超高强预应力混凝土管桩(PHC 桩)在现代标准化厂房中施工的运用

超高强预应力混凝土管桩(PHC 桩)在现代标准化厂房中施工的运用

杨光

中化学南方建设投资有限公司  

摘要：本研究旨在探讨超高强PHC桩在标准化厂房建设中的应用效果，通过实地施工实验和数据分析，评估其在提高承载力、缩短工期及降低成本方面的实际效益。研究表明，超高强PHC桩的应用显著提升了地基的承载力，确保了厂房的稳定性和安全性。施工过程中，由于PHC桩的预制特性，大幅缩短了现场作业时间，提前完成了基础工程，有效减少了施工对周围环境和生产的干扰。此外，经济效益分析显示，虽然超高强PHC桩的初期投资相对较高，但由于缩短了工期和降低了维护成本，最终实现了整体建设成本的节约。

关键词：超高强；预应力；混凝土管桩(PHC 桩)；厂房

0引言

随着工业化和城市化的迅速发展，现代标准化厂房对于基础设施建设的速度和质量要求日益提高。其中，地基作为厂房结构的重要组成部分，其稳定性、承载力及施工效率直接影响到整个项目的进度和安全。超高强预应力混凝土管桩（PHC桩）凭借其优异的物理性能和施工便利性，在众多基础类型中突显出巨大的应用优势。此类桩材不仅承载力强、适应性广，还能在紧张的工期内快速完成施工，为标准化厂房建设提供了坚实的基础保障。因此，探究超高强PHC桩在实际工程中的应用及其效果，对于指导未来类似工程建设具有重要的实践意义。

1工程简介

本工程为一栋门式架轻型房屋钢结构生产车间，总占地面积约62,640平方米，总建筑面积达到125,442平方米。车间主体结构长度为270米，宽度为232米，主要跨度为24米，柱间距为9米。建筑仅有一层，高度为9.30米。该车间设计用于丁类生产火灾危险性场所，具备二级耐火等级，并按照6度抗震设防标准建造，预期使用年限为50年。屋面防水等级为Ⅱ级，采用了11.00米的钢屋梁和5mm厚的SUS304不锈钢天沟。

结构基础采用独立基础形式，承载层由粘性土砾砂组成，地基承载力特征值达到210kPa，并且基础需深入承载层300毫米以上。在风荷载设计方面，基本风压为0.75kn/㎡，地面粗糙度属于B类。钢结构部分的设计依据《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015），包括钢架、檩条、墙梁及围护结构的体型系数。雪荷载设计值为0kN/㎡，准永久值系数分区为Ⅲ区。

至于荷载方面，屋面恒荷载（含檩条自重）为0.50kN/㎡，墙面恒荷载（含檩条自重）为0.30kN/㎡。活荷载设计中，屋面和钢架的活荷载均为0.50kN/㎡。从抗震设计角度出发，该建筑被归类为丙类设防类别，设计地震分组为第一组，基本地震加速度为0.1g，场地类别为Ⅱ类。

2工程施工重点及难点分析

在整个工程施工过程中，钢结构工程的施工是重要的环节，也是其中的重点和难点之一。钢结构的施工周期相对较短，但施工过程中需要考虑的因素较多，包括工期紧张、钢构件加工精度、吊装安全、现场布置等方面的问题。以下是钢结构工程施工中的重点和难点分析：

第一，工期紧张是钢结构工程施工的主要特点之一。整个工程施工周期仅有3个月，而且钢结构施工交叉作业过多，施工面组织开展施工，增加了施工组织的难度。在这种情况下，如何保证施工进度，合理安排资源，成为施工的首要任务[1]。

第二，钢构件的加工精度控制是保证钢结构施工质量的重要前提。钢结构的安装需要严格控制构件的加工精度，而且钢结构安装属于高空作业，吊装重量大，施工难度大，安全隐患较高。因此，在钢结构深化设计和加工过程中，需要采取严格的质量监控措施，确保构件的加工精度符合要求。第三，吊装机械的选型与定位、施工现场平面布置、地脚螺栓的预埋等方面也是钢结构工程施工中的重点和难点。吊装机械的正确选择和合理使用对于钢结构的安装至关重要，而施工现场的平面布置需要考虑到施工空间的利用和施工过程中各个构件的运输和拼装。地脚螺栓的预埋工作涉及到基础工程的施工，对于后续钢结构安装的精度和稳定性有着重要的影响，需要引起足够的重视和注意。钢结构工程施工中的重点和难点主要集中在工期紧张、构件加工精度控制、吊装安全、施工现场布置等方面。只有通过合理的施工组织和管理，严格的质量控制措施，以及科学的施工技术和方法，才能保证钢结构工程的顺利施工和质量安全[2]。

3超高强预应力混凝土管桩(PHC 桩)主要施工技术

3.1桩点测量定位

在进行桩点测量定位之前，必须确保所有的测量设备已经校准并且精度符合工程要求。通常，测量设备的精度应至少达到±2mm以内。在施工现场，首先需要设置基准点或基准线，这通常是通过使用全站仪或者GPS系统来完成的。基准点应该位于不受施工活动影响的稳定区域，以避免由于地面移动而导致的测量误差。此外，应检查现场的地形和地下障碍物分布图，确保桩位不会与现有结构或地下设施冲突。桩位定位如下图1所示。

图1 桩位定位示意图

在实际测量过程中，从基准点出发，使用全站仪对每个预定的桩位进行精确定位。测量时，全站仪的望远镜应垂直于地面，并且仪器的中心应与预定桩位的中心对齐。测量员记录下每个桩位的坐标数据，包括X、Y轴坐标以及高程。为了确保数据的准确性，每个桩位的测量至少应重复两次，以排除偶然误差。如果两次测量的数据相差超过允许的误差范围（通常为±5mm），则需要重新进行测量，直到结果一致。完成所有桩位的定位后，应在地面上用木桩或喷漆标记出每个桩位，以便后续的施工作业。

3.2管桩制作堆放

在管桩的制作过程中，首先需要按照设计要求进行混凝土的配比，确保混凝土的强度等级满足规范要求。通常，PHC桩的混凝土强度等级应达到C60或以上。在混凝土搅拌过程中，必须严格控制水灰比，一般控制在0.35-0.45之间，以保证混凝土的工作性和强度。搅拌后的混凝土应立即倒入预制模具中，并进行振动压实，以消除气泡，提高混凝土的密实度。随后，通过张拉预应力筋对管桩进行预应力处理，预应力的大小根据设计要求确定，通常为混凝土抗压强度设计值的70%-80%[3]。最后，混凝土经过养护达到规定强度后方可脱模。

在管桩制作完成后，需要进行质量检验。检验内容包括外观质量、尺寸偏差、混凝土强度等级和预应力筋的性能等。外观质量检查主要是查看桩体是否存在裂缝、蜂窝、麻面等缺陷。尺寸偏差检查要确保管桩的直径、壁厚和长度符合设计要求，直径允许偏差一般为±5mm，长度偏差不超过±10mm。混凝土强度等级检验通常采用取样试块进行压力试验，确保达到设计要求的强度等级。预应力筋的性能检验则需要确保其抗拉强度和伸长率满足标准要求。桩分类特征及缺陷特征见下表1。

表1 桩分类特征及缺陷特征

管桩在堆放时，应遵循一定的原则以确保安全和避免损伤。首先，管桩应按规格、型号分类堆放，并且堆放场地应平整、坚实，以防止管桩滚动或不均匀沉降。其次，管桩堆放时每层之间应使用垫木或垫块隔离，垫木的宽度应不小于10cm，厚度不小于5cm，长度应根据管桩的长度合理设置，以确保支撑稳定[4]。此外，管桩堆放的高度也应控制在一定范围内，通常情况下，堆放高度不应超过三层，以避免因过高而产生安全隐患。最后，管桩在堆放过程中应定期进行检查，确保堆放稳定，防止因地基沉降或垫木老化导致的倒塌事故。管桩堆放示意图如下图2所示。

图2 管桩堆放示意图

3.3喂桩并调查

在进行喂桩之前，必须对施工现场进行详细的地质勘察，包括土壤的类型、密度、含水量和承载能力等参数。例如，对于一般粘土层，其标准贯入试验（SPT）的N值通常在10-30之间，而对于砂土层，N值可能在15-50之间。这些数据将直接影响到管桩的设计和沉桩工艺的选择。同时，需要根据勘察结果和设计要求选择合适的桩型和桩径，如PHC管桩直径通常为400mm、500mm或600mm。此外，还需准备相应的沉桩设备，如打桩机、吊车等，并确保设备的性能满足工程需求。

在喂桩过程中，需要严格控制沉桩的各项技术参数。首先是桩身垂直度的控制，通常要求垂直度偏差不超过0.5%。其次是沉桩速度和锤击次数的控制，这取决于桩的类型、长度、直径以及地质条件。例如，对于直径为500mm、长度为25m的PHC管桩，锤击能量可能需要在1000-3000J之间，每分钟锤击次数约为60-120次。此外，还需要实时监测沉桩阻力，如锤击应力和桩顶碎裂情况，以确保桩身不受损伤。如果发现异常情况，如锤击阻力突然增大，应立即停止施工，查明原因并采取措施。

完成喂桩后，需要进行桩的质量和效果调查。首先是桩身完整性的检测，可以采用低应变反射波法或超声波透射法进行。这些方法可以检测出桩身是否存在裂缝、空洞或其他缺陷。例如，低应变反射波法的有效检测深度可达30m，检测精度可识别出桩身截面损失率大于5%的缺陷。其次是桩位偏差的测量，要求桩位偏差不大于5cm。最后是承载能力的检验，通常通过静载试验来评估，试验结果表明桩的承载能力应满足设计要求，如设计承载力为1000kN的管桩，实际承载力不得低于此值。

3.4锤击沉桩

在开始锤击沉桩之前，必须对施工现场进行详细的地质勘察，以确定土壤的类型、密度、含水量和承载能力等关键参数。例如，对于粘土层，其标准贯入试验（SPT）的N值可能在10-30之间，而对于砂土层，N值可能在15-50之间。这些数据将直接影响到管桩的设计和沉桩工艺的选择。同时，需要根据勘察结果和设计要求选择合适的桩型和桩径，如PHC管桩直径通常为400mm、500mm或600mm。此外，还需准备相应的沉桩设备，如打桩机、吊车等，并确保设备的性能满足工程需求。

在锤击沉桩过程中，需要严格控制沉桩的各项技术参数。首先是桩身垂直度的控制，通常要求垂直度偏差不超过0.5%。其次是沉桩速度和锤击次数的控制，这取决于桩的类型、长度、直径以及地质条件。例如，对于直径为500mm、长度为25m的PHC管桩，锤击能量可能需要在1000-3000J之间，每分钟锤击次数约为60-120次。此外，还需要实时监测沉桩阻力，如锤击应力和桩顶碎裂情况，以确保桩身不受损伤。如果发现异常情况，如锤击阻力突然增大，应立即停止施工，查明原因并采取措施。

完成锤击沉桩后，需要进行桩的质量和效果调查。首先是桩身完整性的检测，可以采用低应变反射波法或超声波透射法进行。这些方法可以检测出桩身是否存在裂缝、空洞或其他缺陷。例如，低应变反射波法的有效检测深度可达30m，检测精度可识别出桩身截面损失率大于5%的缺陷。其次是桩位偏差的测量，要求桩位偏差不大于5cm。最后是承载能力的检验，通常通过静载试验来评估，试验结果表明桩的承载能力应满足设计要求，如设计承载力为1000kN的管桩，实际承载力不得低于此值[5]。

3.5接桩、送桩

接桩是指在锤击沉桩过程中，当一个管桩达到预定深度或者出现无法继续下沉的情况时，需要将另一个新的管桩与其连接起来继续施工的过程。接桩的技术关键在于确保上下两节管桩的对接面平整、清洁，并且连接牢固。通常采用焊接的方法进行接桩，焊接材料应与管桩材质相匹配，如对于钢材管桩，可以使用与管桩相同强度等级的焊条。焊接前，需清理接缝处的油污、锈迹和毛刺，保证焊缝的质量。焊接完成后，焊缝应进行无损检测，如X射线或超声波检测，确保焊缝无裂纹、气孔等缺陷。例如，对于直径500mm的管桩，焊缝宽度可能需要保持在8-12mm之间，以确保足够的承载力。

送桩是指将预制好的管桩从存放区运输到施工现场，并将其准确无误地放置在预定位置的过程。在送桩前，需要根据施工图纸和现场实际情况确定管桩的准确位置，并进行标记。同时，需要准备相应的起重和运输设备，如吊车和平板车，并确保设备的承载能力满足管桩的重量要求。例如，对于长度为25m、直径为600mm的PHC管桩，其单节重量可能在3吨左右，因此需要使用至少6吨级的吊车进行搬运。在送桩过程中，还需注意保护管桩的外观质量，避免碰撞和刮擦导致的损伤。

完成送桩后，需要对接桩和送桩的结果进行检查和必要的修正。首先是对管桩的垂直度进行检查，要求垂直度偏差不超过规定的标准，如不超过0.5%。其次是对管桩的位置进行复核，确保其与设计图纸一致，位置偏差不大于规定的公差范围，如±5cm。如果发现垂直度或位置偏差超出允许范围，需要采取措施进行调整，如使用千斤顶或液压校正装置进行微调。最后是对管桩的连接部位进行再次检查，确认焊缝无损、连接牢固，确保后续沉桩施工的安全性和可靠性。

4施工技术创新

低应变检测是一种非破坏性检测方法，用于评估桩基、地基或结构物的健康状态。该技术通过在桩顶施加低能量的冲击荷载，并记录其响应波形来分析桩身完整性。常用的设备包括小锤和加速度计。数据分析依赖于应力波理论，即通过测量应力波在桩身中的传播速度和衰减特性来判断桩身是否存在缺陷，如裂缝、空洞或接头问题。例如，对于直径为0.6m、长度为25m的混凝土管桩，低应变检测可以通过分析反射波的到达时间来估算桩身的完整性，通常剪切波速度应在3000-4000 m/s范围内，若低于此范围可能表明存在缺陷。

静载试验是一种模拟实际工作条件下对桩基进行加载的试验，用以确定桩的承载能力和变形特性。在进行静载试验前，需要准备相应的加载设备，如千斤顶、反力架和压力传感器。试验按照相关标准进行，如ASTM D1143或ISO 22476-3。试验过程中，分级逐渐增加荷载，并记录每级荷载下的沉降量。例如，对于一个设计承载力为1000吨的管桩，静载试验可能会从200吨开始，每级增加100吨，直至达到设计承载力的两倍或桩顶沉降量超过特定值（如40mm）。

完成静载试验后，将得到一份荷载-沉降曲线图，通过对该图的分析可以得出桩的极限承载力和弹性模量。极限承载力是指桩在持续增加的荷载作用下最终失去承载能力时的荷载值。弹性模量则可以从初始直线部分的斜率计算得出，它反映了桩的刚度特性。例如，如果一个管桩在荷载为800吨时沉降量为20mm，而在900吨时沉降量为25mm，那么该桩的弹性模量可以近似计算为(900-800)/(25-20) = 200吨/mm。这些数据对于验证设计假设、调整施工方案和确保工程安全至关重要。

5结束语

经过深入分析和实践应用，超高强预应力混凝土管桩（PHC桩）在现代标准化厂房建设中显示出了卓越的性能。其高强度、良好的承载能力和快速施工的特点，满足了现代工业建设对基础工程高效率与可靠性的双重要求。通过实际工程案例验证，PHC桩能够适应多变的地质条件，保障了厂房建设的稳固性，同时缩短了工期，降低了施工成本，提升了建设项目的整体经济效益。因此，超高强PHC桩在现代标准化厂房中的运用是极为成功的，它不仅为地基工程提供了强有力的技术支持，也为未来工业建筑的发展奠定了坚实的基础。随着技术的进步和工程实践的积累，超高强PHC桩的施工技术和应用范围必将得到进一步优化和拓展，为工程建设带来更多的创新和价值。

参考文献

[1]吉飞, 李伟, 邵楷模, 杨凯. 聚羧酸外加剂对管桩开模免蒸压混凝土和易性的影响[J]. 混凝土世界, 2024, (02): 25-30.

[2]朱亚辉. PHC管桩复合地基在软土路基处理中的应用分析[J]. 交通世界, 2024, (Z2): 148-150.

[3]俞培莉. 软土地基处理中PHC管桩桩身及单桩承载力试验研究[J]. 云南水力发电, 2024, 40 (02): 59-62.

[4]徐佳樊. 标准厂房PHC管桩施工质量保证与材料质量控制[J]. 中国建筑金属结构, 2024, 23 (02): 169-171.

[5]汤国芳, 王晓妍, 汤文彰, 陈鹏, 刘贵双, 李健, 李启启, 卢传泰, 高超. C80免压蒸机制砂管桩混凝土研究与应用[J]. 江苏建材, 2024, (01): 19-22.