摘要：本文总结了国内水运工程中应用的预应力混凝土管桩的现状，重点介绍了长管节后张法预应力混凝土管桩的研发过程，同时把长管节大管桩与其他预应力管桩各种性能进行对比，例出长管节大管桩的各种性能，并总结了该桩在几个工程案例中应用经验，为今后的在水运工程中的应用提供参考。与此同时本文对这种桩型的发展方向进行了探讨。
关键词：长管节 后张法预应力管桩 现状 推广应用
在水运桩基工程中，有大量的砼管桩的应用，从上世纪的八十年代开始，大管桩的应用到九十年代PHC的应用，一直到2011年后张法大管桩在水运工程中的应用，经历了漫长的发展演变过程。近期还出现一些新型桩的结构的应用，本文就这几种桩在水运工程中的应用情况进行了总结分析，并在此基础上提出了发展方向的探讨。
一、预应力混凝土管桩现状
1、后张法预应力混凝土大管桩
我国的后张法预应力混凝土大管桩于上世纪八十年代初开始研制，其作为钢管桩和预应力方桩的替代桩，广泛应用于沿海港口码头和桥梁工程。
该桩型主要性能指标如下：
外径为1200mm、1400mm，壁厚145mm，管节长度为4.0m；混凝土强度等级C60；有效预压应力值在10.93～13.78Mpa，混凝土电通量1500C以内。根据钢绞线数量可分为A型、B型、AB型、C型等系列桩型。
大管桩的特点为：
管节生产通过离心一振动一辊压等复合工艺使干硬性混凝土成型，由每节4米长的管节拼接而成， 预应力钢筋采用高强钢绞线。
当遇到复杂的地质条件时，大管桩沉桩锤击数超过一定数量时（一般为1500~2000击）桩顶往往容易出现纵向裂缝。后期的大管桩无论其结构，混凝土配合比等方面都作了些改进，但其主要生产工艺没有本质改变，因此其混凝土的主要指标、管节长度较难突破。
2、先张法预应力高强混凝土管桩（PHC桩）
先张法预应力高强混凝土管桩是上世纪80年代从日本引进的大同桩，早先主要用于工业与民用建筑，后来才开发成海上用的大直径PHC桩。
沿海港口码头和桥梁工程应用的PHC桩按外径划分主要为800mm、1000mm、1200mm等规格。
按PHC桩的混凝土有效预压应力值分为A型、AB型、B型和C型。
以PHC 1200C 150-30型桩为例，性能指标如下：
管桩外径1200mm，壁厚150 mm，管节长度30m，混凝土强度等级C80；混凝土有效预压应力值10.0N/mm2，桩身抗裂弯矩1962KN.m，极限弯矩为3924KN.m。
PHC桩的特点为：混凝土强度高，强度等级C80，混凝土密实，耐久性能好，混凝土电通量可达1000C以内；预应力钢筋采用低松弛螺旋槽钢棒；管节间端板接头采用电焊连接，二个混凝土管节间钢板的连接，易形成薄弱环节，也有改进后专用碗型接头或U型接头。
PHC桩由于采用高压釜蒸养，砼强度快速提高，抗击打能力相对略差，桩顶容易出现纵向裂缝，当锤击数超过一定数量后，桩身易出现纵向裂缝。
目前在水运工程中，大管桩和PHC桩都在广泛使用，从工程实践看，就抗击打性能而言，大管桩比PHC桩抗击打能力要好。
随着水运工程建设的快速发展，采用大管桩和PHC桩作为桩基础的码头结构已常态化，而码头不断向大型化、深水化发展，对桩基的性能要求也在提高。管桩新品种不断被开发研制，对管桩管节长度、制作工艺、选材提出了更高的要求，在海洋环境下的耐久性问题也日益引起重视。
二、长管节后张法预应力混凝土管桩的研发
为适应水运工程对后张法预应力混凝土大管桩越来越高的要求，浙江省交通运输厅工程质量监督局和宁波交通工程建设集团宁波海港工程有限公司于2009年着手研发长度≥7m的长管节后张法预应力混凝土大直径管桩，课题列入当年浙江省交通运输厅科技项目，长管节管桩于2011年12月研发成功，取得浙江省交通运输厅颁发的科技鉴定证书。2014年8月，浙江省地方标准《长管节后张法预应力混凝土大管桩设计与施工规程》（DB33/T 927-2014）发布实施
长管节后张法预应力混凝土管桩的研制过程中，总结了以往预应力混凝土管桩使用状况，新开发的长管节管桩，其具有更佳的力学性能；混凝土耐久性指标电通量不大于1000C；顶节管节接头可以进入水面以下；桩顶抗击打能力有明显提高；桩身在施工过程中不容易产生纵、横向裂缝等。
长管节管桩的主要参数：
外径为1200mm或1400mm，壁厚150mm，单管节长度为8m—12m；混凝土强度等级C80；有效预压应力值在5.28～15.51 Mpa；根据钢绞线的数量又分为CD1200-16、-24、-32、-40、-48和CD1400-40、-60等系列桩型 ；代表桩型桩抗弯强度设计值: 3325KN.m（CD1200B-48）、5238KN.m (CD1400-60)。
长管节管桩主要特点为：
（1）提高了混凝土强度等级和耐久性指标。
（2）管节加长，第一个接头可以处于最低潮位水面线以下。
（3）桩顶具有良好的抗击打能力。
（4）改变和提高了管节端面的结构和精度，大幅度的提高了管节端面的平整度标准，取消倒角。
（5）具有很高的抗冻性能，抗冻性能达到F400。
（6）根据理论计算和试验结果，对预应力钢筋采用特定张拉工艺进行分次、分级张拉，确保了长管节管桩的桩身预压应力分布均匀。
（7）改善管节之间的粘合材料，采用复合型粘接剂，提高了粘接剂的耐久性。
长管节后张法预应力混凝土管桩的科研成果获得部级科技进步奖，获得3个实用新型专利和1个发明专利，生产工艺已获得部级工法；在国家级刊物上发表的论文有3篇（其中一篇获《水运工程》优秀论文）。
三、长管节后张法预应力混凝土管桩的工程实践
至今，1200mm长管节管桩已在多个工程项目中成功应用，使用桩数近千根，桩长有6万多延米。在施工过程中，桩的锤击数普遍比较高，最高达3500击，桩身、桩顶的损坏率均相当低，基本上未发现有纵向、横向裂缝问题。状元岙港区二期码头试桩时桩长最长达87m。
成功应用长管节管桩工程项目主要有：华润浙江苍南电厂5万吨卸煤码头工程、温州港状元岙港区二期工程、浙江隆闻船舶修造工程有限公司1#码头20万吨级泊位工程试沉桩工程、福州港江阴港区11#泊位码头工程、福州港白马港区湾坞作业区8#泊位工程、福州港沙埕港区杨岐作业区16#泊位工程。具体沉桩简要情况如下：
1、浙江隆闻船舶修造工程有限公司1#码头20万吨级泊位工程试沉桩
该工程位于舟山市西白莲岛，码头试沉桩自2011年10月20日始至2011年10月22日。为了检验桩的各项性能，试桩特地挑选了地质条件较为复杂的区域，该码头表层有近10m厚块石滑坡层，桩尖要求进入风化岩层。沉桩过程同步进行了动态力学响应测试。沉桩用D-125柴油锤，共击打3153锤，在贯入度2.3 mm时停锤。沉桩后检查表明桩身完好。
2、华润浙江苍南电厂5万吨卸煤码头工程按10万吨级煤码头工程
该工程有桩285根，桩长32～69m。工程地质报告反映有上下两层角砾及卵碎石夹层，沉桩难度高。沉桩选用D-125型柴油锤。基桩穿过中部硬夹层时，沉桩贯入度为4 mm/击，锤击数普遍达到800击以上。穿过该层后，贯入度又有所加大，管桩承受了拉桩应力的考验。沉桩平均锤击数达2400击，最高的沉桩锤击数为3500击。经监理单位对桩身检查，未发现细微裂纹。又分批次对已沉桩进行高应变、低应变检测，结果全部为合格。表明该桩能适应复杂地质条件。
3、福州港江阴港区11#泊位码头工程
福州港江阴港区11#泊位码头工程是长管节管桩第一次在福建沿海应用。本工程原设计码头桩基全部为钢管桩，起初采用4根长管节管桩作为工程试沉桩施打，各项沉桩数据达到设计要求后，优化设计修改后用72根长管节大管桩替代72根钢管桩，施工结束经检测桩身质量完好。通过长管节管桩部分替换钢管桩，节省了工程直接费用300多万元。
4、温州港状元岙港区二期工程第1施工标段工程
温州港状元岙港区二期工程沉桩选用D-138型桩锤。该工程共计沉桩519根，其中CD1200-32 型196根，CD1200-48 型321根，CD1400-40 型2根。直径1400mm长管节管桩为工程中第一次应用。经分批次对已沉桩进行高应变、低应变检测，结果全部为合格。
5、福州港白马港区湾坞作业区8#泊位工程
福州港白马港区湾坞作业区8#泊位工程，由于该工程地质条件比较复杂，在桩基到达持力层前要穿透较厚夹石层，原设计采用钢管桩。借鉴福州港江阴港区11#泊位长管节管桩替换钢管桩成功经验，业主和设计单位同意替换，但需先进行试桩。试桩选用浙桩6号打桩船，桩锤选用D-125型。试打6根桩，经检测全部为一类桩，满足设计要求。
6、福州港沙埕港区杨岐作业区16#泊位工程
福州港沙埕港区杨岐作业区16#泊位工程的地质条件也比较复杂，桩基须穿透碎石夹层方可进入持力层，且夹层埋深较浅。鉴于长管节管桩具有较好穿透夹层的能力，设计选用其作为桩基，该工程共采用长管节管桩110根。沉桩采用浙桩6号打桩船，桩锤为D-125型。
通过近几年的施工经验和上述案例数据统计，总结出长管节管桩施工具有以下三个明显特点：
特点一：长管节管桩的第一个接头基本处于最低潮位水面线以下
由于长管节管桩的单管节长度可达12m，因此沉桩结束后首管节拼接接头一般可处于低潮位以下3-5米，基本达到长管节管桩的设计目标。
特点二：长管节管桩具有较强穿透硬土夹石（沙）层的能力
已应用几个工程在地质条件方面的一个共同特点是：桩基在进入持力层前都须穿透夹石或者夹砂层（状元岙二期工程虽无夹层，为摩擦桩，但桩尖须进入较厚较密实的砂层）。如华润浙江苍南电厂5万吨卸煤码头工程须穿透上下两个夹砂层，而福州港江阴港区11#泊位码头工程须穿透平均厚度4.1m、标贯击数40～50的夹石层。
特点三：长管节管桩具有较强抗击打的能力
一般而言，如果高桩码头桩基采用的是常规预应力混凝土桩基，当总锤击数超过1500击之后，桩基出现桩顶破损、桩身裂缝的概率可能会大幅提高，而长管节管桩却以其优异的抗击打性能有效的避免了这种现象的产生。在已建工程所有沉桩数据的统计中，总锤击数超过1500击的占比39%，还有一部分是超过2500击，最高达3500击，而在如此高锤击数的作用下桩顶桩身仍能保持完好，充分说明了长管节大管桩具有较强的抗击打能力。
需要指出的是，在锤型为D-138型，开2-3挡，总锤击数2500击以内时，长管节管桩的抗击打能力可以信赖。因目前只有少量3000击以上的案例，若高比例桩数的单桩锤击数超过3000击时，需密切注意观察桩顶情况。
四、长管节后张法预应力混凝土管桩的发展方向
随着长管节管桩大量应用，此种桩型的优良性能也得到充分体现。为了更大范围地应用和使其性能更趋完善，下一步发展方向在于：开发更大断面直径的桩；开发更长管节的桩；在提高桩身抗弯强度，改善桩尖结构、粘结剂、生产工艺等方面继续作深化研究与开发。
1、开发直径1600mm的长管节管桩
为了进一步拓展长管节管桩的应用范围，以满足大型工程对大直径管桩的需求。特别是随着打桩船大型化的发展，其起重能力的提高，为施打这种大直径桩提供了技术支撑。另外管桩直径1600mm，可以确保其内径达到1300mm以上，从而可替代大型工程的嵌岩灌注桩的钢套筒，降低工程投资。
2、制造长度大于12m的管节
目前单管节长度最大已达12m，但还无法把第一个接头放到泥面，甚至弯矩点以下。接头一般是长管节管桩的薄弱环节，12m管节已可使60m桩长只有4个接头，可确保顶部第一个接头处于低水位下。下一步研究方向计划分二步走：第一步，通过改进生产工艺，把单管节做到16m长度，这样64m长的桩仅需3个节头；第二步，重新设计预留孔构造，进一步把管节长度增加到25m-30m，由此可以将第一节接头完全进入到泥面甚至弯矩点以下。
3、开发新型的、有更强穿透能力的桩尖以及有更强抗击打性能的桩顶。 
5、继续联合有关科研部门开发无机材料的管节粘结剂，提升粘结剂的耐久性。
6、进一步改进生产工艺，使生产过程更环保、更节能。
7、调整混凝土的配合比，进一步提高桩身混凝土耐久性指标，抗冻指标，抗击打性能。
结束语
长管节预应力混凝土管桩在当前运用越来越多，也不断的得到各方的认可。长管节后张法预应力混凝土管桩的应用需要从设计、制作、拼接、运输、沉桩和质量检验等多方面经行系统解决。其他方向我们也必须通过深入调查等方面经行总结开发、生产实践，并结合港口工程特点和发展方向，继续深入研究，这样才能更好地推广和完善。
参考文献
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论文作者:陈学国
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/26
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