浅谈硬土层大直径PHC管桩施工爆桩率控制

浅谈硬土层大直径 PHC管桩施工爆桩率控制

王震 1 潘清波 2

山东电力工程咨询院有限公司 山东省济南市 250013 1 山东电力工程咨询院 山东省济南市 250013 2

摘要：在大型火力发电厂，地基处理工作是一切工作的根基，近些年，PHC管桩施工工艺经常运用在各个项目上，而爆桩率的控制是极重要的一环。如果管桩施工过程中，爆桩率较高，会因补桩、检测等因素直接导致工期滞后、成本增加等不利后果。本文以鲁西发电2×60万千瓦发电工程为依托，浅谈在硬土层管桩施工爆桩率控制。

关键词：硬土层；PHC； 爆桩

鲁西电厂位于济宁市所辖邹城市太平镇境内，其岩性主要由粉土、粉质粘土、粘土、粉细砂、中粗砂等构成。其中粉质黏土层、中粗砂层较厚（平均厚度4米以上），试验修正后标贯击数达到16击以上，沉桩有一定的困难。

项目初期共施工95根，桩头破损6根。前期共施工95根，桩头破损6根，破损率6.3%，破损率太高，桩头破损多出现在桩尖进入⑤-3砂层时，而且锤击数并不是特别高。通过不断的试验研究，我们总结出一套管桩爆桩率管控方法，最终将全场爆桩率降至0.5%以内。下面我们从简述一下硬土层爆桩率管控的要点（以直径600的管桩为例）。

1.对送桩器进行优化设计并对桩帽进行改进

1）送桩器优化设计

传统的插销式送桩器底板直接与管桩端板接触，很容易因较高冲击力引起桩头破损；其次，十字插销起到固定送桩器的作用，但十字插销外径要比管桩孔径小许多，因此在施工过程中，送桩器底部容易移位，底板与端板接触面积变小或送桩器底板倾斜而产生集中应力，从而造成桩头破损。对此，我们将送桩器改为套筒式送桩器，套筒深度为250mm，内径为620mm。此套筒包裹住管桩桩头，有效的固定送桩器，避免了集中应力的产生。

根据冲量定理，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，为减小冲击力，加设桩垫增加缓冲时间是最有效、最直接的措施。所以，在送桩器套筒内加设桩垫，可减少送桩过程中对桩顶的冲击力。采用布质桩垫，耐打性好、弹性强、易于安装和拆卸，桩垫直径为620mm，厚度为50mm。

2）桩帽改进

通常情况下只在桩帽上层盘钢丝绳垫，共7层，厚度为154mm，并在上面加盖钢板，钢板厚为10cm。在桩帽上层盘7层钢丝绳厚度较小，且钢板起不到缓冲作用。

为此我们对桩帽进行了改进：

1）将桩帽上层内钢板去掉，全部盘钢丝绳，其厚度为300～400mm。调节锤的冲力，保证具有足够的缓冲作用，从而降低桩头破损的概率。

2）桩帽下层同样盘3层钢丝绳，作为桩垫，其厚度为70mm，并在钢丝绳垫下放2个布质桩垫，直径为620mm，厚度为100mm。

2.加强管桩内在及外观质量控制

1）提交监造方案，对管桩原材及生产进行监督

根据现场需要，我们提出了管桩监造方案，并派专人到管桩厂家生产现场进行监督检查。

原材选用严格按照《混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011及《先张法预应力混凝土管桩》GB13476—2009要求。

①砂子：细骨料应采用天然细度硬质中粗砂或人工砂，含泥量≤1%，其质量应符合《建筑用砂》GB/T14684的规定。

②石子：采用碎石或卵石，其材质宜选强度较高的玄武岩，而非石灰岩，宜选用连续级配，其最大公称粒径不宜大于为25.0mm，含泥量≤0.5% ，其质量应符合《建筑用卵石、碎石》GB/T14685的规定。

③水泥：应选用强度等级不低于42.5硅酸盐水泥，其质量应符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007的规定。

为保证管桩内在质量，提高耐打性，派专人对管桩生产全过程中进行监督，包括：原材料的称量→配合比的检查→搅拌→布料→预应力张拉→离心成型→蒸养→放张、脱模→质检标记→压蒸保护→成品堆放

2）对混凝土取样试验，并加强外观质量检查

①放张强度: PHC管桩试块蒸养强度不低于45MPa.放张强度的混凝土试块试验按照GB/T50081-2002进行；

②28天强度: PHC桩试块强度不低于C80， 28天强度(出釜1天后强度）的试验按照GB/T50081-2002进行；28天强度(出釜1天后强度）的评定应符合GB/T50107-2010的规定。

定期派遣试验人员对混凝土试块进行抗压强度检测。

按照《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-2009中的规定，对进场的管桩严格进行外观质量检查，包括：壁厚、端板平整度、桩头混凝土的饱和度，桩套箍处是否出现漏浆、空洞，镦头是否高出端板等，外观质量存在缺陷的管桩立即清理出场。

3.根据土层情况合理控制档位

PHC管桩在施打过程中，由于经受高能量桩锤的反复冲击，在桩顶部产生打桩应力，其主要形式有压应力和拉应力，并且以应力波的形式在桩身传递。

沉桩过程中桩端条件不同时，应力波的传播与反射不同：桩端为固定端时，应力波到达固定端后, 将产生一个与入射波相同的反射波, 即入射的压应力波产生压应力反射波， 入射的拉应力波产生拉应力反射波。桩端为自由端时，应力波到达自由端后，将产生一个符号相反而幅值相同的反射波。即压应力波产生拉应力反射波，拉应力波产生压应力反射波，而且在桩端质点运动速度比入射波增加一倍。由于波的叠加，使桩顶处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。

结合本工程地层情况,当桩尖进入②、③、④土层时，土层较软，可近似自由端，桩顶部在桩锤的打击下产生高值压应力，以压应力波的形式迅速传到桩底后，又以拉应力波形式向上反射；当桩尖穿越②、③、④土层后，进入⑤粉质黏土及⑤-3中粗砂层时，土层相对较硬，可近似固定端，锤击产生的压应力传到桩底后，向上反射的是压应力波。由此可知，桩尖穿过软土层突然进入硬土层时，则打桩应力会发生变化，前者会产生很大的拉应力，后者会产生压应力，并且拉压应力在桩顶处叠加，锤击能量越大，拉、压应就越大，从而叠加应力就越大。

由于拉压应力叠加，使得桩头处混凝土所受应力加倍，超过混凝土极限强度，从而造成桩头破损。所以，当桩尖穿过软土层进入硬土层或从硬土层突进下卧软弱土层时，将档位控制在1档，严禁使用3档、4档，这样可减小叠加应力，从而降低爆桩率。

4. 优化方案，加强垂直度控制

1）、在桩机就位后，调节机位使主机处于水平，并采用两台经纬仪成九十度角同时对桩架校验，保证桩架垂直。

2）、再利用两台经纬仪成九十度角同时对桩身进行校核，并指挥桩机操作手平移桩机使桩处于垂直状态，满足垂直度偏差不超过0.3%时，方可进行打桩作业。

3）、采用冷击的施工方法，当桩架、桩身垂直度满足要求后，冷击2～3击，每次冷击后，再用经纬仪对桩架和桩身进行检查，发现偏差重复进行调整，以此来保证桩身垂直度。当桩尖进入土层4m以上，桩身垂直稳定后，再挂档位进行连续锤击施工。

4）、第二节桩和送桩器同样采用经纬仪进行垂直度校核，确保垂直度偏差不超过0.5%。第二节桩调直后，如接桩处两端板缝隙较大时，用垫铁放在端板之间，以保证管桩垂直和增加接触面积。

通过以上管控方法的实施，在2020年6月，完成了对施工的主厂房、锅炉房、侧煤仓、集控楼、烟囱、冷却塔、圆形煤仓等部位共计8081根桩进行检测，全部为一类桩。我们认为，在相似的地质条件下进行大直径PHC管桩施工，采用以上方法对现场桩基施工加以管控，可以对PHC管桩的施工质量带来显著的提升。

参考资料：

《混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011

《先张法预应力混凝土管桩》GB13476—2009

《建筑用砂》GB/T14684

《建筑用卵石、碎石》GB/T14685

《通用硅酸盐水泥》GB175-2007

一作：王震 1995年3月 男 汉族 山东济南 土建专业工程师 大学本科 山东电力工程咨询院有限公司 山东省济南市 250013

二作：潘清波 1981年 男 汉族 山东济南 高级工程师 山东电力工程咨询院

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