预应力混凝土管桩施工工艺.docx
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预应力混凝土管桩施工工艺
预应力混凝土管桩施工工艺
1前言
预应力混凝土管桩是一种打入土中，横截面尺寸比其长度小得多的管状细长构件，管桩的上部与承台（梁）联结组成桩基础。
1.1适用范围
预应力混凝土管桩常用于以下情况：
（1）当建筑物荷载过大，地基软弱，地下水位较高而采用明挖基础沉降量过大，建筑物又不允许有较大沉降。
（2）当建筑物内外地面有大面积堆载，使软弱地基产生较大变形；或当基础可能有不均匀沉降而对建筑物造成危害。
（3）当建筑物承受较大竖向荷载和水平荷载，对建筑物有特殊要求。
（4）当地表软土层较厚，不宜作基础持力层，或地基中有暗沟、深坑、古河道等情况。
（5）当建筑物地基中存在可能液化的土层
（6）在湿陷性黄土和膨胀土区域内，地基的湿陷量或膨胀量较大时。
1.2使用特点
上部荷载通过桩基础传递给土层，它是深基础中常用的一种形式，能较好的适应各种软弱地质条件及荷载情况，具有承载力大，稳定性好，沉降值小等特点，并能采用机械化施工，大大提高了施工进度。
对其自身，预应力混凝土管桩较大的减轻自重，从而节省材料增强其抗拉性能，一般情况下应采用工厂化预制，从而保证成品桩质量，同时具有施工灵活等特点。
2预应力混凝土管桩结构设计及质量检验
2.1结构设计
预应力钢筋混凝土管桩主要由具有生产资质的砼制品厂以先张法并采用离心成型工艺制造，其外径主要有Φ400和Φ550mm两种，为了运输的方便，厂制管桩的节长一般为8m和10m，也有4m和6m视具体需要而定。
桩的接头采用钢制法兰盘，桩尖系采用钢板卷焊而成，中填混凝土，桩尖留有Φ70mm的射水孔
2.1.1常见型号尺寸
表1常用预应力砼管桩的型号尺寸
管桩型号
外径
内径
壁厚
主筋配置直径
主筋直径根数
D1（mm）
d2（mm）
T（mm）
d（mm）
Φ400-80
400
240
80
336
Φ12×8
Φ400-90
400
220
90
336
Φ12×8
Φ550-80
550
390
80
486
Φ12×12
Φ550-100
550
350
100
486
Φ12×12
2.1.2管桩截面力学性能
（1）管桩截面和桩尖。
管桩截面和桩尖示意图见图1。
图1管桩截面和桩尖示意图
（2）管桩截面特性。
见表2。
表2截面特性
项目
特征值
Φ400
Φ550
壁厚80
壁厚90
壁厚80
壁厚100
截面面接A（cm2）
804
877
1181
1414
配筋面积Ar（cm2）
9.05
9.05
13.57
13.57
配筋率（%）
1.12
1.03
1.15
0.96
841
914
1237
1470
换算截面惯性矩I0（cm4）
113.9
119.5
349.8
392.2
换算截面抵抗矩W0（cm4）
5.7
5.976
12.7
14.26
（3）材料强度。
离心混凝土：
混凝土设计强度Rn=45.0MPa
轴心抗压Ra=33.8MPa
弯曲抗压Rw=29.5MPa
抗拉Re=2.8MPa
弹性模量En=3.5×104MPa
预应力钢筋：
标准强度Rg=650MPa
弹性模量Eg=1.8×105MPa
2.1.3桩身
必须要保证桩身是直线，预应力不均和制造方法不当都会引起桩身弯曲。
弯曲的预应力混凝土管桩在受到锤打时必将产生很高的弯曲应力从而导致桩被打坏。
施加在管桩上的预应力值大小应足以防止在运输和起吊中产生的裂缝，并足以抵抗打桩中产生反射的拉应力。
根据打桩经验得出的最小有效预应力值为4.9～5.6MPa，对于较短的管桩可采用较小的预应力值2.5-2.8MPa，对有受弯要求的管桩也可采用更高的值达到0.2fc‘（混凝土设计强度的20％）或更高。
为了防止纵向开裂，预应力混凝土管桩需要加强横向螺旋筋的配筋量。
管桩的端部由于要承受打桩产生的巨大横向拉应力，在管桩的端部100cm范围内螺旋筋应按50mm间距布设，并加设一段钢丝网起补强作用。
桩身则按80mm间距布设。
为避免钢筋的锈蚀，保证混凝土很好的握裹钢筋，必须保证足够的混凝土保护层厚度，一般取30mm，当工程地质和水质有侵蚀性作用时，也可取40～50mm。
2.1.4桩靴
预应力砼管桩的桩靴是单独预制的，利用螺栓或电焊接于桩身。
其型式有一般闭口型、一般开口型和特殊型桩靴等。
在粘性土层且地下水位很高，由于粘性和浮力的作用而导致闭口型桩靴难于贯入；当持力层为岩层、卵石层或硬结土层时，闭口型桩靴穿透此硬层时可能发生剪切破坏；当持力层很坚硬且显著倾斜，或当遇到障碍物或大石块，桩靴可能被打偏从而导致桩身弯折破坏。
使用开口型桩靴则可避免上述缺陷。
在粘性土层中打桩挤进桩内的土产生的压力可能将管桩壁撑出纵向裂缝，因而桩靴的形状和构造应根据不同的地质条件和不同的打桩条件而适当选择，以利于打桩的顺利进行。
桩靴是用来保护并加固预制混凝土管桩的桩靴，打桩时需要穿透石灰石层、岩石层、堆石层等，加放桩靴有利于沉桩。
桩靴的构造有三种：
平板型、锥尖型、短棒型。
锤尖型桩靴虽有利于打桩贯入，但它的进桩轴线不如平板型桩鞋那样准确，因而合理措施是选用钝型桩靴并把混凝土棱边包裹借以防止棱边破裂。
桩靴在沉桩过程中是否损坏，应从比较前后打桩的贯入情况来推断。
在打穿中间（硬）层时或最后打进生根层时，当桩靴已碰到硬层但仍继续硬打，致使桩靴打坏，渐渐破碎，桩身渐渐下降，外观却认为打桩贯入正常，待发现问题时桩已被完全打坏了。
2.1.5钢件防腐蚀
对于处在腐蚀性地层内的混凝土管桩接头，钢件要考虑防腐蚀问题。
腐蚀问题一般是产生在地表面下几米范围之内。
氧是引起钢铁腐蚀的一项重要因素，愈接近地面，土内空气含量愈多，钢件越易腐蚀，所以最好将管桩接头打进距地面5米以下的深层之中。
管桩防蚀方法：
截面增厚法、保护膜法和电气防蚀法。
2.2质量检验
预应力混凝土管桩在进入沉桩现场前或在进入现场时，应经工地质量检验后，方可使用，工地检验方法：
（1）有条件时可用超声波探伤仪对批次桩进行抽样检验，厂家应提供批次管桩的质量检验资料。
（2）泼水检视混凝土桩表面的裂纹。
（3）用小锤轻击混凝土桩表面，声音沙哑，表明有空洞或断裂
（4）预应力混凝土管桩的制作不得超过以下的容许偏差
直径±5mm
管壁厚度±5mm
桩靴对桩中心线偏距l0mm
桩身弯曲段矢高比0.1％
预应力混凝土管桩还应符合下列要求：
每节桩的端面平整，并与桩轴垂直。
桩的表面应平直，表面蜂窝深度不得超过l5mm，蜂窝面积不得超过桩的表面积的0.5％。
有棱角的管桩，棱角碰损深度应在l0mm以内，其总长不得大于50cm。
桩顶和顶尖均不得有蜂窝和碰损，桩身不得有钢筋露出桩身收缩裂纹不得大于0.2mm；横向裂纹长度不得超过管桩直径的1／2；纵向裂纹不得超过直径的2倍。
预应力混凝土管桩的内径偏差，以不妨碍射水管的使用为原则。
（5）管桩检查内、外径可使用内卡钳和外卡钳。
内径只量桩端，外径可在两端及中段量测。
（6）检查桩顶平面平整程度及是否垂直于桩轴，可使用铁角尺或丁字尺。
在检查时应在桩身四周定出与桩轴平行的直线作为基准。
（7）检查桩尖与桩轴的偏差，可采用铁角尺量测。
（8）混凝土裂纹深度可用细钢丝探测。
裂纹宽度可使用带有刻度的放大镜量测。
检查情况应按桩的编号，详细作出质量检查记录。
不得使用不合格的桩。
3预应力混凝土管桩施工
3.1预应力混凝土管桩施工工艺流程
见图2。
图2预应力混凝土管桩施工工艺流程图
3.2施工准备
3.2.1技术准备
为了科学有序组织施工，应认真、细致地熟悉施工图纸，了解设计意图。
一般应着重分析：
工程的坐标位置与实际地质条件是否符合；桩基设计是否符合当地施工条件；需要的特殊材料货源能否解决；哪些部位的施工对工期影响较大：
施工的技术水平能否达到要求；对设计中有那些合理化建议，以及现场试桩的位置、数量等，并应做好以下工作：
（1）组织有关人员熟悉图纸，了解沉桩数量、沉桩深度，熟悉地质资料，并根据地质情况确定沉桩方法和选择沉桩机械。
（2）管桩施工前应作打桩试验以检验设备和工艺是否符合要求，数量不得少于2根。
（3）作出桩位编号图、桩位施工顺序图、主要工艺操作过程的要求，对拟用原材料的质量证明文件进行鉴别认可，编制进度计划，制定保证施工质量的措施。
3.2.2劳动力准备
建立工地组织机构，建立施工班、组，组织劳动力进场，进行计划和技术交底。
3.2.3物资准备
材料、构件、机具、设备等是保证施工任务全面完成的基础。
所有物资的准备必须在开工之前准备就绪。
3.2.4现场准备
（1）沉桩前要处理好高空、地下和地上障碍物和地下电缆、坟、沟、坑以及地下旧有建筑、地下管网等。
（2）作好“三通一平”工作，即水通、电通、道路通。
打桩机行走路线要平坦坚实，否则打桩机移动困难，增加辅助工作、降低工作效率，由于路面不平往往难于使打入的桩保持垂直，影响工程质量。
场地平整范围，一般为建筑物基础以外的4～6米以内的整个区域。
地面坡道不大于1％，地基承载力不小于l00kPa，若地基太软，则可准备12～14mm厚，4×6m钢板两块，四角割以φ30-40mm眼，拴以l5mm钢丝绳，以倒换垫路。
（3）抄平放线。
首先采用光电测距仪和精密水准仪从测网控制点引入，放出建筑物的轴线，再以轴线控制桩定出基础的每个桩位（样桩），其偏差不得超过20mm。
周围至少设8个桩控制点。
控制点离建筑物最好15m以上，以减轻受打桩振动和挤土效应而影响桩位的准确性。
（4）设置水、电源、安装配电箱、电闸箱等。
（5）进桩应尽量堆放在桩机前进方向的右侧，一次就位，并要求上下桩配套供应，堆放在坚实地上。
运到现场的桩应按要求进行质量复查，不符合标准的桩严禁使用。
（6）按照沉桩机的数量，每台沉桩机配备电焊机两台，以及其它小型工具如经纬仪、线坠、大锤、刷子、电缆线等。
（7）准备好接桩用角钢、焊条、沥青漆、柴油、硫横胶泥，以及桩垫材料如木料、草垫、旧钢丝绳等。
（8）组织打桩机的打桩架、起重架的组装、穿钢丝绳、打桩机配件安装等。
3.3沉桩机械设备
沉桩机械要根据土质、工程大小、桩的种类、规格、尺寸、施工期限、现场水电供应等条件来选择。
应注意研讨明确其适应性，使机械能够增进施工效率，提高全面的施工技术水平。
3.3.1桩锤
桩锤可分为坠锤、机动锤两大类：
坠锤有穿心锤及龙门锤两种，机动锤有各型单动汽锤、复动汽锤、柴油打桩锤及震动打桩锤。
对于预应力混凝土管桩，常使用筒式柴油打桩锤，其构造如图3，其技术规格见表3、表4。
图3筒式柴油桩锤构造
表3中国筒式柴油打桩锤技术规格
主要技术规格
单位
型号
D2-12
D2-18
D2—25
东风7135
上活塞重量
kg
1200
1800
2500
3500
上活塞行程
mm
2500
2560
2500
2500
冲击次数
次/分
42～60
40～60
40～60
40～60
冲击能量
kg—m
3000
4600
6250
8750
下活塞行程
mm
270
270
370
350
耗油量
L/h
-----
9
18.5
12～16
极限贯入度
mm
0.5
0.5
0.5
0.5
外型尺寸：
长×宽×高
mm
730×528×3833
730×528×3833
730×528×3833
730×528×3833
重量
kg
2700
4200
5750
8000
制造商
上海工程
机械制造厂
浦源程机械制造厂
大桥局桥机厂
表4日本柴油打桩锤规格
锤型
单位
MH728
MB70
K45
MB40
K35
K25
M23
IDH45
IDH-35
KB60
外型
尺寸
mm
φ1520×5905
φ1960×5950
φ1009×425
φ970×5640
φ889×4550
φ789×4550
φ745×4060
φ985×4698
φ845×4613
φ1400×5770
总重
t
18.36
21.10
10.50
10.90
7.50
5.20
5.10
11.0
7.80
15.0
活塞重
t
7.20
7.20
4.50
4.10
3.50
2.50
2.30
4.50
3.50
6.0
冲击数
次/分
42～60
38～60
35～55
38～60
35～55
35～55
42～60
42～60
42～60
35～55
最大冲击能量
kg-m
21600
19500
13500
11000
10500
7500
6200
13500
10500
16000
爆炸
压力
t
200
191
127
150
108
72
191
105
246
轻柴油消耗量
L/h
42～60
5～6
2.5
3～4
2.0
1.5
1.8
2.0
1.8
4
润滑油消耗量
L
5～6
158
175
65
90
48
40
58
62
50
燃油槽容量
L
158
175
65
90
48
40
58
62
50
130
润滑油槽容量
L
44
25
13.5
18
9.5
7
7.5
10
7.6
25
冷却水箱容量
L
435
450
170
170
140
80
90
175
150
350
注：
K-神户制钢所M-三菱重工株式会社I-石川岛播磨重工业（B-斜度H-锤D-柴油）
3.3.2桩锤选择
（1）冲击能。
E≥250P
式中E——锤的一次冲击动能（N·m）；
P——单桩的设计荷载（kN）。
（2）按桩重复核适用系数。
K=（M+C）／W
式中K——锤的适用系数；
M——锤重（锤的总重量）（kg）；
C——桩重（包括送桩及桩帽、桩垫）（kg）；
W——锤的一次冲击动能（kg·m）。
算出的K值不宜大于下列数值：
对于单动汽锤及柴油打桩锤——5.0
对于复动汽锤——3.5
对于坠锤——2.0
当下沉钢板桩、工字钢及配合射水下沉管桩时，上列系数可提高50％来选择桩锤。
凡使用锤击法沉桩，原则上采用重锤低打。
为了充分发挥锤的效率，在选用单动汽锤或坠锤时其重量最好为桩重的1.5～2倍，如超过两倍时可调整落锤高度，如无不合适的锤在有条件情况下可辅以射水法沉桩。
3.3.3柴油锤的常见故障及处理方法
见表5。
表5柴油锤的常见故障及处理方法
故障
原因
排除方法
桩锤不能起动
土质软、桩的阻力小
1.关闭油门，对桩空击几锤，加大油量再起动。
外界温度过低
1.关闭油门，对桩空击几锤，提高汽缸内部温度。
2.水箱内加热水
3.柴油烤缸，提高缸温
（1）提起上活塞至油
泵曲臂能白由缩进缸内时为止。
（2）拉动曲臂向缸内注入适量燃油
（3）打开清扫孔铜丝堵，放入棉纱用点火烤缸。
（4）打开清扫孔铜丝堵，放入浸有“乙醚”的棉球，再旋上旋盖。
即可起动。
下活塞球碗内有水或异物
打开清扫孔铜丝堵，清冼下活塞球碗。
由于汽缸磨损超过工作极限（1mm）
局部磨坏（最大0.5mm）
不能得到起动所需要的压缩力
把锤拆开，拿出活塞和冲击块掉换活塞环，在制造厂或修理车间，换镗汽缸到工作标准。
桩锤突然停止运转
燃油不足
油路堵塞
上活塞环或导向环卡住
燃油泵柱塞压杆卡住
燃油泵芯子端头折断
向燃油箱加满油，清冼油路
拆开上活塞清冼修复，更换损坏零件
拆开或松动压紧螺母换新
桩锤不能正常工作
1.供油管路内有空气
2.燃油泵柱塞付间隙过大
3.供油泵曲臂严重磨损
4.燃油泵单向阀橡皮锥头漏油
5.燃油泵“口”型密封圈损坏
6.燃油泵单向阀阀体内有渣滓
7.下活塞球碗内有异物
8.润滑油油量过大流进下活塞球碗
9.上、下活塞球面麻点过多
10.冷却水过少，桩锤过热，燃油容易过早发火，因而工作台效率降低
11.润滑油油量过小，所以活塞环无弹力
12.汽缸磨损过大
13.燃油过多，引起回火
拆开油管，拉动曲臂
排除空气
更换柱塞付
更换或修复曲臂
更换橡皮锥头
更换“口”型密封圈
拆开阀体，清除渣物
打开清扫孔，消除异
物凋整润滑油的供油量
修复球头及铁碗
立即停止打桩。
逐渐补充冷却水
换新活塞环。
增加润滑油泵的有效冲冲程紧固阀箱
修复汽缸或使用大活塞环正确调节供油量
桩锤不能停止运转
1.燃油泵内部回堵塞
2.燃油泵调节杠杆位置不正确
拉住曲臂控制绳紧急停车清冼燃油泵
松开调节杠杆压板，调整调节阀位置
排气为黑色
1.燃油过多
2.燃油不纯
调节供油量
更换规定燃油
废气从缓冲下活塞冲出
1.下活塞环失去弹力、卡死或折断
2.下活塞环润滑油不足
清冼或更换活塞环
检查润滑油泵是否有油压出或用油枪向注油嘴加入润滑油
上活塞跳起过高
1.燃油过多
2.土质太硬
调节供油量
贯入度过小应麻控制在每锤击l0次为5mm检查桩的贳入度和回弹量。
如果每次锤击其和小于9mm，应停止工作。
如桩的贳入度小于1mm也应停止工作。
（MB-70，MB-40，MB-22）
3.3.4射水设备
射水设备必须配合锤击沉桩使用。
配合方法应根据地质情况选择：
以射水为主或射水与锤击同时进行；或射水和锤击交替使用。
采用任何一种方法，当桩尖接近设计标高，均应停止射水。
单纯用锤击下沉，使桩尖进入未冲动的土中，停止射水的标高，可根据沉桩试验确定的数据及施工情况决定，当没有资料时，不得小于2m。
（1）水压和水量计算。
实际施工中需要的水量与水压，因地质条件和所用的桩锤的配合的不同，故应在施工前经过试桩后妥慎选定。
锤击沉桩配合射水施工时要求的可参考表6。
表6水压和水量
桩穿过的土层
沉桩深度m
射水嘴处的水压MPa
每根桩的用水量l/min
管桩直径300～500mm
管桩直径500～800mm
细砂、粘砂土、泥砂、淤泥、松软粘土
15～25
0.7～1.0
1000～l200
1200～1500
25～35
1.0～1.5
1200～2000
1500～2500
>35
1.5～2.0
2000～3000
2500～3500
原始地层的砂及粘砂土，含有卵石及砾石的砂、中等到紧密的砂粘土及粘土
15～25
1.0～1.5
1500～2000
2000～2500
25～35
1.5～2.0
2000～3000
2500～3500
>35
2.0～2.5
3000～4000
3500～5000
密实的砾石层
2.5～4.5
3000～3500
要求水泵的工作压力为
H=Hl+H2+H3
式中H1——射水嘴处需要的水压；
H2——水在管路中上升所需的水压；
H3——管路中压力损失。
（2）高压水泵。
按上式算出射水沉桩所需的水压并查表得出每桩的耗水量就可选择高压多级离心水泵的型号和电机的功率。
如单台水泵的工作性能不能满足水压的要求时，可将几台同样的水泵串联使用。
这样其最终出水管的水压为各泵之和，而水量为单台水泵的水量。
如已有的单台水泵的水量不能满足要求时，可将多台水泵并联使用，即将各台水泵都联接在一条干管上。
再连接到射水管使用，干管的水量略小于各台水泵水量之和，而水压等于并联各水泵中水压最小的一台。
并联时的管路连接应尽可能的减小交角以减小水压损失。
若单台水泵的水压和水量都不能满足要求，可将各台水泵先串联后并联来满足要求。
（3）水管。
水管分输水管和射水管两种。
输水管及其配件的尺寸尽量与水泵出口管径相同，固定的节段用钢管，必需活动的节段采用胶管，与射水管联接的一段胶管可使用比固定管路细一些的胶管，但其内径不应比射水管更小。
钢管和胶管如无出厂证明，应补作水压试验。
射水管一般要比输水管细，要坚固，以便起吊和拼接。
一般射水管内径多用76mm以内。
射水嘴的大小根据工作水压及水量选择见表7。
表7射水嘴尺寸选择参考表
水泵外水压MPa
主射水孔直径
mm
0.7
1.0
1.4
出水量L／min
610
740
830
19
1024
1300
1500
25
1520
1880
2200
32
1750
2160
2540
35
1950
2430
2800
38
3.3.5辅助设备
桩架为沉桩的主要设备。
桩架可分为钢、木桁架结构，其形状有塔式、立式、柱形等各种类型。
桩架必须在沉桩施工中控制桩锤沿着导杆固定方向运动，并能起到吊锤、吊桩、吊插射水管等起重机的作用。
其结构应能承受自重、桩锤、吊桩、拔桩及辅助设备的荷重以及因气候变化，地面变形而产生的各种外力。
桩架因施工对象和使用的锤型不同可分成自行移动式和非自行移动式打桩架。
而自行移动式打桩架又可分成履带式、轨行式和轮胎式三种。
限于篇幅仅介绍履带式打桩架（见图4），其结构系由一履带车体包括动力机、操纵系统和转盘，车身两侧有液压斜焊支撑一圆形立柱，立柱上安有单面或双面导向杆（龙门梃）单向导向杆可安装油锤。
车体履带可原地横向伸出，稳定机架。
机架前后设有四只悬挂的液压千斤顶，沉桩时支撑于地面。
一般配套的柴油锤其锤芯自重3.5～4.5t。
桩架的最大起重量相当于40t的吊机。
沉斜桩时斜率度可液压系统微调调整。
图4履带式打桩架示意图
（1）桩架高度计算。
H=Hl+H2+H3+H4+H5-H6
式中H1——滑车组高度（并包括适当的工作余量）；
H2——桩锤轮廓高度；
H3——桩帽高度；
H4——送桩高度（按最长的考虑）；
H5——桩长；
H6——桩下端可能伸出桩架底盘以下的长度。
（各部分互相交错长度应视具体操作情况，加以核减）
（2）桩架使用注意事项。
拆拼桩架应认真按规程操作。
保护好杆件及零件，并按使用程序堆码。
若长期不用应在拆除后整修涂油，保管好以备再用。
木桩架钢性较差，一般接点均用螺栓，在打桩过程中应经常检查有无松动，应随时上紧，构件若有损伤，应立即修复或更换。
凡使用元楞在平台上移动桩架时，应注意控制桩架顶缆风的松紧，并检查平台上是否有障碍物。
桩架平台下面的方木接头不准有平接头，其搭接长度应大于lm。
设在冰面上的龙门桩架轨道或塔式桩架的平台底座，其最下层的枕木或方木应浇水使之与冰面结成一体，以免滑动。
3.3.6桩帽
桩帽承受锤击保护桩顶，并在沉桩时保证锤击力作用于桩的中轴线而不偏心。
它要求构造坚固，垫木易于拆换和整修。
桩帽的尺寸应与锤底、桩顶及导向杆吻合，顶面与底面均应平整与中轴线垂直，并应附有挂千斤绳的耳环，以便起吊。
柴油锤桩帽的耳环千斤绳的长度应满足桩锤铁砧在受锤击时的伸缩量。
桩帽与桩顶之间必须填充缓冲材料，在锤底与桩帽间辅挚以如橡木、树脂等硬质材料：
在桩帽与桩顶之间辅以编织的草垫等软质材料。
桩垫厚度取决于桩的形式和土壤的软硬程度。
3.3.7送桩
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