管樁的應用和研究現狀分析論文
摘要：管樁作為一種新樁型以其施工方便、承載力高、質量可靠、較為經濟等優點越來越得到廣泛的應用。本文根據管樁的承載力特性和受力狀況，分析了影響管樁承載力的因素以及提高管樁承載力的方法，并基于對施工中常見問題的探討，提出有效的防治措施。
關鍵詞：管樁；承載力；施工；質量控制
1 前言
管樁作為一種地基處理及樁基礎形式從上個世紀初產生到現在已經得到了很大的發展，在各種建筑基礎中得到廣泛地應用，并發揮著巨大的作用。從國外管樁的發展來看，從1920年澳大利亞發明了離心法制作混凝土制品、1925年日本引進這種技術用于鋼筋混凝土管樁，在1962年開發預應力混凝土管樁(PC管樁)，到現在已有八九十年的歷史，目前管樁已朝著全面取代傳統實心樁方向發展。我國是1944年開始生產混凝土離心(RC)管樁，到SO年代末期研究成功預應力抽筋管樁，即采用后張法對樁身混凝土施加預應力。近15年，我國生產的預應力混凝土管樁無論從產品性能和產量上都達到了世界前列，呈現出布局面廣，產品品種、規格齊全，生產技術成熟，配套應用技術日趨完善等特點。據資料反映，2004年福建省實際利用預制高強混凝土管樁就達2500萬米。為了更合理利用管樁這一技術、有效地推廣使用管樁，對管樁進行研究是極為必要的。
管樁的種類分為：鋼管樁、預制混凝土管樁及鋼管混凝土管樁。鋼管樁及鋼管混凝土管樁具有高強度、抗沖擊疲勞性能好、貫入能力強、便于割接、質量可靠、運輸方便、沉樁速度快及擠土影響小等優點，但造價高，約為預應力混凝土管樁的3－10倍。因此，一般只在必須穿越砂層或其它樁型無法施工和質量難以保證、或工期緊迫等情況下使用，或者是一些重要的特種工程的基礎上，如海上鉆井平臺，港口平臺等工程中使用。預制混凝土管樁之所以得到迅速發展和廣泛的應用，主要是由于具有以下優點：
(a)施工工期短，施工方便、不受季節限制，工業化生產：
(b)對施工場地無污染，若采用靜壓式施工更無噪音，符合綠色環保施工要求；
(c)經濟效益可觀，同樣的地基處理效果(豎向承載力及水平承載力)所使用的混凝土比實心樁節省30％－60％且抗腐蝕能力強，工作性能同鋼管樁基本相似。
(d)對持力層起伏變化較大的地質條件適應性強，一般情況下，軟土、粘性土、粉土、砂土及全風化巖體等地層條件均可采用。因此像高層建筑、碼頭工程、橋梁工程、高速公路、鐵道工程等除必須采用鋼管樁的特殊基礎外，在工程中鋼管樁已大部分被預制混凝土管樁所代替�，F在我國預制混凝土管樁使用量已經相當可觀。
2 管樁的承載特性及承載力分析
2．1 管樁的承載特性
管樁的底樁端部的樁尖(靴)形式主要有十字型、圓錐型和開口型。前兩種屬于封口型。采用封口型樁尖的管樁其承載力主要由樁周的側摩阻力及樁端的端阻力組成；采用開口型樁靴的管樁則在沉樁過程中樁身下部1/3－1/2樁長的內腔被土體充塞，擠土效應較弱(與沉管樁、靜壓實心混凝土樁比)，對周圍建筑物及環境影響小，具有較高的環保性能。但是內腔土塞卻為管樁提供了內側摩阻力，使得管樁的承載力的組成變得更為復雜。影響管樁承載特性的因素很多，比如樁側土性、樁端土性、樁徑、開口管樁的壁厚、人土深度、施工順序等。預制混凝土管樁通常只具備開口樁的功效。
2．2 管樁的受力分析
2．2．1 管樁的豎向承載性狀和單樁極限承載力 確定管樁豎向承載力的方法很多，最可靠的方法是靜力載荷試驗法，目前比較常用的公式有兩類：一是以土的物理力學指標和大量的試樁資料為依據，經統計分析建立樁側和樁端阻力與土類指標之間的關系；另一類是以土的力學性能指標如土的標準貫入擊數為依據，我國、歐洲及美國API－RP2A的地基基礎規范均采用第一類公式。其表達式為
由于各地地質條件不同，地質結構比較復雜，樁的類型又多，沉樁工藝也多種多樣，很難用單一形式的公式來反映工程實際。
從文獻進行的破壞荷載試驗得知，當樁頂豎向受壓時，樁身上部首先產生垂直應力和彈性變形，并向樁身下部傳遞，自上而下逐步建立摩阻力，樁身處于彈性壓縮階段。當荷載較小時，變形量較小，樁基基本沒有發生位移，樁端阻力為零。隨荷載增加，當垂直應力傳遞到樁端時，樁端土逐步壓縮，樁土相對變形加大，樁側摩阻力進～步發揮。在加荷載最后階段，隨著樁端阻力的不斷增加，樁頂部位側阻力首先達到極限(摩阻力趨于定值)，并向下逐步擴大極限阻力的分布范圍，在此過程中相對于荷載增量，作為抗力的摩阻力增量所占比例愈來愈小，而樁端阻力增量所占的比例則愈來愈大。最終導致樁端土出現塑性區并迅速擴展。樁因急劇下沉而失效，樁端土的刺入破壞先于樁身強度破壞。此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。
2．2．2 管樁的水平承載性狀和單樁極限承載力
隨著我國工程技術的迅速發展，大陸架淺海石油的勘探和開發技術的進步以及陸上高層建筑的發展，使得這些管樁不僅要承受巨大的豎向載荷，還要承受巨大的水平載荷。而樁在側向載荷作用分析是工程中非常重要但卻尚未圓滿解決的問題。文獻采用臥式千斤頂施加水平力試驗來測定單樁水平載荷，施加的水平荷載分級一般取預估水平極限荷載的1/10－1/15，每級荷載施加－后，恒載4min測樁的水平位移值，然后卸載至零，停2min測出樁的殘余水平位移值，至此完成一個加卸載循環，如此循環5次便完成一級荷載的試驗觀測。多級加荷后，出現下列情況之一時可停止試驗：1)樁身折斷；2)水平位移超過40mm或達到設計要求的水平位移允許值。當樁身應力達到極限強度時的樁頂水平力使樁頂水平位移超過20－30mm，或樁側土體破壞的前一級水平荷載，即是單樁水平極限承載力標準值。
2．2．3 影響管樁承載力的因素
2．2．3．1 偏斜
偏斜樁是指隨著樁周土的水平運動，樁與土之間產生的水平壓力導致樁身產生水平撓曲和彎矩，致使樁偏斜的被動樁。預應力管樁偏斜后，其極限承載力要低于鉛直樁的極限承載力。偏斜預應力管樁的承載力減少程度不僅與其偏斜的程度有關，且與其所處的土層性質、入土樁長、樁與承臺布置等均有一定的關系。
當遇到超過偏斜限量值的樁時，無論其是否發生裂縫，均應進行糾偏扶正處理，將其傾斜度控制在允許的范圍內。較淺的(一般2－3m)可以將樁傾斜反向土方挖除后扶正；較深的可以用鉆孔取土、高壓水沖取土等方式將樁傾斜反向一側土取出后扶正。然后對糾偏扶正的樁進行檢測，看其是否在糾偏施工中發生異常情況，如無異�？蛇M行下步施工。
2．2．3．2 裂縫
淺部裂縫——一般裂縫位置多發生在深度4－6m，也有的在3m以內，出現這種 情況多數是樁裂縫部位的下部有相對比較堅硬的土層。深部裂縫一裂縫位置發生在8－10m，出現此種情況多是地基土上部軟土層較厚。裂縫的存在勢必影響到樁基豎向永久性受荷特性，為確保樁基工程的安全使用，需對樁基進行加固處理。如接樁、補樁，一定情況下還需經計算確定。
2．2．3．3 偏心載
豎向荷載的偏心是預應力混凝土管樁產生彎曲荷載的重要原因，荷載的偏心也勢必影響樁的豎向承載力。預應力混凝土管樁基礎常采用柱下多樁承臺，嚴格地講，承臺下大多數樁都處于偏心承載狀態，對于偏心承載樁如何對樁的承載能力做出正確的評估，樁在正常使用極限狀態下所能承受的偏心距臨界值是多少，豎向荷載偏心距與樁的承載能力有何關系，這是預應力混凝土管樁基礎設計要特別考慮的問題。
文獻根據材料力學原理和現行鋼筋混凝土結構設計規范的規定，提出預應力混凝土管樁在偏心荷載(或在樁頂水平位移)作用下內力與位移的計算方法，包括純彎狀態下樁身抗裂彎矩臨界值；在軸心力和彎矩共同作用下樁身抗裂彎矩的極限值；樁頂允許承載力與豎向力偏心距(或樁頂水平位移)之間的相互關系式等。
3 管樁設計施工中的問題及質量控制
3．1 擠土效應
在沉樁過程中，土體向四周排擠，使周圍的土受到嚴重的擾動，主要表現為徑向位移，樁尖和樁周一定范圍內的土體受到不排水剪切以及很大的水平擠壓，產生較大的剪切變形，形成具有很高孔隙水壓力的擾動重塑區，降低了土的不排水抗剪強度，促使樁周鄰近土體會因不排水剪切而破壞，由于群樁施工中的迭加作用，會使已打入樁和鄰近管線產生較大側向位移和上浮。樁群越密越大，土的位移也越大。
施工遇到擠土效應采取的防治措施是：
�、俸侠戆才懦翗俄樞颉⒖刂泼咳沾驑兜臄盗�，減少孔隙水壓力的迭加：
②采用先開挖基坑后沉樁的施工工序，可減少地基淺層軟土的側向位移和隆起，有利于降低沉樁所引起的超靜孔隙水壓力，從而減少地基深層土體變位。
�、墼趫龅卦O置袋裝砂井或塑料排水板，創造排水條件以降低孔隙水壓力。
�、茴A鉆孔輔助沉樁。
3．2 浮樁
浮樁現象是靜壓管樁擠土效應的一種表現形式。該問題表現得很隱蔽，并且往往是等到壓樁工程完工后做靜載檢測時才發現，而此時樁機可能已退場。此時再來處理就非常被動。比較好的處理措施是：提前選取有代表性的樁進行測量監控，在樁施工結束后應立即用水準儀測量記錄其樁頂標高，并在整個施工過程中定期復測，通過比較來檢查樁身是否有上浮現象。如果發現有上浮現象，則需采取前面提過的控制壓樁速率、重新調整壓樁路線或鉆孔取土等措施，減少擠土效應進而控制樁身上浮現象。如果采取上述措施后仍不能解決樁身上浮現象，則可采用復壓的補救方法進行處理。
3．3 沉樁達不到設計要求
沉樁達不到設計的最終控制要求主要原因是：
①勘探點不夠或勘探資料粗糙，對工程地質情況不明，尤其是對持力層起伏標高不明，導致設計考慮持力層或選擇樁長有誤。
�、谠O計持力層選擇不當，預應力管樁持力層宜選擇強風化層，以達到較高承載力。但當強風化層埋深較深時，考慮到樁長限制，不得已選擇全風化層作持力層時，承載力將受較大影響，特別是全風化層有遇水易軟化特點，地下水可能通過樁管內從樁尖滲入，大大降低樁端承載力。
�、墼O計對單樁承載力預估不準，導致實際樁長與壓樁力不匹配。
�、軜渡頂嗔阎率共荒芾^續施壓。
防治措施為首先詳細探明工程地址地質情況，必要時應作補勘，正確選擇持力層或標高；施工采用合適噸位樁機；根據工程地質條件，合理選擇樁的施工方法及打樁順序，避免斷樁，確保樁身質量。科學設計，通過試樁確定合理終壓標準。
3．4 斷樁
斷樁是預制混凝土管樁施工中常常遇到的問題，其產生的主要原因主要有：
�、偈褂昧藦S家生產的未經檢驗的不合格的樁；
�、跇都馀龅降叵抡系K物管樁被蹩斷：
�、酃軜妒┕ぶ写怪倍葲]有控制好；
④管樁由軟弱土層突然進入硬土層，樁機壓力迅速升高，樁身受到瞬間沖擊力而引起；
�、莼邮┕ぶ校捎谲浲镣茢D隆起，基坑壁側向移動造成斷樁。
施工中若發現有斷樁，就要采取補強加固方案處理。對預應力管樁淺層斷樁可采用接樁。對深層斷樁的接樁(包括部分錯位樁糾偏后接頭)要抽干樁內積水，確認樁的傾斜在允許范圍內，放人鋼筋籠，鋼筋籠應伸到斷樁下3m，用高等級混凝土灌注。接樁后要進行承載力檢測。當斷樁處錯位，無法復原時，應重新補樁。對工程事故應分析問題的原因、補樁的可能性和對已施工樁的影響，考慮其它可利用條件以及經濟和工期等要求。
4 結語
管樁作為一種新樁型以其樁身質量可靠、承載力高、施工速度快、現場整潔、較為經濟等優點越來越得到廣泛的應用。但由于管樁的應用時間不長，在研究和應用等方面都還存在著不少亟待解決的問題。而工程實踐的發展已遠遠超過理論研究水平，使得管樁的應用受到嚴重制約。本文總結了管樁的承載力特性和受力分析、影響管樁承載力的因素以及提高管樁承載力的方法、施工中常見問題以及防治措施。但文中所涉及到的諸多問題目前都還沒有得到圓滿的解決，因此還需要通過大量的科學研究和工程實踐來做進一步探討。
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