PHC管桩在温福铁路软土地基加固中的应用
2009-09-28
引言：温福铁路在福建连江车站位置进行了高强预应力砼管桩在铁路软土地基加固中应用的试验，该试验段工程通过对桩基承载力、应力传递规律、桩、土应力的分布及变化情况、地基变形等实测数据的分析研究，对预应力管桩的设计（单桩承载力、桩型及桩间距、桩帽及网垫层等）具有重要的指导意义。笔者做为该试验段施工技术人员，全过程参与了该试验工程，本文亦是对该工艺的施工总结。
1、工程简介
温福铁路是从浙江温州到福建福州的高速铁路，设计时速200KM，本试验段在靠近福州市的连江县进行，自DK275＋000～DK275＋400，共400m长，预应力管桩加固区段为310m，在DK275＋270的位置有一座灌溉涵，该涵洞的基底加固也采用管桩加固。其中φ400mm的桩有46根，φ500mm的桩有1307根，设计单桩允许承载力是900KN。桩的布设呈正方形布置，最小桩间距为2m，最大桩间距为3m。在正式施工前用了静力压桩机和柴油锤击机各进行了8根工艺性试桩。
2、工程地质及水文概况
工点范围均为第四系地层覆盖，上部为全新统滨海滩涂—溺谷相沉积形成，底部粘土属坡残积成因，下伏基岩为燕山期凝灰岩、侵入岩，地下空隙潜水发育，埋深0～1m。地基土各层的岩性及主要物理力学指标分述如下：
(1)粉质黏土，褐黄~灰绿色，硬塑，局部夹少量砾石，表层0.4~0.6m为种植土，含植物根茎，该层厚0.4~2.1m，工点范围部分分布。
(2)淤泥，浅灰色，流塑。手感细腻，分布均匀，含少量腐殖物，有机质含量2.8~7.9%，局部夹粉细砂透镜体。由于地处临海的山前平原，其横、纵向分布随基岩面起伏变化较大。具高压缩性、低强度的特点，灵敏度标准值7.1，属灵敏性粘性土。层厚10.5~19.7m。
(3)粉质黏土，褐黄色、灰绿色、浅灰等色，软硬分布不均，海陆交互相成因夹粗砂、砾石、碎石土、淤泥质黏土等透镜体，厚3.6～28m；
(3)-1～(3)-7淤泥质黏土，浅灰色，流塑，夹少量腐植物及贝壳，后0～6.0m；局部夹圆砾土，粗砂、粉砂、砾砂、碎石土透镜体，灰色夹灰黄色，中密，饱和。
(4) 花岗岩，全风化呈砂土状，标贯击数N＝25～50，厚%26gt;2m；
(5) 凝灰岩，灰绿色或灰白色，全风化呈砂土状，标贯击数N＝16～35，厚%26gt;10m。
3 、施工准备
3．1、施工便道
施工前的机械进场和施工过程中的管桩进场，都是通过施工便道进出，在其上行驶的都是重车，所以施工便道的承载能力要求较高。本工程施工便道底层用片石挤除原地面表层的淤泥，这样便道日后就不会出现“弹簧土”，中层用隧道施工弃碴填筑，便道上层用2－4cm的碎石加石屑铺筑。
材料使用上基本为材下粗上细，这样既能保证便道的稳定，又能使便道表面平整，易于修整。施工便道要尽量取直，减少不必要的弯道。在施工区域内，便道应该在打桩范围外，这样桩机施工时就不会影响到便道的畅通，而且已施工好的管桩也不会被行驶车辆挤压。
3．2、工作垫层
本试验段的施工位置上原先为当地百姓的稻田，表层土为常年种植土，承载力差，而单台静力压桩机加配重将会有三百多吨，所以必须在施工区域内铺设工作垫层，提高地基地承载力，保证桩机施工时不会沉陷。一般要求工作垫层铺设后，其承载力不少于100KPa。工作垫层的材料可以用隧道爆破时的弃碴，但是大块片石不能使用，否则施工时易引起桩位的偏差。由于静压桩机的机体庞大，工作垫层的铺设宽度要足够，本次施工时以最外测桩加宽5米来控制工作垫层的铺设宽度。
3．3、测量放样
根据设计交付的导线资料，先进行导线点复测，经复核后根据施工图纸和现场的施工情况，在距离Ⅰ道左侧30m远的位置，沿线路方向每隔25m设置一个控制点，该控制点作为桩位放样时经纬仪的架镜点和后视点。该控制点距离最边缘管桩有18.8m，仍然存在挤土效应，所以每周都要用全站仪复核、校正一次控制点。
根据实际打桩线路图，按施工区域划分测量定位控制网，一般一个区域内根据每天施工进度放样10～20个桩位，在桩位中心点地面上插入一支约30～40cm长的小竹片桩，并用红油漆作好记号。并以工程桩位为中心用白灰按直径大小画一圆圈，以方便插桩和对中。对放出的轴线和桩位，经自检后，请监理工程师进行复核检查，在沉桩过程中，要经常对控制点进行复核，并作好定位记录和技术复核记录。
3．4、施工机具和管桩材料的选择
本次施工采用静压和锤击两种工艺施工。静压桩机具有无噪音、无振动和无污染的优点。锤击机具有嵌岩能力强的特点。
本次施工静压机采用YZY-750T，全液压侧夹式桩机。锤击机采用滚管式行走的柴油锤桩机，锤型号为HD50型。所有施工机械均有检测的合格证书。桩锤的选择主要考虑柴油锤锤击能量大，施工速度快，工效高，还有“重锤轻击”的原则。
管桩采用建华管桩公司生产的PHC管桩，砼强度C80，严格按照《先张法预应力砼管桩》（GB13476-1999）制作,采用高压高温养护,单桩竖向承载力2820KN。
4、施工过程
4．1、静力压桩机
4．1．1、打桩过程
桩机进场安装后，移至需要施打的位置，启动平台支腿油缸，调整水平。起吊预制桩，先拴好吊装用的钢丝绳及索具，启动机器起吊预制桩，使桩尖垂直对准桩位中心，缓慢放下插入土中，当桩尖插入桩位，夹具抱紧管桩后，微微启动压桩油缸，当桩入土至50cm时，再次校正桩的垂直度和平台的水平度，保证桩的纵横双向垂直偏差不得超标，然后启动压桩油缸，把桩徐徐压下，控制施压速度，一般不超过2m/min。下压过程中做好记录，详细记录每入土两米时压力表的压力值。桩头距地面一米左右时停止压桩，吊机吊起另一节桩，开始接桩。接桩时新接桩节与原桩节的轴线一致，两施焊面上的泥土、油污、铁锈等要预先清刷干净。上下桩节间的缝隙应用铁垫片垫密焊牢，焊接时应采取措施对称施焊，以减少焊缝变形引起节点弯曲。焊缝应连续、饱满。接桩处的焊缝应自然冷却不少于1min。接桩时在下节桩头上安装导向箍，以便新接桩节的引导就位。上节桩找正方向后，对称点焊4—6点加以固定，然后拆除导向箍。管桩焊接施工应由有经验的焊工按照技术规程的要求认真进行。接桩时，新接桩未固定前，也要用经纬仪在成90度夹角两方向观测垂直度，调整桩机水平。
4．1．2、停压标准
本次试验段φ40cm的管桩的终压力取不少于2000KN，φ50cm管桩终压力不少于2500KN，以硬塑粘土层或全风化基岩作为桩端持力层，达到要求后，还要稳压三次，每次不少于2min。
4．2、锤击机
4．2．1、打桩过程
由测量人员根据边桩控制桩，用J2级经纬仪定位放样后，在桩身上划出以米为单位的长度标记，以便观察桩的入土深度及记录每米沉桩的锤击数；第一节管桩起吊就位插入地面时的垂直度偏差不得大于0.5%，在两个成90度的方向上同时观测、校正；保证施工过程中，桩锤、桩帽和桩身的中心线应重合，否则管桩受到偏心锤打，容易发生受弯而折断。焊接接桩时桩头应高于地面0.5～1.0m，上下节桩段保持顺直，错位偏差不宜大于2mm。焊好的桩头应自然冷却后方可继续锤击，时间不少于8min，严禁用水冷却或焊好即打；打桩时锤垫选用15cm厚直纹木垫，桩垫用麻袋、木夹板，压缩后厚度12cm左右，锤击过程中经常检查及时更换；管桩的总锤击数不宜大于2000，最后1m锤击数不宜超过280；送桩前应检查桩的垂直度；软土层中施工，每根桩宜连续施打，停置时间不宜太长。
4．2．2、收锤标准
本次锤击桩只施工了φ50cm的管桩，要求桩端进入硬塑粘土层或全风化基岩，最后3阵的贯入度要求在20～40mm，且在最后10击的贯入度小于20mm的情况下收锤。
5、检测结果
本试验段PHC管桩施工后委托中科院武汉岩土力学研究所分别采用了静载和小应变检测，检测按照《JGJ106－2003》标准进行。小应变检测了133根，其中Ⅰ类桩占92％，Ⅱ类桩占8％，未发现Ⅲ、Ⅳ类桩。静载采用慢速维持荷载法检测了13根桩，最大荷载是1800KN（为设计单桩承载力的两倍值），初级荷载360KN，然后按每级加载180KN进行；从Q-S曲线看，曲线平缓，无明显陡降段，S-lgt曲线呈平缓规则排列，最大沉降量是27.61mm，单桩竖向极限承载力满足要求。
6、施工体会
6．1、工作垫层材料的选用
工作垫层用来改善原有地表的承载力，使桩机施工时行走平稳，但又不能影响到后续施工。如果工作垫层的材料有较多的大块片石，将会影响到管桩施工时的桩位和垂直度；但是粒径过细的材料对于改善地表土为淤泥质土或常年种植土的承载力的效果不明显，所以工作垫层材料的选用要恰当，材料粒径可偏大，但不能出现大块的片石。
6．2、管桩材料的堆放
管桩的堆放根据桩的规格、长度和使用先后及远近进行堆放；堆放场地选择在平整坚实的地方，使桩堆放后不会产生过大的沉陷，最下层与地面接触的垫木加宽加高。堆放时，桩下垫木设置两道，支承点的位置就在两点吊的吊点位置处，同层的两道垫木顶面保持在同一水平面上；当重叠堆放时，各层均设置垫木，并保证各层垫木上下对齐；堆放层数不超过三层；垫木选用耐压的木枋。
6．3、挤土效应
静压法施工预应力管桩属于挤土类型，往往由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态，产生挤土效应；桩机施工过程中焊接时间过长；桩的接头较多而且焊接质量不好或桩端停歇在硬夹层；施工方法与施工顺序不当，每天成桩数量太多、压桩速率太快、布桩过多过密等，都会加剧挤土效应。也有可能是某一土层的不排水抗剪强度低、压缩性高，桩在静压过程中，桩入土体使其产生冲剪破坏，同时对桩周围土体进行排挤，孔隙水受此冲剪挤压形成不均匀水头，产生巨大的超孔隙水压力，而上部杂填土层未做清理，使土体向上的应力无法释放，加大了地基土的侧向应力。本工程地处空旷地带，在距离施工区域左侧50m位置有一条小河，这成为天然的防挤沟，使得小河以外的居民房屋未受影响，而距离施工区域较近的边桩在每周的复核中均发现有位移，但位移量不大。
挤土效应的防治具有重要意义，特别是在周围有密集建筑的区域内施工。一般做法是先清除表层的杂填土，开挖防挤沟，设置应力释放孔，合理地安排打桩顺序，根据施工场地周围环境和挤土程度，静距离先施工，远距离后施工，必要情况下还应控制每天的压桩数量。如果允许管桩内腔涌入土体，使用开口型桩尖，也能有效地减小挤土效应。
6．4、终压标准
PHC桩作为端承桩，停压标准控制合理与否将直接影响到桩能否既达到设计承载力要求又不致被压坏的效果。实践证明：在桩材质量合格、沉桩正常的情况下，由于压桩压力而引起的桩身损坏多与停压标准控制不合理有关。同时由于PHC桩具有脆性破坏和抗拉应力低的特性，当压力较大，因桩机架配重不够，而导致桩机抬架所产生的冲击力极易使PHC桩产生裂缝或损坏，压断桩的情况也时有发生。因此，正确合理地控制停压标准，是PHC桩施工的一项重要技术。PHC桩停压标准的控制主要考虑以下两方面：桩入土深度和压桩力(贯入阻力)。施工时详细了解工程地质情况及有关设计要求，正确掌握桩入土深度与贯入阻力的关系，一般情况以桩进入持力层且最后三次贯入阻力达1.8～2.0倍单桩设计承载力而累积下沉≤10ｍｍ时为停压控制标准；但是施工中的终压力值是根据在施工瞬间荷载作用下有土体侧向约束的情况来确定的，因此终压力可比两倍的管桩单桩竖向承载力大。其受力方式接近于轴心受压构件，终压力可按下式近似取值：
P=（0.67R-σce）A0
R——砼立方体抗压强度
σce——砼的有效预应力值
A0——PHC桩的横截面积
本次施工两倍单桩承载力为1800KN，实际控制中以达到2500KN以上的压桩力做为停压标准。按下列经验公式，可由2500KN的终压力来估算该桩的单桩承载力远远满足设计要求：
Quk=αPp
Pp——终压力（KN）
α——经过多个工程的静载试验值与压桩终止值分析得出的经验系数，根据土质情况取值在0.7～1.5 。
6．5、桩顶位移
在施工过程中，相邻的桩会产生横向位移和桩身上浮。有如下原因：网易a、桩入土后，遇到大块坚硬障碍物，把桩尖挤向一侧。 b、两节桩或多节桩施工时，相接的两桩不在同一轴线上，产生了曲折。 c、桩数较多，土饱和密实，桩间距较小，在沉桩时土被挤到极限密实度而向上隆起，相邻的桩被浮起。 d、在软土地基施工较密集的群桩时，由于沉桩引起的孔隙水压力把相邻的桩推向一侧或浮起。 为了有效地减少桩顶位移，施工前应对桩位下的障碍物清理干净，对桩构件要进行检查，发现桩身弯曲超过规定（L/1000且≤20mm）或桩尖不在桩纵轴线上的不宜使用。在稳桩过程中，如发现桩不垂直应及时纠正，接桩时要保证上下两节桩在同一轴线上，接头处应严格按照操作要求执行。采用井点降水、砂井和盲沟等降水或排水措施。沉桩期间不得开挖基坑，需要沉桩完毕后相隔适当时间方可开挖，相隔时间应视具体地质情况、基坑开挖深度、面积、桩的密集程度及孔隙水压力消散情况来确实，一般经验认为宜两周左右。6．6、其它问题
a、 施工中曾出现在相邻两根桩位置，地质情况差异较大的情况，导致送桩过深的问题。由于我们后续还要施工桩帽，对于送桩过深的管桩，施工桩帽时极其不易，容易引起相邻的桩水平方向位移。笔者认为送桩深度不能超过两米。
b、 本次施工中锤击桩机的管桩采用普通焊条焊接，而静压机采用二氧化碳气体保护焊；从小应变检测看，普通焊条焊接的接头很明显，焊接质量比二氧化碳气体保护焊的差。建议今后的施工中管桩接头焊接尽量采用二氧化碳气体保护焊。
c、 必须根据安全管理的有关规定建立健全项目的各有关管理制度，在项目内部落实安全管理责任制，建立考核制度，实施奖罚措施，以及桩机资质及特种作业上岗证等必须齐全。除此之外，还必须注意以下几个事项： 1．起重机作业前，应对转动部位进行润滑，检查部件紧固程度，钢丝绳是否磨损。 2．起重臂下严禁站人，重物停在空中时驾驶员不得离开操作室。 3．起重范围不得超过起重性能规定的指标，起重机吊桩进入夹持机构，压桩开始之前，必须在起重机、卷扬机构放松起吊的钢丝绳、吊钩脱离后方可压桩，以免拉断钢丝绳和拉弯起重机吊臂。 4．接桩时焊接用的各种气瓶应作标识，气瓶要距离明火点10m以上，气瓶间距必须大于5m，气瓶必须加防震圈和防护帽，气瓶使用和存放时严禁平放或倒放。 5．停止作业时，短履需运行到桩机中间位置，停落在平整地面上，其余油缸回程缩进。切断电源，操作人员方可离开桩机。 6．施工完毕的桩的桩头上面要加盖，以防行人或杂物等掉陷。
7、结束语
PHC桩的单位承载力造价是各种桩型中较低的，且综合经济效益指标也好于其他桩型。通过本试验段的施工，我们这种桩的施工工艺有了较为深入的理解。本文所述的施工经验，只是抛砖引玉，供各位同仁参考。
随着PHC管桩的广泛应用和发展，以及人们对它的理论研究和工程实践的不断积累，PHC桩的施工技术会不断得到提高。
