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高性能混凝土组合桩在滨海地区应用探讨

2015/02/26 天津港航桩业有限公司 黄朝俊 熊月金 李长征 王成伟 孙朝惜

高性能混凝土组合桩逐渐用于高层建筑中,从局部采用到整体采用,发展十分迅速,是因为它具有承载力高、抗压和抗剪性能好、以减小柱的截面尺寸、节约建筑材料、增加建筑空间、塑性和韧性好、抗震性能优越、延性好、耐火性能好等特点。高性能混凝土组合桩具有十分必要的研究价值和更广阔的应用前景。......

  摘要: 高性能混凝土组合桩逐渐用于高层建筑中,从局部采用到整体采用,发展十分迅速,是因为它具有承载力高、抗压和抗剪性能好、以减小柱的截面尺寸、节约建筑材料、增加建筑空间、塑性和韧性好、抗震性能优越、延性好、耐火性能好等特点。高性能混凝土组合桩具有十分必要的研究价值和更广阔的应用前景。

  关键词:高性能混凝土;组合管桩

 前言

  高性能混凝土组合桩是PHC(预应力高强度混凝土)管桩和TSC(薄壁钢管离心混凝土管)桩的组合。这种组合桩具有重量轻、刚性好;易于加工、搬运、堆放;可以焊接,易于调节;与上部承台连接较易;管材强度高,贯穿性好;桩下端为开口,沉桩排土量小,对周围地基和相邻及相邻桩及邻近建(构)筑物扰动、移位影响小;接头采用电焊,操作简便,质量可靠;沉桩功效高,可节省施工费用并缩短工期等一系列优点。但也存在钢材用量大,工程造价较高等问题。

 1 高性能混凝土的研究

  提高混凝土的耐久性,必须提高混凝土的密实度,降低混凝土的水灰比用量,如果纯粹的降低用水量,混凝土的工作性将随之降低,而且混凝土的耐久性也同时降低,针对这些问题可以采用以下方法来解决:

  一是掺入高效减水剂在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,尽可能降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后,会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中,包裹着许多拌和水,从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性,就必须在拌和时相应地增加用水量,这样就会促使水泥结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后,减水剂的定向排列,使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来,因而达到减水的目的。

  二是掺入高效活性矿物掺料,普通混凝土的水泥中水化物稳定性的不足,是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的,在于改善混凝土中水泥的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO2及活性Al2O3,它们能和水泥水化过程中产生的游离CaO及高碱性水化硅酸钙产生二次反应,生成强度更高,稳定性更优的低碱性水化硅酸钙,从而达到改善水化胶凝物质的组成,消除游离CaO的目的。有些超细矿物掺料,其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径,能填充于水泥粒子之间的空隙中,使水泥石结构更为致密,并阻断可能形成的渗透路径。

  三是消除混凝土自身的结构破坏因素除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外,混凝土本身的一些物理化学因素,也可能引起混凝土结构的严重破坏,致使混凝土失效。例如,混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂,水化热过高引起的温度裂缝,以及混凝土的碱集料反应等。因此,要提高混凝土的耐久性,就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、SO3、Cl等可以引起结构破坏和钢筋锈蚀物质的含量,加强施工控制环节,避免收缩及温度裂缝产生,提高混凝土的耐久性。

  四是保证混凝土的强度。尽管强度与耐久性是不同概念,但又密切相关,它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下,随着水灰比的降低,混凝土的孔隙率降低,混凝土的强度不断提高,与此同时,随着孔隙率降低,混凝土的抗渗性提高,因而各种耐久性指标也随之提高。在现代的高性能混凝土中,除掺入高效减水剂外,还掺入了活性矿物材料,它们不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外,在排除内部破坏因素的条件下,随着混凝土强度的提高,其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。

 2 组合管桩的研发背景

  组合管桩是我公司新的施工方式,组合桩因其具有的适用面广、方便施工、经济环保、安全可靠等特点,已成为高承载力、低成本、穿透性强、经济适用的深基础工程发展的一种趋势。

  TSC、PHC组合桩,包括PHC管桩和TSC桩,其创新点在于:所述PHC管桩和TSC桩均至少一根,TSC桩在上部,PHC管桩在下部;所述管桩同心设置,各管桩之间通过焊接或快速连接接头连接固定。TSC、PHC组合桩采用PHC管桩和TSC桩相结合,利用焊接或快速连接接头机械连接的方式连接固定。具有纯TSC桩的优点,耐打性好,成桩工艺与纯TSC桩一致,在同等长度上,成本节约75%左右;TSC桩在组合后主要用于结构抗水平力,其具体长短根据实际工程抗水平力要求进行确定,可取代传统的纯TSC桩,在符合工程需求的基础上降低造价,有效的节约资源。增加了软土层地区对组合桩的应用范围。

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 3 组合管桩的特点

  3.1 承载能力大

  TSC桩目前大多采用A3号低碳钢,材料的抗压、抗拉、抗剪强度很高,加工成钢管后抗弯能力很强,在持力层好的地质情况下选用,可以大大地发挥其受力特性,提高单桩承载力,减少布桩数量、缩小基础承台尺寸。对抗震区及风荷载较大的地区或较高的建筑物,选用该桩型也可大大发挥其抗水平荷载能力强的特点。开口TSC桩在沉桩过程中形成土塞效应,可以增加桩基的端承力,从而提高单桩的垂直承载力,不仅有较高的承载能力,而且还具有优良的塑性、韧性、延性和稳定性;当轴向承载力达到设计值时,桩身强度还有很大富余,因此还可以承受较多的横向荷载。

  3.2 规格多、选用余地大

  目前定型生产的TSC桩直径有300mm~2500mm,达几十种规格,壁厚6.9mm~25mm,且同管径有多种壁厚,可根据受力情况,选用几种合适的规格同时使用,使强度充分利用,以满足安全经济要求。一般情况下,桩各节均采用相同壁厚,有时为使桩进入较硬的持力层,需加大锤重并增加锤击数,对承受较大冲击的上节桩,可适当加大壁厚。

  3.3  TSC桩大多采用敞口式,加之管壁薄,压桩过程中土可以进入桩身,形成土塞效应,从而降低挤土和表土隆起,减小土垢扰动,降价低场地周边设施的影响。在旧城改建或周边已有建筑物的情况下,采用其他打入式桩,挤土非常明显,常常不能使用;采用钻孔灌注桩,虽可以解决挤土问题,但泥浆常污染场地及运输线路的城市道路,在大力提倡美化城市环境的今日,使用也大受限制。而采用TSC桩则不存在此类问题。并可以在小面积场地上进行非常密集的施工。

  3.4 施工速度快

  组合桩每节采用焊接,焊后1分钟即可压桩,接桩方便、间歇时间短,桩身强度高,对N635=50的坚硬土层能较轻易穿透,在常规情况下,桩就位后就能正常压桩,很少碰到土层难以穿越而需人工加以处理的情况。一般每台压机每天可以压桩500m左右,远远高于其它桩型,对工期紧的项目十分有利,相对而言可节约工程费用,因而其综合经济效益高。

  3.5 不易腐蚀

  由于组合桩埋在基础上,是在与外界隔绝,其内壁处于密闭状态,可不考虑其腐蚀,若其外侧与地下水接触稍有腐蚀,可以增加钢管桩壁厚余量来进行保护。根据国外资料,钢管的腐蚀速度80年为1.5mm~1.92mm。国内推荐设计用腐蚀速度为0.02mm/yr,设计时可根据建筑物的重要性和地质腐蚀情况而定,可适当增加钢管的壁厚。

  3.6 成本降低

  组合桩比纯TSC桩节省75%成本,由于组合桩单桩承载力高,布桩数量可以大大减少,基础承台也可以缩小,且施工速度快,后期处理事宜少,综合效益高,因此组合桩的应用前景还是十分广阔的。

  4、需注意的问题

  端板与钢管的焊接的垂直度应小于等于0.5%。在制作的过程中,由于垂直度控制不到位,很容易在施工的过程中造成桩头破碎。因此端板与钢管焊接可采用机械控制自动焊接的方法,这样可以保证每条钢管和端板的垂直度,也能大大提高产量。

  施工焊接的时候必按规程操作,由于TSC桩的承载力大,焊接点多,端部、头部、中部都有较大的集中应力,所以施工焊接的时候必须按规程操作,避免烂桩。

  5、结论

  组合桩在现在建筑中占有越来越重要的地位,相信不久的将来我们身边会经常看到组合桩的运用。本文总结了组合桩的研究成果,但在我国其应用和研究的时间还不长。所以,在今后还要不断深入的分析组合桩在滨海地区的具体应用,结合组合桩的特点提出更好的解决措施,更好的满足建筑物的强度、抗剪强度和变形的要求。更好的开发我国沿海地区大片的滩涂闲置的空地。

  [1]索默编,冯乃谦等译:高性能混凝土的耐久性,科学出版社,1998.

  [2]钱力航:钢管桩的腐蚀与防腐

  [3]作者简介:黄 朝 俊.工程师.天津港航桩业有限公司工程技术部主任,土木工程专业。

(责任编辑:王欣欣)

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