入地面時的傾斜率不得大于0.5%。靜壓法施工沉樁速度不宜大于2m/min。沉樁時宜將每根樁一次性連續(xù)施工到底，盡量減少中間停歇時間，避免在接近設計深度時進行接樁。對采用閉口樁尖的管樁，當?shù)谝还?jié)樁插入土層后應及時在管樁內(nèi)孔灌注符合規(guī)范有關(guān)要求的混凝土或水泥砂漿。 5.3 接樁 工程中應根據(jù)試樁的沉樁試驗及地層結(jié)構(gòu)合理配置樁段，盡量減少接樁。接樁工藝及質(zhì)量是預應力混凝土管樁質(zhì)量的控制因素之一。一根樁的接頭數(shù)應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。接樁可采用端板焊接連接、法蘭連接或機械頭連接。接頭連接強度應大于管樁樁身強度。當管樁需要接樁時，其入土部分樁段的樁頭宜高出地0.5-1.0m。 焊接接樁應符合現(xiàn)行標準《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81，《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205中二級焊縫有關(guān)規(guī)定。焊縫層數(shù)不得小于兩層，內(nèi)層焊渣必須清理干凈后方能施焊外層；焊縫應飽滿連續(xù)，焊好的樁接頭應自然冷卻后才可繼續(xù)施工，自然冷卻時間不應少于1min；不得用水冷卻或焊完即施工。樁身接頭焊接外露部分宜作防銹處理。 5.4 送樁 當樁頂沉至接近地面需要送樁時，應測出樁的垂直度并檢查樁頂質(zhì)量，合格后立即送樁。錘擊沉樁的最后貫入度應參考同一條件下的樁不送樁時的最后貫入度予以修正；靜壓沉樁到達預定油壓值后的穩(wěn)壓時間不少于3min，穩(wěn)壓時如油壓值上升，可以停止沉樁。 送樁深度應符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定，送樁超深時，應采取有效的技師措施。 5.5 截樁 管樁頂高于樁頂設計標高，需要截樁時。截樁宜采用鋸樁器，嚴禁采用大錘橫向敲擊截樁或強行扳拉截樁。應確保截樁后管樁的質(zhì)量。截樁時應保留樁身全部預應力鋼筋，預應力鋼筋可以斜線形或斜折線形埋入承臺內(nèi)，錨入承臺內(nèi)的錨固長度應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，樁頭的錨固構(gòu)造應符合規(guī)范的有關(guān)要求。 6.檢驗與檢測 預應力混凝土管樁運到工地后，應進行管樁的規(guī)格，型號、質(zhì)量的全面檢查，并應符合有關(guān)標準的規(guī)定。工程樁施工前，應按規(guī)范的有關(guān)規(guī)定進行單樁豎向靜載荷試驗，并實壓至破壞，試樁數(shù)量應符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定。工程樁應進行樁位的驗收檢測。樁位偏差應符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定。工程樁應進行單樁豎向抗壓承載力的驗收檢驗，其檢驗應符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。工程樁應進行樁身完整性的驗收檢測，其檢測方法及數(shù)量應符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定。 7.結(jié)語 通過近二十年來預應力混凝土管樁在高層建筑中的應用證明，采用預應力混凝土管樁可以大幅度縮短施工工期，可以降低土建的工程費用。目前，預應力混凝土管樁工藝技術(shù)已經(jīng)相當成熟。預應力混凝土管樁尤其是高強預應力混凝土管樁是高層建筑中一種較好的樁基礎之一，可以給業(yè)主方帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，它將會有更新的發(fā)展。 參 考 文 獻 [1] 廣東省標準《預應力混凝土管樁基礎技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15-22-98) [2] 湖北省地方省標準《預應力混凝土管樁基礎技術(shù)規(guī)程》(DB42/489-2008) [3]《先張法預應力混凝土管樁》(GB13476-1999) [4] 國家建筑標準設計圖集03SG409