1PCC管桩简介

 

　　大直径现浇混凝土薄壁管桩（Thin-wallPipeUsingCast-in-situConcrete，下文简称PCC管桩）是河海大学自主开发研制的用于地基加固处理的专利技术，它是一种适合于软土地区的新型高效优质桩型，可有效的提高地基承载力和减小地基沉降。该技术采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土而成管桩，具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度，在腔体内现浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。通常桩径为Φ800～Φ1500㎜，并正在向更大直径的方向发展；壁厚在100～200㎜之间；处理深度可达25m。

 

　　2PCC管桩工作原理

 

　　PCC管桩形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载的分担比例以及减少基础底面的应力集中问题，待PCC桩混凝土达到设计强度后，在桩顶铺设一层30～50㎝的砂石垫层，并在砂石垫层中放置土工格栅，从而形成现浇薄壁管桩复合地基。振动沉模大直径现浇管桩动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心力。当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入地层。腔体模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、粘性、粒径有关。振动体系的竖向往复振动，将腔体模板沉入地层。当激振力R大于以下三种阻力之和：刃面的法向力N的竖向分力、刃面的摩擦力F的竖向分力，腔体模板周边的摩阻力P的合力时（见图1），模板即能沉入地层；当R与N、F、P竖向分力平衡时或达到预定深度时，则模板停止下沉。由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉入速度。

 

　　3工程应用实例

 

　　某高速公路段地势平坦，地面标高2.9～3.6m，管桩加固区的地质问题主要表现为软土地基问题。区内分布的软土主要为1～层淤泥质亚粘土，夹少量粉砂薄层，流塑，高压缩性。天然含水量W=28.6%～47.7%（平均36.49%），孔隙比e=0.85～1.31（平均1.03），液性指数为IL=0.85～1.98（平均1.42），压缩系数0.18～0.93MPa-1（平均0.52MPa-1）。地基土地容许承载力σ=70～90KPa，桩周土极限阻力τ=15～25KPa。该层连续稳定分布，顶面标高-0.05～1.90m，层厚6.30～10.50m。

 

　　4PCC管桩设计

 

　　PCC桩是一种新型桩，其设计计算理论尚不完善。已有学者从理论上对其进行了研究。PCC桩复合地基为竖向增强体复合地基，竖向增强体复合地基承载力计算通常有两种思路：一种是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力，这种方法称为复合求和法：另一种是把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体来考虑，确定复合地基的承载力。在进行承载力验算时，从偏于安全的角度出发，对桩芯土体提供的承载力以及桩的端阻力均未作考虑。

 

　　PCC桩复合地基沉降计算分为两部分：加固区土层压缩量S1和下卧层压缩量S2。S1的计算方法主要采用复合模量法，将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合地基，采用复合压缩模量Ecs来评价复合土体的压缩性，采用分层总和法计算加固区土层压缩量。计算S2时，作用在下卧层上的荷载比较难以精确计算。结合目前工程中实际情况，PCC桩采用压力扩散法计算。

 

　　4.1设计原则

 

　　进行管桩设计时主要从地基承载力（稳定性）及工后沉降量两个方面来考虑。该高速公路全线工后沉降控制标准为：桥头段≤10cm，一般路段≤30cm，过渡段≤20cm，作为一种复合地基加固方案，采用PCC管桩处理的路段应遵循这一设计原则。

 

　　4.2加固方案设计

 

　　结合本工程场地地质条件，本次PCC桩设计设置了7个参数不同的加固区，在各区中分别采用了如下几种设计参数，桩径：1000mm，1240mm；壁厚：100mm，120mm；间距：2.8m，3.0m，3.3m；桩长：16.0m、18.0m；具体情况如表1所示。

 

　　4.2.3复合地基工后沉降计算

 

　　因现浇混凝土薄壁管桩为刚性桩，复合地基加固区整体刚性相对较大，在路堤荷载作用下，桩间土的沉降主要发生于路堤填筑阶段并在桩土荷载调整分担过程中很快趋于稳定。

 

　　5施工工艺

 

　　5.1施工流程

 

　　施工准备测量放样桩机就位活瓣固定或预埋桩尖混凝土搅拌振动沉模混凝土灌注振动拔管移机。

 

　　5.2施工质量控制

 

　　为保证在含地下水地层中应用PCC桩的质量，保证在成桩过程中地下水、流沙、淤泥不从桩靴进入管腔，浇筑采用二步法工艺，即在成桩管下到地下水以上即进行第一次浇筑，将桩靴完全封闭，以阻止地下水、淤泥等进入桩管，然后继续下到设计深度后进行第二次浇筑成桩。

 

　　在灌注桩的施工过程中，坍落度的大小直接影响到成桩后桩身的混凝土强度，尤其处理含水率较高土层时，宜选择坍落度较小的混凝土，混凝土的坍落度是混凝土灌注时的一个重要的控制指标，而PCC桩由于钢模空腔的厚度较小（一般12㎝左右），且主要针对含水率较高的软弱地基，混凝土坍落度的控制就显得更为重要。过小的坍落度不利于混凝土在钢模腔内的流动，坍落度过大则由于振动的影响而易形成离析造成混凝土卡管，如何根据不同的地质条件及不同空腔厚度选择合适的坍落度是一个值得研究的问题。通过现场试验，PCC桩混凝土坍落度控制在50～100mm较为合适。PCC桩混凝土应以细石料为主，可以适当掺入减水剂，以利于混凝土在腔体中获得较好的流动性。为保证混凝土浇筑的质量，灌注时在桩管内灌满混凝土后，先振动5～10s，再边振边拔，桩管内应保持不少于2m高的混凝土，一般拔管速度应为0.8～1.2m/min，且不宜大于1.5m/min。遇到特别软弱土层时，应适当降低拔管速度并在土层分界面附近作适当的停顿。在桩距较小时为保证相邻桩在成桩过程中不互相影响，施工顺序可采用隔孔隔排施工工序。

 

　　浇筑后的桩顶应高出设计标高至少50cm，并予保护，浮浆层应凿除。为保证桩体的质量，PCC桩的实际浇筑混凝土量不得小于理论计算体积。

 

　　6PCC桩质量检测

 

　　PCC桩作为一种新桩型，桩径较大，桩的间距也较大，单方混凝土提供的承载力较其它桩型有了较大的提高，但由于PCC桩的壁厚相对较薄，因此质量要求比较严格。除了要严格执行管桩施工要求外，成桩以后的质量检测也非常重要。为检查PCC桩施工质量，判别混凝土浇筑的完整性、连续性以及均匀程度，笔者在现场采用了低应变测试法和开挖检测法对管桩进行了检测。低应变检测数量按10%比例控制。由于PCC桩桩型不同于实桩，因此动力检测时在桩顶应均匀对称测试四点，击发方式可采用尼龙棒、铁锤等方式，选择最佳击心发与接收距离，采集测试波曲线。从检测结果来看本次小应变试验效果较好，测试的典型波形如图5所示，测试波速正常，平均波速都在3200m/s左右，除个别桩（A18-6）在上部2m处存在轻微缩径现象外，其余各桩桩身质量良好，桩底反射明显。测试结果表明基于合适的击发和接收装置，采用小应变动测技术测试PCC桩的施工质量是可行的，检测结果能较好地反映PCC桩的施工质量。

 

　　现场开挖是检测各种桩最直观有效的办法。现场共开挖了14根桩，从开挖的情况来看，本次施工的PCC桩内外壁光滑完整、没有断桩、离析、夹泥、凹陷、缩径等不良现象，施工质量较好。开挖情况如表2所示。同时本次开挖也暴露了另外一个值得关注有待在工艺上作改进的问题，即个别桩在顶部1m左右的范围内存在歪斜及壁厚不均匀的现象，这种现象主要是由于成桩后移机时沉管挤压推动地表多余的混凝土所致。为避免这种现象，今后在施工中拔管后移机前必须将桩顶多余的混凝土清除，同时将沉管尽量上移，移机时桩机的走管应尽可能不要从刚施工完毕的桩顶压过。

 

　　7结语

 

　　本文介绍了PCC桩在高速公路软基加固处理中的应用。通过现场测试表明，PCC桩承载力满足了设计要求；PCC桩工艺设备简单，操作方便，施工效率较高，成桩质量可靠，可用低应变检测法和现场开挖法对其成桩质量进行检测。

 

　　实践证明：PCC管桩复合地基技术是一种全新的处理桥头高填方地段软土地基方案，可显著减小地基沉降量，具有承载力提高幅度可调范围大、变形模量高、桩体质量及耐久性有保障等特点，且有效地降低了基础处理成本，是提高地基承载力、控制地基变形的一种极为有效的方式，具有较大的应用推广价值。

 

　　参考文献：

 

　　[1]刘汉龙，陈永辉.高速公路软土地基处理新技术[A].全国岩土与工程学术大会论文集[C].北京：人民交通出版社，2003.910-915.

 

　　[2]刘汉龙，费康，马晓辉，高玉峰.振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术及其应用（Ⅰ）开发研制与设计[J].岩土力学，2003，24（2）：164-168.

 

　　[3]刘汉龙，郝小员，费康，高玉峰.振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术及其应用（Ⅱ）工程应用与现场试验[J].岩土力学，2003，24（3）：372-375.