静压预应力混凝土管桩的施工质量问题及控制措施

静压预应力混凝土管桩的施工质量问题及控制措施
林 雯 峰
摘 要：本文主要针对静压预应力混凝土管桩施工中容易出现的一些质量问题进行了分析，并结合实践提出质量控制措施与常见问题的处理方法，供同行参考。
关键词：静压管桩；问题分析；质量控制；处理措施
1、引言
静压管桩施工无噪声、无振动，很少因施工扰民而引起投诉。管桩工厂化制作、质量有保证、型号规格多、设计选择余地大、单桩承载力高，在城乡建设中得到广泛的应用。虽然近几年静压管桩施工技术得到了快速发展和提高，但还是经常出现一些施工质量问题和工程事故，有的已对静压管桩的应用产生了一些负面影响。根据多年来在静压管桩施工管理方面的实践经验，参照有关国家和地方规范规程，对静压管桩的施工提出一些质量控制措施和常见问题的防治处理方法。
2、施工质量控制
静压预应力混凝土管桩施工质量的影响因素是多方面的，有地质条件方面的、有桩身材料质量方面的、有设计方面的，也有制桩或压桩施工管理方面的，工序多，涉及环节多，任何阶段稍有不慎，就会出现质量事故或质量隐患。以下将从多个方面讨论静压预应力混凝土管桩施工质量控制。
2．1静压沉桩机理
静压沉桩是依靠压桩机械设备的自重和压重对预制桩施加垂直压力，将桩压入或挤入土中。压桩结束后，桩周土体内孔隙水压力逐渐消散，土体产生径向固结，桩侧摩阻力增大，土体强度得到恢复。压桩一般分节压人，逐段接长，同一根桩各工序应连续施工，防止中途停歇过久而压不下去，影响桩的极限承载能力。
2．2静压预应力混凝土管桩施工前的准备工作
2.2.1工程施工图纸准备
根据工程勘察报告和桩基础施工图纸，结合现场情况及相关标准规范，认真组织图纸自审，图纸会审，形成会审纪要；涉及变更的，应有设计单位的书面变更手续，使工程施工依据准确、合理。
2．2．2 施工技术资料准备
(1)工程地质勘察资料：施工单位应结合施工图要求，认真熟悉勘察报告，掌握工程地质特征，为正确施工桩基础做好准备。
(2)施工场地与环境条件的资料：特别在城市中心地带或人口密集地区，交通设施、高压线路、地下管线和构筑物的分布往往很复杂，如果施工前情况不明，施工过程就可能破坏地下水管、刮碰高压线路、损坏市政道路等，造成经济损失和安全事故。
2．2．3 技术经济资料准备
结合工程特点编制桩基础施工组织设计，对于保证桩基础施工质量是相当重要的，它是桩基础施工准备重要的技术经济文件。
2．2．4现场准备
主要进行场地三通一平工作、桩机移动及场内运输道路的修建平整、场地排水沟准备、清理高空和地下障碍物等，尤其软弱地基或新回填场地应进行处理，保证场地地耐力满足压桩机械设备和运输车辆的要求。
2．3静压预应力混凝土管桩施工中的质量控制
2．3．1严格控制预应力高强混凝土管桩的质量
严格控制进场质量及控制运输、堆放和起吊。预应力高强混凝土管桩质量，着重检查混凝土抗压强度是否达到设计要求。管桩的外观质量应符合标准和规范要求。要认真检查进场管桩的产品质量保证书、合格证、检测报告等是否齐全和符合要求。管桩的运输、堆放和起吊必须严格按相关规程要求实施，否则管桩在施工前可能就已受到损伤，必将影响成桩质量。
2．3．2合理选择桩机和桩尖，加强桩机性能监控
(1)合理选择压桩机械：一般要根据设计单桩承载能力和具体的工程地质资料选择合理吨位的机型。如果压桩机吨位选择过小，可能出现桩压不下去的情况，无法满足设计要求；如果压桩机的吨位选择过大，则对施工现场地耐力的要求将大幅提高，特别在新填土、耕植土及积水浸泡过的场地施工时易发生陷机，可能造成桩位偏移大、斜桩，甚至桩头、桩身破损、上下节桩接头断裂，或上部桩体被挤坏等质量事故。
当前抱压式液压静力压桩机使用较多，桩机压桩能力一般按1．5～2．0倍管桩极限承载能办取值。实际工程中也有因桩机性能故障，导致桩在下沉过程中中断时间过长，桩压不下去的情况，值得注意。
(2)合理选择桩尖：预应力高强混凝土管桩常使用钢桩尖，主要有封底十字型、闭口圆锥型及开口平底型三种形式，应根据管桩所要穿越土层和持力层构造及管桩的挤土效应选择适当的桩尖。封底十字型加工容易，价格低，破岩能力强。但穿越砂层时，开口型和圆锥型较好。开口型桩尖一般用在入土深度为 35m以上且桩径>500mm的管桩工程中，成桩后桩身下部 1／3～1／2桩长的内腔被土体填塞，由于土体的闭塞效应，单桩承载力不会降低，但挤土作用可以减少。
工程实践表明：桩尖选择不当，可能造成沉桩困难，达不到预定深度或持力层；或造成桩头、桩体破损，桩偏位倾斜过大等。
2．3．3合理安排打桩顺序和打桩速度
预应力管桩具有挤土效应，打桩时应根据桩的密集程度及与周边建筑物的相邻关系合理确定施打顺序：若桩较密集，且距建筑物较远，场地开阔，宜从中间向四周对称施打；若桩较密集，场地狭长，两端距建筑物较远，宜从中间向两端施打；若桩较密集，当一侧毗邻建筑物时，宜从毗邻建筑物向远侧施打；根据桩的入土深度 宜先长后短；根据桩的规格，宜先大后小。
预应力管桩沉桩速度过快，超孔隙水压力将对已成桩体产生较大水平压力或上浮力，导致桩体倾斜偏位，甚至开裂。
预应力管桩沉桩对本工程及周围环境的不利影响尤其值得注意，特别是在大的桩群由多台桩机分区同时施打，附近存在深基坑工程施工和浇筑混凝土结构时及存在浅基础多层建筑，容易产生事故，这种情况时有发生。
2．3．4严格控制沉桩工艺
预应力管桩单桩施工工艺流程见下图，以下对其中两个关键过程加以讨论：

管桩施工工艺流程图
(1)确保桩身的垂直度：首先应对场地进行认真的平整压实，满足桩机对地耐力的要求，避免在施压过程中桩机产生不均匀沉降，使桩产生倾斜。其次确保节桩垂直压入是关键，其定位和垂直度应严格控制。
施工中由于没有很好地控制垂直度导致桩身倾斜，甚至断桩，严重影响桩基础承载能力，带来较大经济损失。
(2)确保管桩接头及桩尖焊接质量：对于预应力高强混凝土管桩，当设计要求为长桩时，就出现多节桩接长问题，管桩接桩主要采用钢端板焊接接桩。一般在每节桩桩顶沉至距离地表 0.5～1.0m时进行接桩，接桩前用钢丝刷清除接头表面污物和铁锈至坡口露出金属光泽，用抱箍调整上下节桩，使之周边吻合、接缝严密、上下垂直，上下端板错位量应小于2mm，调整好后，将上节桩稍加向下压，使接缝接角紧密，坡口间隙应小于 4mm，当接缝不严密时，应用薄钢片将空隙塞紧后施焊。焊接应由三人同步对称施焊 ，焊接道数不宜少于 3道，在进行下道施焊前应清除上一道焊渣，焊缝要求连续饱满，焊条宜选用 E43。焊接速度尽量快，以减少桩身的时间效应。焊缝应自然冷却至常温后方可继续压桩，以防高温焊缝见水变脆致裂。桩尖焊缝也要严格控制，应保证周边焊接牢固，避免打桩过程中桩尖脱落，影响其破土能力及导向性；如桩尖落于透水较好的砂层上，桩管腔内不断冒水，可能给桩接头及承台施工造成困难。
2．3．5连续沉桩，避免中途停歇
工程实践表明：预应力管桩静压沉桩中途停歇时间超长将给继续沉桩带来较大难度，可能造成沉桩达不到预定深度，或引起周围地基严重变形，已沉桩受挤上浮，移位倾斜甚至断桩，破坏周围在施工程或已有建(构)筑物等，特别在较厚软质粘土场地，尤其值得注意。
个别工程采用复压提高单桩承载能力的情况与此有机理上的区别，复压提高单桩承载能力主要适用于桩端持力层为标贯击数较高、中密以上的中粗砂砾石时的情况，切不可将二者混淆。
2．3．6合理控制终压力
合理确定终压力是一个很关键的问题。若过大易压坏桩；过小则桩无法达到合适的持力层，桩底嵌固不好，有效桩长不足，单桩承载力不能满足设计要求。安全适宜的压桩力既可以保证桩身不受破坏，又可确保桩端嵌固至合适的持力层 。
2．3．7沉桩过程对周围环境的影响及预防
沉桩过程中管桩周围土体挤压应力和超静孔隙水压力共同作用，使桩基础及周围环境土体原来所处平衡状态破坏，对周围建筑物和地下设施带来不利影响，一般表现为浅层大，深层小，近处大，远处小，影响范围及程度与地质状况、平面布桩率、施工顺序及压桩速度等多因素有关。
总结多年施工经验，减少和预防沉桩对周围环境的有害影响，可采用以下措施：①采用预钻孔打桩工艺；②合理安排沉桩顺序；③控制压桩施工进度；④先施工围护结构；⑤减少隙水压力。
3、常见质量问题的分析与防治处理
3．1管桩桩顶被压碎
3．1．1原因分析
(1) 管桩制作不良，壁厚未能达到标准或端部桩壁厚薄不均或管桩混凝土强度达不到设计要求；
(2) 压桩桩帽或送桩器桩帽的刚度不足，易产生变形使桩顶受压不均匀；
(3) 静压桩机配重不足或配重放置不平衡，力大时桩机倾斜起身，使管桩偏心受压；
(4)压桩桩帽或送桩器桩帽与管桩不匹配，桩帽中心与管桩中心不重合，使管桩受偏心压力；
(5) 压桩前机架不调平或场地地基松软，管桩垂直度偏差超标。沉桩过程中，管桩始终偏心受压，受最大偏心力的管桩顶部极易破碎。
3．1．2防治及处理方法
(1)对进入施工现场的管桩按照标准严格检查验收，有问题的桩一律不得使用；
(2)静压桩机上的压桩和送桩桩帽应根据管桩设计尺寸，及时制作更换，管桩在桩帽内的周边间隙应为5～l0mm，必要时可考虑在桩顶使用硬纸垫层；
(3)根据地区经验、设计要求和地质条件选取合适的静压桩机，发现桩机能量太小或太大，都应及时更换或调整；
(4)现场地表土的地耐力应满足施工要求，并做好雨天排水工作，只有在桩身垂直度符合要求的情况下，才能加压沉桩；
(5)对于因桩顶破碎而没有压至设计标高的桩，应会同设计、监理等部门作出处理。
3．2管桩偏位和倾斜
3．2．1 原因分析
(1)静压桩机重量大，场地地基土较软弱，桩机行走时，土会隆起和侧移，对已压入土中的桩产生侧向挤压力，造成管桩倾斜和偏移；
(2)沉桩时地下遇到大块障碍物，把桩挤向一侧，发生偏移、走位；
(3)基础设计布桩疏密差别过大，加之高密区沉桩过快过多，土中超空隙水压力不能及时消散，产生挤土效应，将原先已压人的桩挤偏斜；
(4)压桩时，桩身垂直偏差太大，引起桩位置偏斜；
(5)表层土质松弱，桩机行走时，将原先定好的桩位钢筋或竹扦挤跑，引起桩施工时位置偏差。
3．2．2防治及处理方法
(1)如施工现场地基土软弱，静压桩机可能发生“陷机”现象，应根据土质情况采用适当的加固措施，如打微型挤密砂桩、井点降水等方法；
(2)管桩施工前，应清除场地内的地下障碍物；
(3)对密集群桩区域的施工，应制定有效的压桩流水线路，压桩顺序先中间后外围，根据基础设计标高，先深后浅，控制压桩速度和每日压桩数量，日压桩量 8～10根为宜；
(4)应严格控制桩身垂直度，压桩过程中须不断观察。如有接桩，应在调整好上节的垂直度后，再焊接端板 ；
(5)软土地基上放置的桩位，施工过程中应不断复查、修正，尤其雨天施工时，更要注意。
3．3成桩裂隙和裂断
3．3．1原因分析
(1)管桩未按照规范要求吊运、堆放；压桩施工，起吊吊点位置设置不当，使管桩混凝土产生裂，若裂纹贯通桩截面，则会发展成裂断。
(2)直径在500mm以下管桩，尤其是预应力混凝土薄壁管桩，采用抱压式静压桩机施工，在抱桩器打滑或工作不正常时，过度增加抱桩力，使桩身混凝土受损开裂。
(3)压桩时桩不垂直，压入地下一定深度后，再行走静压桩机，调整垂直度，致使桩身弯曲超过规定，此时强行将桩下压，桩身内产生很大的弯矩，极易使桩身混凝土开裂 。
(4)场地浅层地基土软弱，重载静压桩机行走时“陷”挤土，将已施工好的桩挤偏、挤裂甚至挤断。
(5)桩基础土方采用机械开挖，挖斗掘土深度控制不当，挖刮到桩顶，使桩身产生裂隙或断裂。
3．3．2防治及处理方法
(1)管桩吊运、堆放的吊支点应严格按要求设置。可在管桩运输进场时，在桩身上量定吊支点位置，统一画上标记，便利工人作业。
(2)管桩(特别是小直径桩)应尽可能采用顶压式静压桩机施工。
(3)压桩前和压桩过程中应严格控制垂直度不超规范。如压桩过程中发生垂直度偏差增加，应弄清楚原因，若无地下障碍而是由土质差异引起的，可采用连续将垂直的管桩压入土中一定深度再拔起，再压入的“预成孔法”来完成压桩施工。
(4)场地浅层地基承载力应满足施工要求，不能发生“陷机”现象。
(5)土方机械开挖深度应严格控制，不可超深挖掘，桩顶上 0.3～0.5m的覆土宜采用人工清挖。
4、结束语
综上所述，施工质量控制应遵循系统理论，采用过程控制方法，科学分析各种影响因素的影响机理，采取符合工程实际的、有针对性的预案和措施，严格执行相关标准、规范(程)，做好各种实验、监测、检测工作，严格过程控制，避免出现质量事故或隐患，确保桩基础质量及周围环境的安全。随着静压预应力混凝土管桩施工技术的广泛应用和发展，以及静压预应力混凝土管桩理论研究的进步和工程实践的 不断积累，静压预应力混凝土管桩技术应用水平必将有更大提高。

【参考文献】
(1) 国 家 标 准： 《建筑地基基础设计规范》(GBS0007--2002)，北京：中国建筑工业出版社，  2002
(2) 国家标准：《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202--2002)，北京：中国建筑工业出版社，2002
(3)陈晓华：《预应力管桩质量通病及防治》，北京：中国建筑工业出版社
(4)国家行业标准：《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)，北京：中国建筑工业出版社，1995