摘要：预应力管桩具有单桩承载力高、施工速度快、工效高、桩身穿透力强、价格适宜等优点，但预应力管桩也有其相对缺点，那就是它为挤土桩，沉桩时对周边环境会产生较大影响。如果对挤土效应采取得当的措施，则可以扬长避短的。本文在总结一些学者研究工作的基础上，介绍了预应力管桩的基本概念，并运用圆孔扩张理论对沉桩机理进行分析，从机理出发，对预防和减少预应力管桩挤土效应这两方面施工措施进行了的探讨。
关键词：预应力管桩；沉桩影响；施工措施
Abstract：Prestressed pipe piles have the advantages of high bearing capacity，high construction speed，high efficiency，strong pile penetration and favorable price，but the prestressed pipe piles also have their relative shortcomings.Pile，pile when the surrounding environment will have a greater impact.If the squeeze effect to take appropriate measures，you can avoid weaknesses.On the basis of summarizing some scholars' research work，this paper introduces the basic concept of prestressed pipe pile，and analyzes the mechanism of pile driving by using the theory of circular hole expansion.From the mechanism，the prevention and reduction of prestressed pipe pile Two aspects of construction measures were discussed.
Key words：prestressed pipe pile；piling effect；construction measures
1 桩基础简介
1.1 桩基础的概念
桩是深入土层的柱型构件，其作用是将上部结构的荷载通过桩身穿过较弱土层传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层中，从而减少上部建筑物的沉降，确保建筑物的长久安全。
桩基础是由若干个沉入土中的柱形构件（称为基桩）在其顶部用承台联结起来的一种深基础，它由桩身和桩顶承台两部分组成：一桩一承台的叫单桩基础，数桩一承台的称为群桩基础；它作为建（构）筑物的下部结构向地基深部传递荷载。桩基础具有承载能力大，抗震性能好，沉降量小，技术比较成熟，施工相对方便，可在施工中减少大量的土方开挖和基坑支护与降排水工作，能获得良好的技术经济效果等优点。因而，桩基础是我国目前应用最为广泛的深基础。
1.2 桩基础的分类
根据基桩在土体中受力情况的不同，可分为端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩和摩擦端承桩。端承桩是桩端穿过软弱土层到达深层坚硬土层或直接支撑在基岩中的一种桩，上部结构荷载主要由桩端阻力来承担；摩擦桩是处在深厚软土层中的桩或桩端穿过软弱土层而支撑于下部稍密土层中的桩，上部结构荷载主要由桩周摩阻力和桩端阻力共同承担。
按照施工方法的不同，基桩可分为预制桩和灌注桩。预制桩是在工厂或施工现场地面预制而成的各种材料和型式的桩（如钢筋混凝土方桩和管桩、钢板桩和钢管桩、木桩等），然后用沉桩设备将装桩打入、压入、振入、或高压水冲入土中。灌注桩是先在施工现场预设的桩位上用机具破土成孔，然后在孔内灌注混凝土（素桩），或者下入钢筋笼后再灌注混凝土而形成的桩。根据成孔方法的不同，可分为钻孔、挖孔、冲孔灌注桩，套管成孔灌注桩和爆扩桩等。
1.3 桩基础的适用范围及其应用
桩基础是常用的深基础，主要适用于：地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用明挖基础或地基加固在技术上和经济上已不合理；河床冲刷大，如采用明挖基础施工困难或不能保证基础安全；当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时采用基桩穿过松软土层，将荷载传到较坚实土层减少结构物沉降量；当施工水位或地下水位较高又属于强水流，防水及抽水又有困难；增强结构物的抗震能力，在较弱土层及液化土层等上采用基桩为地震区桥梁较好的抗震措施。
桩基础的应用离不开对桩基础破坏、挤土效应等方面的研究，因此对桩挤土效应的研究是非常重要的。
2 预应力管桩的施工工艺
混凝土预制桩主要有钢筋混凝土实心方桩和先张法预应力钢筋混凝土空心管桩两种，其沉桩方法有锤击沉桩、振动沉桩和静力压桩等。钢筋混凝土预制桩能承受较大的荷载，坚固耐久，不受地下水浸泡影响，施工速度快，是我国比较成熟并一直广泛应用的桩型之一。但沉桩对地基土挤推引起的挤土效应及打桩时产生的振动及噪音对周围环境影响较大，同时沉桩的深度还受到沉桩设备、桩体材料的制约，使用受到一定限制。
预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心体细长混凝土预制构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。端头板是管桩顶端的一块圆环形铁板，厚度一般为18 mm～22 mm，端板外缘一周留有坡，供对接时烧焊之用。预应力管桩的底桩端部的桩尖（靴）形式主要有十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型。影响其承载特性的因素很多，比如桩侧土性、桩端土性、桩径、开口管桩的壁厚、人土深度、施工顺序等。
2.1 预应力管桩的施工流程
钢筋混凝土预制桩施工包括制作、起吊、运输、堆放、沉桩等过程，现场施工流程一般为：场地布置→制作场地的压实、整平→作三七灰土或浇筑混凝土地坪→支架模版→绑扎钢筋骨架、安设吊环→浇注振捣混凝土→养护至30%强度后拆模→支间隔端头模板（堵头板），刷隔离剂，绑扎钢筋骨架→浇筑间隔桩混凝土→用相同方法间隔重叠制作第二层桩→养护至70%强度后起吊→100%强度后运输、堆放→用桩机吊、打桩。
2.2 预应力管桩施工工艺
预制桩的起吊应在桩的混凝土强度达到设计值的70%后才能进行，如提前起吊，必须预先采取措施（如添加早强剂），并经过验算，保证强度和抗裂要求合格后方可进行。如无吊环，吊点应系于设计规定之处。吊点位置的选择随桩长而异，吊点不多于3个时应按正、负弯矩相等原则确定；吊点多于3个时则按反力相等原则确定，使起吊点弯矩小，以防断裂。吊点数目一般是：20m以内的桩采用2个吊点，20～30m采用3个吊点，30m以上的采用4个吊点。桩水平提升，并采取相应措施以保护桩身，防止撞击和振动。
当预制桩的混凝土达到100%设计强度后方可搬运。在施工现场应根据打桩顺序作合理安排，随打随运，以避免二次搬运。搬运时必须平稳，并不得碰撞损坏。桩的运输方式，在运距不大时，可用起重机吊运；运距较大时，可采用载重汽车、轻轨平板车、平板拖车、平台挂车运输。严禁在现场以直接拖拉桩身的方式代替搬运。
桩的堆放场地应平整、坚实、排水通畅，不得产生不均匀沉陷。堆放时应设垫木，垫木的位置也应与吊点位置相同，各层垫木应上下对齐，堆放层数不宜超过4层。不同规格的桩应分别堆放。堆放位置应布置在打桩架附设的起重钩工作半径范围内，并考虑到起吊方向，避免转向。
管桩沉桩方法有多种，在我国国内施工过的方法有：锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法及中掘法等，而以静压法用得最多。由于柴油锤打桩时震动剧烈、噪音大，为适应市区施工需要，近几年来我国各地开发了大吨位的静力压桩机施压预应独力管桩的工艺，静力压桩机又可分为顶压式和抱压式，抱压式是桩机的夹板夹紧桩身，从而大大推动了预应力管桩的应用和发展。
沉桩设备目前常用的有锤击沉桩机、振动沉桩机和静力沉桩机。打桩时应根据地基土的性质、工程的大小、桩的种类、施工期限、供应条件和现场情况确定打桩方法及选择相应的沉桩设备及桩锤。
3 预应力管桩的适用范围及优缺点
3.1 预应力管桩的适用范围
根据不同的分类，预应力管桩的适用范围也不同。
1、预应力高强混凝土管桩（代号PHC）、预应力混凝土管桩（代号PC）适用于工业与民用建筑的低承台桩基础。铁路、公路与桥梁、港口、水利、市政、构筑物等工程的基础设计也可参考使用；
2、预应力混凝土薄壁管桩（代号PTC）适用于工业与民用建筑的低承台桩基础；
3、PHC桩、PC桩适用于抗震设防烈度不大于7度的地区；若使用于抗震设防烈度较高的地区，则需另行验算；
4、PTC桩适用于抗震设防烈度小于7度的地区，抗震设防烈度为7度的地区需另行验算，PTC桩不得用于抗震设防烈度大于7度的地区；
5、当基础工程的环境、地质条件对管桩有侵蚀性时，应采取有效的技术措施。
在下列条件下不宜采用预应力管桩：孤石和障碍物多的地层，有坚硬隔层的地区，石灰岩地区，从软塑层突变到特别坚硬层地区。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.2 预应力管桩的优缺点
3.2.1 预应力管桩的优点
预应力管桩是预应力技术与离心制管技术相结合的产物，具有如下优点：
1、实现工厂化生产，质量稳定。
2、单桩承载力高。
3、设计选用范围广。管桩即适用于多层建筑，也适用于高层建筑，而且在同一建筑物基础中，还可采用不同直径的管桩，容易解决布桩问题，充分发挥根桩的承载能力。
4、对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。可根据地质条件变化调整桩长。
5、运输吊装方便，接桩快捷。
6、施工速度快、工效高。
一些统计资料可看出，其单位承载力价格与沉管灌注桩不相上下。
由于预应力管桩有以上的种种优点，因此一般情况下，软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用管桩，在工业与民用建筑、铁路、公路、桥梁、港口、码头等工程中预应力管桩也得到了广泛的应用。
3.2.2 预应力管桩的缺点
1、桩的偏位和倾斜是施工过程中最常见的问题。
2、桩身的断裂。施工过程中由于斜桩现象的出现或桩端、送桩杆不平整导致桩端应力集中，使桩帽滑落或桩头爆裂；桩机施工压力值超高；桩机施工过程中桩机擅自移动机架进行校正桩位、桩身垂直度，导致桩身断裂；施工结束后人工凿桩施工以及桩机施工后不合理的土方开挖。
3、桩顶碎裂。在沉桩过程中，桩定出现混凝土掉角、碎裂、坍塌甚至桩顶钢筋全部外露打坏。
4、用柴油锤施工打桩时，震动剧烈，噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响。采用静压法施工可解决震动剧烈和噪音大的问题，但挤土作用仍然存在。
5、打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截余桩较多，但用静压法施工，送桩深度可加大，余桩就较少。
4 沉桩的影响
预应力管桩作为挤土桩，在沉桩过程中会对周围环境产生一定的影响，主要表现在以下几个方面。
4.1 对周围建筑物的影响
静压桩对周围环境的影响最主要的表现是，土体的垂直隆起和水平位移会对沉桩范围外一定距离内的建筑物造成损坏，如造成邻近建筑物、构筑物、道路、挡土结构以及地下设施和管线的一定程度的破损等。
4.2 土体的隆起
沉桩时对周围土体的挤压作用导致土体的垂直隆起。沉桩时，桩对周围土体产生的挤压作用，还会在一定范围内造成地面的垂直隆起和抬高，并有可能造成先沉入桩上浮。由于地面隆起，已沉入桩上抬，造成桩尖脱空。许多研究者对桩周土体的隆起量与桩压入土体内的总体积之比作为度量，如式（4-2-1）所示：
平均隆起量=a× （4-2-1）
式中：a——排土量占整个桩的体积百分比。
挤土效应对整个桩基础工程的影响很大，所以必须严密的分析它。在理论分析的基础上，并结合现场的观察检测情况，了解挤土效应对周围环境及桩本身的影响。在施工现场通过桩基础检测手段，争取做到早发现早纠正，减小它对工程的影响。
4.3 土体的水平位移
沉桩时桩对周围土体的挤压是三维方向的，因此，出了引起土体的垂直隆起外，在压桩区一定范围内还产生土体的水平位移。过量的土体水平位移作用在先前打入的桩上，会造成桩位的偏移、桩身的翘曲，严重时甚至造成桩的折断。
4.4 对土体孔隙水压力的影响
除上述之外，沉桩过程中特别是在饱和软黏土中的沉桩过程，会产生很高的超孔隙水压力，当超静孔隙水压力达到一定数值时，环向的有效应力会出现负值，也即拉应力，而切向有效应力也可能出现负值。当土中某一方向上有效应力为零时，则与之垂直的方向上会出现裂缝，也即“水裂”现象。超孔压在施工后一段时间内的消散还会对土体的强度产生很大的影响，从而引起土体强度的变化，直接关系到桩的极限承载力。
4.5 对土体工程性质的影响
沉桩时桩对土体的扰动，使桩身周围土体的应力状态发生变化，尤其对于具有一定结构强度的结构性软黏土，桩周土体实际上是一个被撕、破坏、扰动和重塑的过程。土体的原始结构被破坏，土体工程性质较沉桩前有较大的改变。
5 施工控制挤土位移的措施
5.1 合理布置桩距
在设计桩间距时应适当增大桩距以避免桩平面应力重叠，减少桩与桩之间的挤土效应，同时亦可避免桩群后期应力重分布，引起中部桩体摩擦力减小、沉降量变大，造成建筑物开裂等问题。
5.2 采用疏桩设计
疏桩设计是指把建筑物按传统桩基设计确定的桩的数量与间距进行精简、疏布，来提高单桩的有效承载力，并发挥桩间土的承载力来补偿桩基，即上部荷载不再全部由桩承担而是由桩与桩间土共同来承担。采用疏桩设计，不仅能充分发挥各单桩及桩间土的承载力，避免桩端平面应力重叠部分过大，而且更重要的是可大大减少入土桩数。通过增大桩间距，可减少土体剪切破坏，避免浅层土体隆起，并可以有效避免挤土效应对周围环境产生的影响。
5.3 合理安排沉桩顺序
沉桩顺序对减少挤土效应的影响十分重要。考虑沉桩顺序有两个方面：减少桩区内挤土效应；减少桩群对周围环境的影响。
制定沉桩顺序时，应先研究现场条件和环境、桩区面积和位置、邻近建筑物和地下管线的状况、地基土特性、桩型、布置、间距、桩数和桩长、堆放场地、采用的施工机械、台数及使用要求、施工工艺和施工方法等，然后结合施工条件选用打桩效率高、对环境危害影响小的合理打桩顺序。
当工程场地面积较大，打桩作业部分面积较小时，一般对四周环境影响较小，但对打桩区附近已有的建筑物和地下管线应作具体分析研究。打桩影响程度和打桩区的面积、桩数、桩长和桩径的大小成正比，与距离成反比。当挡土墙、护岸等和打桩区邻近时，桩群周围受到挡土板桩或柱桩组成的挡土设施限制以及与其它浅埋式基础的建筑物邻接时，由于桩的打入造成四周的土体移动和升降，都可能扰动桩群周围的地基使这些建筑物移动或变形。因此，打桩顺序宜先在邻近建筑物周围打桩，后往内部打桩，以利于减小对邻近建筑物的影响。但对与已打入的基桩邻接时，不宜采用此顺序、一面造成已打入桩的变位，甚至造成桩被折断的事故。另外，当桩周土体为粘性土而桩尖持力层为砂性土时，采用此顺序将使已打入的桩随地基土体的隆起而上升，从而产生桩尖与持力层土体脱空的不利现象。这是应注意与打桩时及时测定桩顶标高，并在打桩后继续进行观测，必要时需进行复打以保证桩的承载能力。
5.4 预钻孔取土
在设计的孔位上，也可以在桩位之间或桩的四周取土，采用这种措施相当于增加了塑性区内土的体积压缩变形，减少了桩入土后置换土的体积。预钻孔的直径一般不大于桩径的2/3，深度不大于桩长的2/3，钻孔后置入预制桩体。其防止挤土效应效果较明显。
5.5 设置砂井或塑料排水板
在压桩区的四周或者群桩内部，挖出一定桩径和桩深的桩体空间，内部填塞砂或者埋置塑料排水板。在沉桩施工过程中，孔隙水可流向砂井或经排水板排出地面，加快孔隙水压力的消散，从而降低了孔隙水压力对挤土效应的不利影响。砂井深度及间距视具体情况而定，目前常用砂井深度一般为10m 左右，间距为1.5～2.0m，井径为0.4m，在沉桩区四周一般设置2或3排。
5.6 设置应力释放孔
应力释放孔分为场地外围钻释放孔和场地内应力释放孔两种。场地外释放孔通常是在围护一侧先钻一些 500～ 800mm 的钻孔，并用钢筋笼加上竹片护住孔壁，当沉桩向场地外围挤土扩张到达孔附近时，因孔中应力很低，流变的软泥优先挤入孔内，吸泥设备及时将软泥排出孔外，从而阻止软土向场外扩张，保护了邻近建筑物和管道。场地内应力释放孔是指在沉桩的同时，在场地内打些释放孔。此方法孔小而分散，且分布在桩密度大的部位，排出软泥减轻了土对桩的挤压，又减弱了土向场外的扩张。
5.7 设防挤沟
为减小桩群对周围环境的影响，可在桩群与可能受影响建筑物之间开挖防挤沟，其宽度一般采用1.2～2.5 m。依据工程实际情况在沟内回填砂或其它松散材料。这种方法只能消除对土体浅层挤压作用，对于减少地面表层的位移效果较好，无法隔断深层挤土作用，对于浅埋管线能起到一定的保护作用，防挤沟底标高低于保护对象基础底面则效果更好。
5.8 设置保护墙体
利用墙体的自身刚度，约束沉桩的挤土影响，以保护墙体外围的建筑物或地下管线。这类方法的不足之处是：钢板桩可以重复利用，但将钢板桩拔除时会流下空隙并造成桩位附近土体的扰动，处理不当会造成周围建筑物的不均匀沉降而采取混凝土地下连续墙则用后无法拆除，费用大，宜采用水泥土搅拌桩（湿质）形成的地下连续墙较为经济适用。
6 结论
本文在预应力管桩的基本概念基础上，从沉桩机理和管桩自身特点出发，详细介绍了预应力管桩的优缺点。又通过对预应力管桩沉桩机理理论性研究和工程中挤土效应对周围环境影响的总结，论述了现有的常用预防和减少沉桩挤土效应的工程措施，说明了预应力管桩挤土效应的理论研究和预防措施的可靠性。根据本文所述内容，做以下几点总结：
1、预应力管桩具有诸多优点，如单桩承载力高、地质条件适应性强、施工速度快、穿透能力强、成桩质量可靠、造价适宜等；但也有诸如挤土效应，锤击法施工时振动剧烈、噪音大，打桩时送桩深度受限制等缺点。在实际工程运用中，要尽量做到扬长避短，使之发挥最大功能，更好的服务于城市建设。
2、本文介绍了几种减少挤土效应的设计和施工措施，如合理布置桩距、合理安排打桩顺序等，可以有效的把挤土范围控制在较小范围内。
论文作者:林靖涵1 储成兴2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/1
标签：预应力论文; 管桩论文; 土层论文; 建筑物论文; 效应论文; 混凝土论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;