浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响

土建专业学术论文（技术工作总结）浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响-1-浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响林叶榛（福建省四建建筑工程有限公司361003）Thestakingstressinfluenceontheprestressconcretetubeduringconstruct【摘要】本文通过对预应力混凝土管桩施工中打桩应力影响的分析，进一步揭示了预应力混凝土管桩在施打过程中常出现的事故原因，并且探讨了对打桩应力的控制措施。【关键词】预应力混凝土管桩打桩应力压应力拉应力桩垫锤垫贯入度Abstract:Throughanalyzingthestakingstressinfluenceontheprestressconcretetubeduringtheconstruction,thispaperindicatestheaccidengcausesusuallyoccurredonthestakingprocessoftheprestressconcretetubestake,anddiscussesthemeasurestocontrolthestakingstress.Keyword:Prestressedconcretepile;Piledrivingstress;Penetration1前言预应力混凝土管桩（以下简称管桩）在施打过程中，由于经受高温能量桩锤的反复冲击，在桩顶部和桩身均产生打桩应力，而且应力的峰值波动较大，有时还会超过桩静态极限承载力的允许应力，使桩顶部的混凝土在打桩过程中受到破坏或桩身出现环向裂缝，致使打桩中断，甚至危及桩的完整性，以至于使桩的承载力与耐久性受到削弱。因此，在管桩基础施工中，绝不可忽视打桩应力的影响。2打桩应力的形式打桩应力是在打桩过程中产生的，其主要形式有压应力和拉应力，大小、形式与桩锤、土体抗力、打桩操作有关。打桩应力可以通过PDA动测仪探测到。一般管桩多采用中高能量柴油锤施打，也可以用落锤施打。桩顶部在桩锤的打击下，产生高值压应力，以压力波的形式迅速传到桩底，并产生反射应力波。当桩顶部的初始压应力向下传到桩尖时，如果桩尖处土层的阻力很大，那么反射的是压应力波，反射波传到桩顶，如果桩顶部的自由度大，压应力波又以拉应力波的形式向下反射。如果桩尖处土层阻力很小，那么，向上反射的是拉应力波。桩截面任意点的应力值是向下传递的压应力和向上反射的拉应力的代数和。据有关工程实测资料显示，打桩应力的峰值多数在35~50MPa之间，拉应力在有些情况下甚至达到50MPa以上。在大多数情况下，拉应力是由拉压交替作用的。打桩应力的产生是复杂的，受打桩阻力、打桩机具、打桩方法等因素的影响，因此，必须具体分析。3影响打桩应力的主要因素在管桩基础施工中，普遍出现的问题主要有两类：一是由于不规则的高压应力作用，造成桩顶部混凝土的破损（如图1所示）；二是由于不规则的拉压应力的作用，产生环向裂缝或混凝土破损（如图2所示）。这两种情况都是不规则的高值打桩应力超过桩的极限强度所致。根据统计情况分析，导致产生高值打桩应力的因素是多方面的，主要有以下几个方面的原因：土建专业学术论文（技术工作总结）浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响-2-图1图23.1在打桩方面，主要是桩垫不好，偏心打桩所致。在施工中由于忽视桩垫与锤垫的作用，对桩垫的设置过于草率，久用而不更换，对锤垫缺乏经常性的检查修理，从而使桩垫、锤垫逐渐失去作用，造成桩顶直接受到“硬打”。另外，打桩的稳定性与垂直度均控制不严，很容易产生偏打。必须指出，桩偏心受冲击的破坏是突然性的，往往锤击数下，桩一边的混凝土就呈受压破坏的现象，有时在距地面约1~1.5m位置出现单边环裂。3.2由于在桩基设计时，过高地估计管桩的抗冲击能力，往往只注意桩的静态承载力而忽视了桩体的抗冲击强度，选择打桩参数过于保守，例如，把最后贯入度定得过小，每10击的贯入度多数小于20mm；有的要求最后1m的锤击数过高，甚至达到1000击以上；有的是选锤过轻，采用轻锤高击来提高打桩能量。这些都会导致产生高值反弹应力，因为，混凝土的抗冲击强度只有抗压强度的50%，所以，打桩应力，特别是局部应力的峰值很可能超过桩体的极限强度与疲劳强度。据统计，由于硬打导致桩破坏的比例是很高的，而且对桩锤的损害也十分严重。3.3地质条件的影响，主要表现在当桩穿过软土层（如淤泥层）和突然进入硬土层时，则打桩应力会发生变化，前者会产生很大的压应力（岩石更甚），后者会产生拉应力。如果打桩过程不注意观察，不严格遵守操作规程，就很容易把桩打烂，这种情况的破坏大多发生在桩顶部、桩尖或硬软土层界面处。3.4桩的制作偏差也会导致局部应力集中，由于端头板与轴线的垂直度的偏差，应力钢筋局部凸出，桩壁表面不均匀的影响是十分明显的。根据国家制定的管桩质量标准以及生产厂家提供的保证，是可以克服的。4对打桩应力的控制措施打桩应力的产生是无法避免的，但是，对其控制是必要的和可能的。根据以往对管桩的使用情况来看，可以从以下几个方面采取措施加以控制：4.1要根据工程地质条件和满足设计承载力的要求，确定最后的贯入度，并且合理地掌握。笔者从收集到的许多例管桩工程应用实例分析，管桩所使用的土层条件大致可分为两大类：一类的覆盖层由10~15m厚的淤泥层或5~8m厚的淤泥层，间有几米松散性砂土或软土组成，桩端进入强风化泥岩，砂岩或支承在硬质岩面上，这类桩的承载力大部分由桩端阻力支持，全桩的总锤击数较少，往往集中在最后的2~4m之间。另一类的覆盖层由粘土（软~硬塑），中密砂层（N5.63=10~50），中间夹杂软弱薄层组成，桩端进入残积土，风化泥质岩，砂岩或支承在硬质岩面上，这类桩的承载力由摩擦，端承共同支持，全桩总锤击数较多，最后几米的击数比最初时的击数要高。一般在130~150击/m。选用的桩锤主要有3~4t自由落锤与2.5~6.5t柴油锤，最后的贯入度控制在6~60mm/10击。笔者根据所收集的许多例打桩静载试压的结果表明，大部分工程所采用的最后贯入度所控制的试压承载力要远远大于桩的设计承载力，甚至有些超土建专业学术论文（技术工作总结）浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响-3-过桩身的允许承载力。换句话说，所采用的最后贯入度的标准大多数是偏小的，其结果会导致桩的锤击数不必要地增加很多，有些管桩在最后的1~2m，甚至达到1000击以上，桩的破损率明显增大。决定管桩承载力的因素是多方面的，仅仅以最后贯入度作为控制标准，严格地说是不够准确的，而那种用极小的贯入度去追求保证承载力的做法，对于预制桩来说是不利的，因为这样会使桩体潜伏着产生“内伤”的危险。但是，对于具体工程的打桩来说，在一定范围内的控制是必要的。问题在于要根据工程的地质条件，特别是土的抗阻力、土层的力学性能、桩的入土深度、锤的冲击能量以及打桩设备的允许工作状态来决定。为此，笔者认为，在可能的条件下，最好是能先采取打试桩的做法，由静载确定打桩参数，这样既能合理地设计桩的承载力，又能发挥管桩的潜力，节省费用。如果条件不允许，建议采用PDA动侧仪在现场即打即定参数，这种方法直观、快捷、可靠性高。考虑到桩锤的工作状态，最后贯入度的最小值不宜小于20mm/10击，因为此时，特别是柴油锤已处于极限工作状态，过小的贯入度很容易损坏锤和桩。4.2要重视锤的选择。过大或过小的锤对于施打管桩都是不利的。由于管桩大多需要打入硬土层一定的深度，才能发挥其高承载力的优势。在打桩过程中，一定量的锤在打桩时所产生的冲力波动很大，如果锤过大或过小都会引起打桩应力剧增。因此，管桩的选锤应考虑满足桩足够克服桩端阻力即可。在对桩顶采取有效保护措施的情况下，应优先采用重锤、低冲程、低速度的方法打桩。特别在较厚的砂土层或硬土中打桩时，尤为重要。例如，某工程分别采用K45和D50锤在7~8m厚的密实砂砾层中打直径为550的管桩，最初用K45锤打了11根桩，每根桩总击数平均在1400~1600击，沉桩很困难，进入砂砾层后连续打烂了2根桩，后来改用D50锤施打，沉桩速度明显加快，使桩顺利地穿过砂砾层。K45和D50锤虽然相差0.5t,但是，后者的反弹能量损失小，提高了打桩效率，即使保持同样的能量，但冲程明显小于前者，起到了减少打桩应力的作用。当然，对于过重的锤要慎重地选用。对于采用不同能量的锤打桩，也要注意相应调整贯入度。4.3软土层较厚时，桩尖直接进入强风化岩、砂岩等岩层时，不宜用过小的贯入度来满足过高的承载力，当所采取的打桩措施不能奏效的情况下，应考虑承载力的取值。因为在这种情况下，桩端嵌固不深，承载力主要集中于桩端，这就意味着要有相当大的桩端阻力，最后贯入度必然要定得很小才能满足要求，这样会使桩尖和桩顶的打桩应力增大，就很容易把桩打坏或打裂。另外，在软土层中打桩，要防止软打产生的临界拉应力，一定要控制好锤的速度与冲程。4.4在打桩过程中，要注意持力层的变化，加强对沉桩过程的观察与记录。由于地质条件的变化，场地内持力层的起伏，有时候是几个钻孔所控制不了的。因此，在这种情况下，如果遇到持力层变浅时，片面强调桩尖一定要要达到所要求的标高，而且必须达到设计贯入度的要求，势必会形成硬打，而把桩打坏。4.5理论与实验都证明，采用适当的锤垫和桩垫是减少打桩应力的最有效的方法。我们知道，打桩的时间是瞬间的，在锤的冲量一定时，锤作用在桩顶的冲力与其作用时间成反比，根据锤垫、桩垫的缓冲时间的长短，冲力会大幅度减少或增加。锤垫、桩垫的作用都是调节和传递锤的冲击力。锤垫主要用于调节冲力，防止过大的冲力损坏锤头。桩垫主要用于调节桩顶的冲力，保护桩顶不至于“受伤”。当沉桩的锤击数较多时，还要中途更换桩垫，以利于保护桩。4.6打桩应遵循“力戒偏打”的原则，对于施打管桩尤为重要。打桩应力的峰土建专业学术论文（技术工作总结）浅析预应力混凝土管桩基础施工中打桩应力的影响-4-值往往是由于偏心冲击引起的局部应力。桩顶不平、桩垫不好、桩帽尺寸过大或过小，桩身倾斜都会导致偏心冲击，要采取有效措施加以控制。这里要强调的是，不能忽视对现场打桩的管理，要加强监督控制，严格遵守操作规程，避免打桩应力的峰值，这些都是十分重要的。4.7长短桩的接桩顺序，在一些情况下，对打桩应力有着重要影响。当桩穿过一层较厚的软弱土层而进入硬土层后，桩端阻力明显增大，这时的新接桩正处于侧向无约束状态（软弱土层桩段约束也很小），这时在锤击和桩尖阻力作用下，两桩中间受压，打桩控制一旦出现偏差，很容易把桩打断。所以，当桩穿过硬土层时，可改变接桩的顺序，用短桩接驳，以减少桩段的长细比。结束语通过以上分析可知，打桩应力是在桩承受荷载之前产生的，是临时荷载，但是可能给预制桩造成的危害却很容易被忽视，因此，在管桩基础施工中必须予以高度重视。