浅析phc管桩的机理与实际应用.docx

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浅析phc管桩的机理与实际应用

毕业实践报告

PHC管桩的机理与实际运用

【摘要】本文探讨了PHC管桩的机理与施工工艺，阐述了沉桩的终压力与极限承载力的关系，并对实际工程中常见质量问题及处理方法进行了分析。

先张法预应力混凝土管桩是国内开发成功的一种新型建筑工程基础用桩，发展至今已有近十年的时间，现全国有180多家生产企业，年产量达800多万米，在国家基本建设中发挥了重要的作用，具有经济合理、混凝土强度高、桩身竖向承载力较强、抗弯性能适中、接头性能好、沉桩质量可靠、监测方便、施工工期短等优点，得到了勘测、设计、施工及用户的充分肯定。

近年来，随着生产技术的发展，混凝土管桩的结构、规格及产品性能都有了较大的发展和提高。

管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩（代号PC）和预应力高强度混凝土管桩（代号PHC），　　近年来，各种形式的原位灌注桩在工程实践中得到推广运用，虽然克服了阻力不足的缺点，有的还可以随意扩大桩头或桩径的大小，改变桩的受力条件使桩土工同承担荷载的愿望得以实现。

但其施工质量难以得到保证，在清除根底淤泥有很大难度，而且在灌注过程中缩径问题不容易控制，噪声、污泥等环境问题也无法克服。

相比之下，在城市中心居民密集区，预制静压桩能克服上述缺点。

混凝土预应力混凝土管桩因为其噪声小、不污染环境、桩身质量好，单桩竖向承载力高、施工周期短、工程质量稳定、对工程地质变化适应性强等优点，得到了广泛的运用，尤其在沿海软土地区，据估计，目前在福建沿海地区约有50%以上的工程均使用预应力高强度混凝土管桩作为基础。

【关键词】PHC管桩局限性质量控制

【Abstract】TheworkpresentsthetheoryofPHCpileandsequenceofconstructionoperations,therelationshipbetweenpenetrationofpilesandultimatebearingcapacity.Itanalysestheproblemsofcommonqualitycontrolandmethodofoperationintheconstructionproject.Vibratoryhammersareusuallyhydraulicallypowered,howeveralsoelectricvibratorsarestillusedinsomecountriessuchasJapan.Thedrivingunitconsistsofcontra-rotatingeccentricmasses,whicharelocatedwithinahousing,attachedtothepilehead.Thefirstvibratorsusedforpiledrivingweredevelopedsome60yearsagoinRussiabuthavesincefoundfrequentapplicationforfoundationworkworldwide,especiallyfortheinstallationandextractionofsteelsheetpiles.Ifusedcorrectlyandinsuitablesoilsthenvibratorypiledrivingisaveryefficientpileinstallationandextractionmethod.However,soilconditionsandtheinstallationprocedurehavegreatsignificanceforthedrivingresistanceandaffectthebearingcapacityofvibratedpiles.Innon-cohesionlesssoilsgoodratesofprogresscanberealized.Duringthedrivingprogress,thegranularsoilimmediatelyadjacenttothepileiseffectivelyfluidized,andfrictionontheshaftisconsiderablyreduced.Instiffcohesivesoils,fluidizationwillnotoccur,andvibratorypiledrivingmethodsarenotgenerallyaseffective.

【Keyword】PHCpilesvibratoryqualitycontrol

目录

1引言……………………………………………………………………………………………

2预应力高强度混凝土管桩的制造工艺………………………………………………………

2.1预应力管桩的制作…………………………………………………………………………

2.2PHC管桩的特点及适用范围………………………………………………………………

2.2.1PHC管桩的特点……………………………………………………………………

2.2.2PHC管桩的不足之处………………………………………………………………

3PHC管桩沉桩机理……………………………………………………………………………

3.1PHC管桩工作原理…………………………………………………………………………

3.2PHC管桩承载性能的分析研究……………………………………………………………

4PHC管桩的不足之处…………………………………………………………………………

4.1PHC管桩的局限性…………………………………………………………………………

4.1.1施工机械的局限性…………………………………………………………………

4.1.2施工场地的局限性…………………………………………………………………

4.1.3地址条件的局限性…………………………………………………………………

4.1.4多承台的局限性……………………………………………………………………

4.1.5沉桩标高的局限性…………………………………………………………………

4.2PHC管桩存在的问题………………………………………………………………………

4.2.1施工时存在的问题…………………………………………………………………

4.2.2PHC管桩的水平承载力问题………………………………………………………

5PHC管桩的实际运用…………………………………………………………………………

5.1施工方法……………………………………………………………………………………

5.2工程概况……………………………………………………………………………………

5.3压桩的施工方案……………………………………………………………………………

5.3.1沉桩的可行性分析…………………………………………………………………

5.3.2沉桩前准备工作……………………………………………………………………

5.3.3测量放线定位………………………………………………………………………

5.3.4桩垂直度及标高控制………………………………………………………………

5.3.5PHC管桩进场验收…………………………………………………………………

5.3.6PHC管桩起吊和搬运………………………………………………………………

5.3.7桩的下沉……………………………………………………………………………

5.3.8接桩…………………………………………………………………………………

5.3.9送桩…………………………………………………………………………………

5.3.10沉桩线路的选定……………………………………………………………………

5.3.11静载试验法…………………………………………………………………………

5.4施工要点……………………………………………………………………………………

5.5施工中应注意的事项………………………………………………………………………

5.6施工机械……………………………………………………………………………………

5.6.1静力压桩机构造……………………………………………………………………

5.6.2桩机工作原理………………………………………………………………………

5.6.3静力压桩机的特点…………………………………………………………………

5.6.4全液压静力压桩机在桩基础施工中的应用………………………………………

5.7施工过程中的控制…………………………………………………………………………

5.7.1静压桩施工方法控制………………………………………………………………

5.7.2静压桩质量控制要点………………………………………………………………

5.8常见问题分析………………………………………………………………………………

5.8.1挤土效应和振动影响………………………………………………………………

5.8.2沉桩时遇到浅层障碍无法继续沉桩………………………………………………

5.8.3斜桩…………………………………………………………………………………

5.8.4桩身破坏……………………………………………………………………………

5.8.5桩身抬高……………………………………………………………………………

6小结………………………………………………………………………………………

7谢辞………………………………………………………………………………………

8主要参考文献……………………………………………………………………………

1引言

预应力高强度混凝土管桩，简称PHC管桩。

一般是应用现代高效预应力混凝土技术，通过自动计量配料、混凝土强制搅拌、预应力张拉、离心、蒸养、高压蒸养等工艺制造而成的。

这种管桩一般具有结构合理、强度高、接桩灵活、质量可靠、穿透力强、施工快速等优点。

2预应力高强度混凝土管桩的制造工艺

PHC管桩按其施工方法分为后张法和先张法，应用较广泛的是先张法预应力混凝土管桩，它是采用先张法工艺和离心成形法，制成空心圆筒体混凝土预制构件，节长不超过12m，施工时先在工地上沉入第一节桩，再驳接第二节桩沉下去，再驱动第三节，直至达到设计标高为止。

2.1预应力管桩的制作

先张法预应力混凝土管桩是空心圆柱形细长构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍组成，PHC管桩强度不低于C80，其脱模后进行高压蒸养，制作时间需3~4d。

按混凝土抗弯矩和极限弯矩的大小和分为：

A型、AB型、B型。

PHC管桩有4.0~5.0MPa的有效预应力，故在打桩时桩身混凝土一般不会出现横向裂缝，所以对一般建筑工程，选择A型或AB型即可满足要求。

PHC管桩的接头现在几乎全部采用端头板电焊连接，端头板外缘一周有坡口，供对接时焊接使用，PHC管桩沉入土中的第一节桩为底桩，端部设十字形、圆锥形或开口形桩尖，前两种属封口型。

十字形桩尖加工容易，造价较低破岩能力强，应用广泛，其缺点是在穿越砂层时不如其它两种桩尖。

开口形桩尖一般用于入土深度为40m以上且桩径大于500mm的管桩中，成桩后桩身下部内腔被土体充塞，挤土作用大大减少便于沉桩。

2.2PHC管桩的特点及适用范围

2.2.1PHC管桩的特点

（1）单桩承载力高：

桩身强度较高，可打入密实砂层积强风化岩层。

在沉桩中由于剧烈挤压，桩尖持力层土质承载力大大提高，因此PHC管桩涉及承载力比同直径的管桩和钻孔管桩高

（2）适用范围广：

PHC管桩规格较多，承载力也不同，既适用于多层建筑，也适用于五十层以下的高层建筑。

即使在同一建筑中也可采用不同桩径的管桩，充分发挥其承载力，便于布桩。

（3）桩长规格灵活：

对桩端持力层起伏变化较大的地质条件最为适用，成桩长度不受施工机械的限制。

（4）单位承载力造价低：

PHC管桩虽然单位造价比其它灌注桩高，但其承载力高，持力层浅，故单位造价较低。

（5）接桩速度快，施工效率高，工期短。

（6）穿透力强。

由于PHC管桩桩身混凝土强度高，加上有一定的预应力，桩身在压桩时不易损坏，而且可穿透较厚的砂夹层。

（7）成桩质量可靠：

PHC管桩采用工厂化生产，桩身质量可靠，只要严格执行成桩操作规程，成桩质量较好。

2.2.2PHC管桩的不足之处

（1）所需施工机械设备投资大。

（2）挤土量大。

（3）由于送桩深度受到限制，基坑开挖后截桩长度较大，造成一定的浪费。

3PHC管桩沉桩机理

3.1PHC管桩工作原理

沉桩施工时，桩尖“刺入”土体中时原状土的初应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖产生相应阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑流动（粘土）或挤密侧移和下拖（砂土），在地表处，粘土体会向上隆起，砂土则会被拖带下沉。

在地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周水平方向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。

由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响，此时，桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力，桩将继续“刺入”下沉。

反之，则停止下沉。

压桩时，地基土体受到强烈扰动，桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度有很大差异。

随着桩的沉入，桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移，由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用，土体对桩周表面产生摩阻力。

当桩周土质较硬时，剪切面发生在桩与土的接触面上;当桩周土体较软时，剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内，粘土中随着桩的沉入，桩周土体的抗剪强度逐渐下降，直至降低到重塑强度。

砂土中，除松砂外，抗剪强度变化不大，各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值，而是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值，桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用，其值可占沉桩阻力的50～80％，它与桩周处土体强度成正比，与桩的入土深度成反比。

粘土中，桩尖处土体在扰动重塑、超静孔降水压力作用下，土体的抗压强度明显下降。

砂土中，密砂受松驰效应影响土体抗压强度减少，松砂受挤密效应影响土体抗压强度增大，在成层土地基中，硬土中的桩端阻力还将受到分界处粘土层的影响，上覆盖层为软土时，在临界深度以内桩端阻力将随压入硬土内深度增加而增大。

下卧为软土时，在临界厚度以内桩端阻力将随压入硬土的增加而减少。

一般将桩摩阻力从上到下分成三个区：

上部柱穴区，中部滑移区，下部挤压区。

施工中因接桩或其它因素影响而暂停压桩的间歇时间的长短虽对继续下沉的桩尖阻力无明显影响，但对桩侧摩阻力的增加影响较大，桩侧摩阻力的增大值与间歇时间长短成正比，并与地基土层有关，因此在静压法沉桩中，应合理设计接桩的结构和位置，避免将桩尖停留在硬土层中进行接桩施工。

3.2PHC管桩承载性能的分析研究

PHC管桩的施工终压力和极限承载力是两个不同的概念，不仅性质不同，而且数值大小也不同。

PHC管桩在静压力的作用下沉入地基土中时，桩侧表面与桩周围土体的摩擦力是滑动摩擦力，这种摩擦力非常小，而且在同一土层中基本保持不变，不随桩身入土深度的增大而累计增大。

压桩阻力随桩端处土体的软硬程度即桩端处土体的抗冲剪阻力的大小而波动，PHC管桩沉桩穿越的土层一般是软弱松散的，含水量较高，孔隙较大。

当PHC管桩垂直受力下沉时，桩尖直接使土体产生冲剪破坏，同时桩周土体也产生剪切挤压破坏，孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生了超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周的一倍桩径范围内的土体抗剪强度降低，粘性土发生了稠化，粉土、砂土发生软化。

压桩一旦终止，随着时间的推移，超孔隙水压力会逐渐消散，桩周土体固结，土的抗剪强度逐渐恢复，甚至超过其云原始强度。

等土体完全恢复后，原来施工下沉时桩侧滑动摩阻力变成承载时的静摩阻力，PHC管桩才获得工程上所需要的所谓极限承载力。

根据统计分析，PHC管桩的极限承载力中，不管桩尖持力层是粘性土层、粉土层、砂土层还是风化岩层，桩端所能提供的端承力约为终压力的40%~50%，其余部分要靠桩周土体抗剪强度的恢复来补充。

如果桩身长且桩周土体摩阻力的恢复值又大，那么该PHC管桩的极限承载力就将大于施工终压力；如果桩身很短，桩侧提供的侧摩阻力就小，那么桩的极限承载力小于桩的终压力。

根据许多PHC管桩的试验资料分析，PHC管桩属于端承摩擦桩或摩擦端承桩时，当长细比约为50时，桩极限承载力约等于桩的终压力值；当长细比小于60时，桩极限承载力往往大于桩的终压力值；当长细比小于40时，极限承载力就会小于终压力值。

在PHC管桩施工完成后，土体中孔隙水压力开始消散，土体发生固结强度逐渐恢复，上部桩柱穴区被充满，中部桩滑移区消失，下部桩挤压区压力减小，这时桩才开始获得了工程意义上的极限承载力。

从大量的工程实践看，粘土中长度较长的PHC管桩其最终的极限承载力比压桩施工时的终压力要大，在某些土体固结系数较高的软土地区，PHC管桩最后获得的单桩竖向极限承载力可比终压力值高出一二倍，但是粘土中的短桩，土体强度经一段时间的恢复，摩阻力虽有提高，但因桩身短，侧摩阻力占桩的极限承载力的比例差异不大，最终极限承载力达不到桩的终压力。

因此桩的终压力与极限承载力是两个不同的概念，一些初接触静压桩的设计、施工人员往往将两者混为一谈。

两者数值上不一定相等，主要与桩长、桩周土及桩端土质有关，但两者也有一定的联系。

4PHC管桩的不足之处

4.1PHC管桩的局限性

4.1.1施工机械的局限性

PHC管桩施工的机械设备主要为捶击桩机和静力压桩机两种，捶击桩机因其冲击应力大，故

对PHC管桩桩身的强度要求较高，其结构强度竖向承载力值比同种类、同型号的预应力混凝土管桩高出32%左右。

静力压桩机中分抱压和顶压两种，抱压时桩顶主要承受垂直压力，所以对管桩施工有利，但随着机械设备的发展，大量的双抱压静力压桩机投入市场，它主要由上下两套夹箍代替原来的抱压静力压桩机的单套夹箍，故抱压时由上下两处分散了一处的集中应力，水平力几乎减少了一半，而且施工时抱压力可以调节，如此对桩身的破坏大大减小了。

4.1.2施工场地的局限性

在桩基工程启动前，施工单位应该进行详细的勘查工作。

静力压桩工程对场地的要求较为严

格，场地表层或浅层内不能有十分软弱的淤泥质土，因为淤泥质土会使自重大而与地接触面积相对较小的静力压桩机“陷机”。

这样一方面机身容易倾斜，压桩时使管桩不能垂直受力，造成抗弯剪很差的管桩断裂；另一方面由于淤泥质土土质呈流塑状，自重较大的静力压桩机行走时产生的水平挤应力极易传递到管桩桩身上部，产生水平剪力，改种剪力随着桩顶面与地面的距离减小而增大，从而使送桩较浅的管桩上部断裂。

此种淤泥质土多存在于老河道、暗浜内，如果施工单位未经清除淤泥就回填土会造成恶性循环，极大地影响了桩基工程质量和进度。

4.1.3地址条件的局限性

地处长江三角洲的上海地貌隶属冲积平原区，主要有粘性土、粉质粘土、粉土、及互夹层组

成。

由于地质的复杂性，沉桩过程中在同一区域相同深度的压力会相差很大，造成有的桩能轻松压入而有的却难以下沉，此时如果压力接近甚至超过桩身极限结构强度会出现桩身碎裂破坏。

此外如场地下存在大量障碍物，管桩接触到障碍物时桩身容易偏离原位或突然倾斜，有时还可能成桩不下，从而使桩身折断。

4.1.4多承台的局限性

对于多承台的基础，由于桩位分布较密集，桩下沉时所产生的超静定孔隙水压力和挤土效应

会造成沉桩困难，而易采用φ500mm以上的开口桩，并合理安排桩机行走路线以减少挤土效应。

4.1.5沉桩标高的局限性

对于一般的混凝土预制方桩，如果桩顶标高标高超过设计标高较多时较好处理，即只需用人

工凿去高出的桩顶混凝土部分，再将钢筋锚入承台即可，但预应力混凝土管桩由于桩身强度高，且存在预应力，如果切割掉高出的桩头，则会损失预应力，而抬高整个承台面标高则增加了混凝土量，也增加了工程造价，因此管桩的桩顶标高误差不宜超过+5mm，由此可知，在管桩的施工中必须严格控制标高以避免不必要的损失。

4.2PHC管桩存在的问题

大型静压桩机的发展使PHC管桩充分发挥了高强度的作用，桩径600mm的静压桩PHC管桩单桩承载力能达到6000kN以上，可满足30~40层建筑所要求的单桩承载力

1PHC管桩自身存在的问题PHC管桩虽然强度高，但易碎，桩身易产生裂缝。

对于地质复杂，持力层起伏较大的工程场地就是完整的地质资料，PHC管桩也难估计桩的实际长度，容易造成配桩超长或送桩过深，超长需段桩，过深则需不桩，使工程成本加大，如遇到孤石容易产生偏斜，引起断桩。

4.2.1施工时存在的问题

静压桩基对桩身施压的部位在桩身侧面，施压时通过液压抱桩器将桩身抱住，再利用主机液

压缸将桩压入地基中，整个压桩过程为：

抱紧下压松开上升再抱紧，如此反复进行。

整个压桩的桩受力过程为：

受力卸零再受力，在进入持力层后桩受力越沉越大直至达到终止压力。

抱桩力一般为压桩力的两倍，故对压力高的桩抱桩力更高。

在施工中当压桩将达到终止压力时，此时桩身侧面所受抱桩力最大，而该部位均在最后一节桩桩身上部，所以该部位易产生横向或竖向裂缝。

有时为达到预定桩长一再复压使该部位更易产生裂缝。

静压场地需平整，桩架、抱压平台须与桩身垂直，当桩架不均匀沉降较大时就可能把桩身在土下压碎。

在地质变化较大的场地桩长相差大，静压PHC管桩也属挤土桩，虽然挤土效应没有捶击打入式那么明显，但也经常会把同一承台已压入的桩挤上涌或桩身、接头拉裂。

同时，挤土产生的水平力也有桩身挤裂的危险。

4.2.2PHC管桩的水平承载力问题

PHC管桩水平承载力也值得关注，现在工程中没有特殊要求的PHC管桩都采用A型状以降低

成本，但A型桩的水平承载力低，受到水平力时容易产生裂缝或断桩。

目前的高层或小高层建筑都有地下室，基坑的深度一般为3.5~5.5m，基坑开挖时应分层开挖，避免在一侧一下开挖到基坑底使未开挖的土层对这一侧产生水平力而把PHC管桩挤断或产生裂缝，同时开挖到桩身边时一定要特别小心，严防机械碰到桩身，因为PHC管桩很易碎，轻轻一碰就可能产生裂缝。

5PHC管桩的实际运用

5.1施工方法

PHC管桩有三种方法：

1、锤击打入式2、振动静压式3、静压式。

静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将混凝土管桩压入土中的沉桩工艺。

即液压式抱压型，沉桩由压力表控制压桩机，压力表须由计量鉴定。

抱压型有抱桩平台上下4~8个液缸，用抱桩器抱住桩身靠摩擦力下压把桩压入土中。

静压式因为适应现在社会环保要求，又有直观可靠的压力表控制压力，所以成为桩基础施工中最常用、最主要的施工方法。

由于这种方法具有无噪音、无振动、无冲击力等优点，适应今后对绿色岩土工程的要求；同时压桩桩型一般选用预应力管桩，该桩作基础具有工艺简明，质量可靠，造价低，检测方便的特性。

5.2工程概况

桩基工程位于上海宝山区，主要建筑包括游泳馆、健身房及综合馆三个区域，二层框架结构。

基础采用预应力管桩，桩型为PHC-AB400（80）-27a（25a），共259套。

0.000相当于绝对标高5.100m，采用静力压入法施工。

依据《岩土工程勘查报告》，本场地地形