PHC高强预应力混凝土管桩锤击法施工中桩材损坏事故分析

  摘要：本文就PHC高强预应力混凝土管桩锤击法施工中出现的事故，从桩体纵向裂缝，横向裂缝和击碎进行分析，对桩材损坏的因素进行分析。表明在PHC高强预应力混凝土管桩进行施工时需要在裂缝控制和锤击施工作业等方面需要加以注意。

  关键词：PHC高强预应力混凝土管桩；纵向裂缝：横向裂缝；击碎

  前言

  预应力混凝土管桩是一种优质的桩基材料，倍受广大建筑界从业者欢迎。这种桩型在日本的使用量要占桩材总量的90%以上，占绝对的主导地位。在我国，预应力混凝土管桩是八十年代末开始研制生产、应用的，1993年被建设部列为全国重点推广项目后，产量至今已翻了上百倍，发展迅猛。

  我国预应力混凝土管桩发展较晚，经过20多年的推广应用，获得了业界的认可。这种桩材具有单桩承载力大、质量可靠、造价便宜、检测方便、施工速度快、地质适应性好、穿透力强、施工文明等优点，与其他桩基种类相比较综合技术经济指标是先进的，是一个可持续发展项目，为此荣获1999年国家科技进步三等奖。

  在推广应用20多年中，遇到很多植桩施工中管桩损坏问题，其数量不超过2‰。根据各地区不同的地质情况，植桩施工中管桩损坏问题主要矛盾在于施工工艺和材料，经过案例统计，按比例应为7:3。对于施工问题（包括少量设计上和地质上的问题）和管桩质量（包括外径不圆），如果大家都严格执行标准，按规程办事，则完全能够将植桩损坏降到万分之几的程度。

  目前我国管桩植桩方法主要有两种：锤击法（以柴油锤为主）和压入法（以抱压法为主），而锤击约占70%，地区不同比例不尽相同。

  柴油锤打桩机，1938年由西德DELMAG公司首先开发，很快便在世界各地推广使用，桩机发展至今已十分成熟，它的优点是：施工灵活、进退场容易、施工进度快、操作方便、地层穿透性良好。缺点是噪音和油烟造成环境污染、振动过大、操作不当容易造成桩头打烂和裂缝。操作员的水平对施工质量影响较大，操作员具有良好的技术素质就能正确判断、灵活处理好施工中各种问题。

  静压法最大的优点是克服了柴油锤桩机的噪音和油污染、振动过大，但也有明显的缺点，庞然大物，进退场不容易，自重大会带来挤土作用和机身不均匀沉降，夹具不圆，夹块对数少，使管桩表面受力不均，严重应力集中是造成管桩夹碎、夹裂的直接原因，且对施工场地要求高，现主要针对锤击施工中出现的损桩问题进行分析。

  锤击法施工中的桩体损坏表现在，桩体纵向裂缝，横向裂缝和击碎，归纳起来有以下几个方面。

  1、锤击过程中导致的桩体破坏

  1）较高的压应力致使桩头混凝土被击碎，保护层劈离。

  2）桩尖部位受到强烈的打击阻力或桩尖滑移使该点混凝土被击碎。

  3）弯曲反射拉应力作用引起管桩的横向裂缝或被击碎，有时裂缝处还有混凝土剥落现象。

  4）由于偏打和水力锤动现象引起管桩纵裂和爆裂，其桩体损坏的原因如下：

  2、桩头受压破坏

  桩头受压破坏。管桩直径与选用桩机型号不协调，即使选型合适，桩帽内的缓冲垫厚度不够或没及时更换。施工中，选用的冲程没有与地质条件配合好。根据国家、行业标准的相关规定，筒式柴油打桩锤的选用可参考表1。

  表1.选择筒式柴油打桩锤参数表

  如果选大了锤重和调大了冲程，都有可能将桩头打烂，特别是在管桩穿层时，控制不好冲程，很容易打烂桩头。

  由于桩帽与混凝土桩顶之间的垫层厚度不够而打烂桩头，这是最常见的现象。在打桩现场，施工单位往往只用3～4层硬纸板或三夹板来充当垫层，有的甚至说，既然是C80预应力高强混凝土管桩，则不垫也不要紧，这是不符合国家标准的。国标GB13476明确规定：桩帽与桩头之间应设计弹性衬垫，衬垫厚度应均匀，且经压实后的厚度不应小于120mm，在打桩期间应经常检查，及时更换或补充。桩帽和桩锤之间应用竖纹硬木或钢丝绳做锤垫，其厚度应取150mm～200mm，国外的标准也类似，而美国《预应力混凝土桩设计制造及设置实用指南》更是建议每一根桩采用一个新的衬垫，以有效地减小锤击应力，由此可见更换衬垫对管桩在施工中的保护效果非同一般。

  当桩顶与桩纵轴不垂直时，锤击力将集中于桩顶高的一边，即产生偏打。造成这一不利的情况有两种可能：一是管桩的端板与管桩轴线不垂直，其端面平面度超过国标GB13476所规定≤0.5mm的规定；二是施打时，桩身倾斜率超过GB13476中对端部倾斜度的规定即≤0.5%D(D为外径)。偏打的外观表现为被打的端板一边光亮，另一边为黑色，如不及时停锤就会将桩头全部击碎，端板就不能拿出，被卡在桩帽内，变形严重无法分清责任。另一个比较常见的偏打现象是：管桩在刚开始施打直至烂头，并没有出现桩身倾斜现象，但管桩受打端板还是一面光、一面黑，主要原因是施工场地地面松散，在施工过程中，由于震动过大 ，桩机出现陷机现象，失去了原来调好的水平，在施打过程中没有及时调整，使桩机和桩身不在同一条轴线上，故而出现偏打，造成烂桩。

  桩帽与桩径配合不当，过松或过紧，桩帽应做成圆筒型，套桩头用的筒体深度应取350mm～400mm为宜，内径比管桩外径大20mm～30mm，这样一方面保证锤头、桩帽、桩身在同一条垂直线上，允许略有偏差，另一方面，使桩头在锤击过程中有一定的横向变形余量。

[Page]

  预应力钢筋的镦头不得凸出端板外，否则锤击时，镦头凸出的纵向钢筋变形大，它便挤坏钢筋周边混凝土，造成烂头或镦头脱落。

  桩头区段约3D～4D环向配筋不足或不匀，使包络的芯部混凝土面积小，外部自由混凝土--保护层不足以抵御锤击时的过大应力，有时也可能在生产过程中环筋松动，局部间距过大，环筋的直径过小，裙板过窄，端板太薄也是不利因素。

  3、桩尖的受压破坏--跪桩

  桩尖部位出现极其强烈的打击阻力引起该部位的混凝土击碎，这种情况往往在桩尖部位穿越基岩时就会遇到。在裸露岩石上打桩的桩尖压应力理论上可以达到锤头撞击桩头时所产生的压应力的二倍。因此，当持力层选在中风化、微风化层、上层岩土薄而较软时，施工要特别注意，不一定要打到设计高程，按最后十击贯入度决定收锤，20～40mm十击即可。

  持力层地形走向比较复杂，如管桩持力层坡度较大，容易造成桩尖（头）滑动，这时桩尖段除受垂直压力外还受横向弯曲外力，极易造成桩尖破坏或蹩断，如用十字扳形钢桩尖时，遇到持力点坡度大，则往往一边着力，而另一边处于腾空状态，则桩尖（头）也易破碎，继续施工便发现实际用桩米数与设计高程不符，进而检查，便可发现底部混凝土碎块，是弃而不用还是补桩，还是继续施工达到收锤要求，要看现场情况而定，一般情况多数选择继续施，但该桩应做静载试验。

  4、横向裂缝

  管桩是细长构件，它在吊装、运输、堆放环节中易受弯而产生横向裂缝（也叫环裂），故植桩前要检查，这里谈的是施工过程中的横向裂缝。

  据美国PCI-1994报告中指出，锤头打击桩头时，桩头会产生压应力，这个应力以波的形式按大约3660m/s～4570m/s的速率沿桩体向下传播，应力波的强度取决于锤头冲击速率、桩头垫层、桩的结构特性和土壤的阻力，而应力波的波长主要取决于锤头与垫层的接触时间，长的接触时间将减小打桩应力，沿桩身向下传递的压应力会以拉应力或压应力的形式从桩尖部反射上来。这取决于桩尖部的土壤阻力，如果桩尖部的土壤阻力很小或几乎没有，压应力波就会以拉应力波的形式反射上来。桩体内任意一点的净拉应力等于沿桩体向下传播的压应力与沿体向上传播拉应力的代数和。是否会出现临界拉应力，将取决于最初的压应力值和与桩长有关的应力的波长。为了防止桩的破坏，通常希望应力波长长些，如果桩尖部的土壤阻力非常大，则最初沿桩身向下传递的压应力波将仍以压力波的形式反射上来，在这种情况下，不会在桩体内产生拉应力，而是在压应力波到达桩体自由端后将以拉应力波的形式再反射回去，此时，在桩头附近有可能出现临界拉应力，概括起来，出现横向裂缝的原因有以下几个方面：

  1）桩头垫层不合要求，就会产生高振幅和短波长的应力波，这两种都是潜在的危险。

  2）当锤头以高速率打击桩体，便产生高振幅应力波，桩体内的应力与锤击速度成正比。

  3）在打15.2m长桩或更长桩时，要进行拉应力验算，桩尖部阻力很小或几乎没有，桩内就会出现临界拉应力，当打击拉应力大于混凝土极限拉应力与有效预压应力总和时，将出现横向裂缝。管桩按混凝土有效预压应力值分为A型、AB型、B型、C型，其值分别为4  N/mm²、6 N/mm²、8 N/mm²、10 N/mm²，所以C型桩的耐打性要远远高于A型桩。

  5、管桩纵向裂缝与爆裂

  从预应力管桩生产工艺来看，只有在严寒冬季，又是蒸压釜降温操作不符合规程要求时，管桩温度远高于周围环境温度（150℃以上），由温度应力造成的管桩外表面纵向裂缝。施工中的管桩纵裂往往发生在快收锤时刻，所以位置往往在桩头部位，这是由于：

  1）桩头压应很大，由于材料属性关系，此时的混凝土拉应力也很大。

  2）临近收锤的最后阶段，累计锤击数已很高，疲劳现象使混凝土强度下降。

  3）桩到持力层时贯入度小，锤击时，桩体震动猛烈，桩头处造成细微裂缝。

  4）端头板不平整或桩身不垂直，偏打，使应力集中加剧。

  5）桩头段如环筋配筋率不足或直径过小，裙板不符合要求，桩头混凝土得不到很好的保护与加强。

  所谓管桩的内部爆裂，观其外表也是纵裂，但成因与上面的纵裂不同。爆裂的产生是因为管桩是未封口的中空构件，当在非常软的半液态土壤中打桩时液体压力增大引起所谓水锤的水力锤动现象，使管桩内壁产生强大的压力，管桩撑裂桩壁出现纵向裂缝。在砂层中打开口管桩时，也有可能造成由于泥砂堵塞而桩内产生内部爆裂。

  结语

  以上各条均属工地常见之问题，分析不到之处望同行批评指正。

  参考文献：

  1.《预应力混凝土管桩技术规程》DB29-110-2010

  2.国家行业标准JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》

  3.美国PCI-1994报告《预应力混凝土桩设计、制造及实用指南》余洪方:译，载于中国水泥制品工业协会系列技术资料96-4