预应力高强混凝土管桩(PHC)
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预应力高强混凝土管桩(PHC)
在广州开发区的应用
摘要对广州开发区的地质概况作简要描述,并结合实际工程详细介绍了PHC桩的优点及使用时应慎重考虑之处。
关键词地质条件;桩基础;预应力高强混凝土管桩。
1开发区地形及地质概况
广州经济技术开发区规划面积50平方公里,由西区、东区和永和区(广州台商投资区)三个部分组成。
位于广州市东部,距市中心22公里。
开发区地处中国南部珠江三角洲腹地,陆路距深圳120公里,水路距香港65海里。
该区河渠甚多,平均高程为105.5m(珠江基准,下同),地下水位稳定在高程106.5~107.0m之间,为避免百年一遇的潮水(为107.54m)的影响,整个开发区普遍填高2.5m。
开发区第四纪覆盖层厚度在12~14m,以流塑~软塑的淤泥和淤泥质粘土为主,局部地段见粘性土和砂土透镜体,砂土透镜体由中粗砂组成,层厚1~4m,标贯值6~15击。
淤泥含水量大,固结程度低,抗剪强度低。
淤泥以下为残积土,层厚2~4m,由强风化页岩之岩屑组成,标贯值15~25击。
淤泥的物理力学试验成果见表1。
第四纪沉积层之下系上白垩世(K2)的页岩及粉砂质页岩,以泥岩页岩为主,产状平缓,倾角为5~10°,自上而下分为强-中-微风化三层。
并经常发现有局部构造带和风化层的硬夹层或软夹层。
注:此表引自开发区地质调查报告
从表1得知,淤泥处于流塑状态,由于孔隙比大、抗剪强度低、渗透系数小,决定了土的高压缩性、承载力低、固结需时长。
该区的基础设计就是围绕着淤泥、砂土、透镜体的范围及厚度、基岩软硬夹层分布、地质破碎带等问题的研究而开展。
2开发区桩型选择的发展过程
开发区早期采用(锤击)沉管灌注桩,在厚层淤泥地区很快暴露出它易缩颈、易断桩和桩身质量难保证的缺点,取而代之的钻(冲)孔桩、人工挖孔桩问题也不少,最后转向预制桩。
预制桩的使用亦经历过不同桩型的变化:(1)预制方桩:最初在排水渠箱工程中使用断面为350x350mm2的方桩,桩的纵向钢筋为8Φ22,箍筋为Φ8@200,混凝土用C40现场浇筑,采用自由落锤施打,单桩的承载力用250KN,但桩不耐打,造价又高且损耗也大,故最终未推广;(2)预应力管桩(Prestressed Concrete Piles)简称PC桩:1966年铁道部丰台桥梁厂开始研制;1969年投入批量生产以来,已在桥梁、海港和冶金工业建设中广泛应用。
该桩型混凝土强度一般为45~65Mpa,采用离心成型使混凝土密实度比一般的大,有效预应力约4Mpa,此桩型在广州开发区使用效果良好,损耗率在3~5%以内;(3)预应力高强度混凝土管桩(Prestressed High-strength Concrete Piles)简称PHC桩:PHC桩1968年在日本研制成功,它是PC桩的发展,其混凝土强
度及预应力大大提高。
1987年广州开发区建设总公司与广东省基础公司合作,引进日本PHC桩技术并由南方管桩厂生产,1993年总公司与外商合作引进更先进的设备,建成年产40万米的羊城管桩厂,1988年全省管桩年产量约15万米,1990年年产近50万米,1991年年产达100万米,1995年突破1000万米。
PHC桩已被土木工程界所接受,并广泛应用于工业与民用建筑、交通、水利等工程,创造出良好的技术、经济和社会效益。
开发区1987年开始全面推广PHC桩,只要地质条件容许,结构及施工条件可行,均优先考虑使用PHC桩。
凡用PHC桩的工程竣工后均未出现基础工程质量问题。
由于其技术先进、经济合理,设计单位亦乐于采用。
3PHC桩的性能和优点
3.1 PHC桩的概况及性能
管桩的制作质量要求已有国家标准《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476—1999)。
PHC桩混凝土强度等级为C80,一般要经过高压蒸养才能生产出来,从成型到使用的最短时间只需三四天。
PHC桩按抗弯性能或混凝土的有效预压应力的大小可分为:A型、AB型、B型、C型,有效预压应力值约3.5~6.0Mpa,日本规范《先张法预应力离心高强混凝土管桩》(JISA5337:1995)规定:A型桩的有效预压应力值为40kgf/cm2,B型为80kgf/cm2,C型为100kgf/cm2。
管桩有4.0~5.0Mpa的有效预压应力,打桩时桩身混凝土就可能不会出现横向裂缝,所以,对于一般的建筑工程,采用A型或AB型桩就可以了。
目前开发区常用的管桩规格如表2所示:
PHC桩的基本性能如表3、表4所示。
表3 PHC混凝土与预应力钢筋性能
表4 PHC桩力学性能
注:1.表3、4均引自羊城管桩厂产品介绍;2.各种桩径相应桩长分别为7、9和11m。
3.2 PHC桩的质量稳定性
PHC桩在南方管桩厂和羊城管桩厂生产,工艺流程及设备先进,并有严格的质量控制和保证体系,故有稳定的高质量产品。
当初试产期间,设备调试阶段,桩的施打破损率约3%。
目前,破损率已下降到1%左右,这个指标在国内外算是先进水平。
开发区使用的PHC桩只要按设计要求施打,持力层选用得当,贯入度正常,桩的承载力是有保证的。
3.3 PHC桩的桩身强度方面
通过精选材料、调整配合比、采用塑化剂、离心成型工艺和高压釜蒸养护等方法,PHC桩混凝土强度已发展到高达80Mpa,且目前正精心研究朝着100Mpa进展。
PHC桩承载力高。
它既耐打且穿透力强,据统计有些桩用重锤施打达2000多击而未破损。
3.4 PHC桩的桩身抗弯性能
由于管桩混凝土强度高,加之选用低松弛预应力混凝土专用钢筋(见表3),使桩身具有较高的有效预应力,因此,与其它混凝土相比,PHC桩有相当大的抗弯能力(如表4所示),这就提高了桩基础在水平荷载作用下的抗弯能力。
由于预应力的存在,有效抵消了打桩时由于瞬时桩身压缩的反弹所产生的拉应力。
3.5 PHC桩的耐久性方面
PHC桩混凝土采用离心成型,压蒸养护,故密实性好、强度高,从而其抗渗性好。
钢筋笼受预应力张拉后,牢固地定位于离心成型钢套上,这就保证了钢筋的有效保护层厚度,提高了钢筋的防腐蚀性。
3.6 PHC桩的价格成本
价格经济合理亦是此桩的优点,任何工程的方案比较都离不开技术先进性及经济的合理性。
在广州开发区,PHC桩之所以有强大的生命力,除工程地质条件适合其生存外,其经济指标的优越是令人信服的。
我们曾粗略比较,Φ400PHC桩与Φ600钻(冲)孔灌注桩、Φ500PHC桩与Φ800钻(冲)孔灌注桩承载力基本相同,但二者按每单位承载力造价则相差一倍以上。
要说明的是广州开发区两工厂生产的PHC桩只有三种模数(7m、9m和11m)可以选择,PHC 桩一般打入强风化层2m左右即可收锤,桩长约20m,桩施打完毕后露出地面的高度平均约1m左右,施工时送桩的比例不大,
因而每根桩需考虑增长1m,即使如此,比较的结果肯定是PHC 桩较为经济,故设计单位都乐于采用。
3.7 PHC桩的施工方面
PHC桩的施工方法即沉桩方式有六七种之多。
前几年主要采用打入法,过去用过自由落锤,目前几乎都采用柴油锤。
柴油锤分风冷和水冷两大类。
柴油锤的代号,如D46、K60、MH72等,前面的英文字母采用生产厂家名的第一个字母,后面数字表示柴油锤活塞重量(KN)。
柴油锤的打击能量可用PDA打桩分析仪现场实测,平时可用100倍活塞重量的经验公式来估算,如D46柴油锤,可打单桩极限承载力约4600KN的管桩。
柴油锤的极限贯入度厂家规定为20mm/10击,过小的贯入度作业会损坏柴油锤,减少其使用寿命。
管桩用柴油锤施打,震动大,噪音大。
近年来开发了一种静压沉桩工艺,即采用液压式静力压桩机将管桩压到设计持力层。
前几年应用的静压桩机,最大压桩力只有1600KN-2400KN,现在,静压桩机的最大压桩力增大到4500KN,可以将Φ500和Φ550的预应力管桩压下去,单桩承载力可达2000-2500KN,适用于15-30层的高层建筑,特别适用于市区施工。
管桩桩尖形式主要有三种:十字型、锥型和开口型。
前两种属于封口型。
穿越砂层时,开口型和锥型比十字型好。
开口型桩尖一般用在入土深度为40m以上且桩径>550mm的管桩工程中,成桩后桩身下部约有1/3-1/2桩长的内腔被土体塞住,从土体闭塞效果来看,单桩承载力不会降低,但挤土作用可以大大减少。
封口桩尖成桩后,内腔可一目了然,对桩身质量及长度可用目测法检查,这是其它桩型所没有的。
十字型桩尖加工容易,价钱便宜,破岩能力强,故开发区约90%以上的管桩采用十字型桩尖。
桩尖规格不符合设计要求,也会造成工程质量事故。
管桩桩端持力层可选择为强风化岩层、坚硬的粘土层或密实的砂层。
开发区某些地区基岩埋藏太深,管桩桩尖一般坐落在中密至密实的砂层上,桩长约30-40m,这是以桩侧摩阻力为主的。