一种新型的桩基技术——ＰＣＣ桩技术刘汉龙（河海大学岩土工程研究所，南京２１００９８）摘要振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩（简称Ｐ（ｙ２桩）技术是河海大学岩土－Ｔ－程研究所开发研制具有自主知识产权的用于地基处理的专利技术。本文着重介绍了振动沉模现浇混凝土薄壁管桩的技术原理、加固机理、施工设备、施工工艺、设计与质量检测及其工程应用。ＰＣＣ桩是一种适合于软弱土地区的新型高效优质桩型，可有效的提高地基承载力和减小地基沉降。该桩型具有承载力高、质量可靠和工程造价低等优点，在交通工程、水利工程、港口工程及工业与民用工程等领域中具有重要的推广应用价值。关键词振动沉模；现浇混凝土；Ｐ（墨桩；复合地基；承载力；变形１前言目前，在交通工程、水利工程、港Ｅｌ工程及工业与民用工程等领域软弱土地基处理中采用的主要方法有桩基、水泥土搅拌桩、强夯法和真空预压、超载预压等加固方法。每种加固技术都有它的适用性和局限性。水泥土搅拌桩施工质量难以控制，处理后的桩体强度低，加固深度也有限．且检测量大费用高；超载预压方法由于软弱地基土的强度很低，存在路堤的稳定性问题，不能快速加载，制约工程的进度，因此施工工期很长，影响了工程投资的经济性。强夯法主要是针对透水性较强软土的加固效果明显，对软粘土不适宜，对沿海地区的粘土及凇泥质土的加固处理受到了。桩基在加固软土地基中使用，由于施工速度快，可大大缩短工期，加固处理深度不受，适宜各种地质条件，可明显增加路基的稳定性，提高地基的承载力和减小变形，长期以来，无论在建筑工程，还是在道路工程中，都得到普遍采用。这其中主要包括实心预制桩和现场灌注混凝土桩，以及预制混凝土管桩等。预制实心桩较现场灌注桩造价要高；现场浇筑混凝土桩单方造价较低，但也不能节省混凝土材料，从根本上看，现场浇筑混凝土实心桩的造价并未得到根本的降低。为此，又发展了预制混凝土管桩（ＰＨＣ桩），该桩型的单方混凝土提高承载力较实心混凝土桩有了较大的提高。但预制混凝土管桩的使用需要在工厂预制，预制混凝土管桩从形式上是节省了材料，但考虑到运输和施工等因素，又必须加入大量的钢筋以增加强度抵抗施工可能带来的破坏性，从而增加了造价，故地基加固成本较高。因此，寻求使用较少的混凝土方量，以实现造价低、承载力高，并且地基的稳定性增加明显的新桩型成为岩土工程界迫切需要解决的问题。正是考虑到实心桩及预制管桩的不足，河海大学开发了高效经济的现场浇筑混凝土薄壁管桩（简称ＰｃＣ桩）软土地基加固专利技术（专利号：ＺＬ０１２７３１８２．Ｘ和ＺＬ０２２１９２１８．２）和施工工艺（专利号：ＣＮ１３６７２９６Ａ），达到了造价低、承载力高、地基的稳定性增加和地基沉降降低等明显目的。２ＰＣＣ桩技术原理振动沉模现浇混凝土管桩技术采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土而成管桩…，具体步骤・６４ｌ・中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３—１０一２５～２８是依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打人预定的设计深度，在腔体内现成浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之问便形成混凝土管桩。在形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载的分担比例以及减少基础底面的应力集中问题，在桩顶设置褥垫层，从而形成现浇薄壁管桩复合地基。振动沉模大直径现浇管桩动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装中有偏心块，由偏心块产生偏心力。当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入地层。腔体模板的沉人速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、粘性、粒径有关。振动体系的竖向往复振动，将腔体模板沉人地层。当激振力Ｒ大于以下三种阻力之和：刃面的法向力Ｎ的竖向分力、刃面的摩擦力Ｆ的竖向分力，腔体模板周边的摩阻力Ｐ的合力时（见图１），模板即能沉人地层；当Ｒ与．Ｎ、Ｆ、Ｐ竖向分力平衡时或达到预定深度时，则模板停止下沉。由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏或液圈１振动沉模时受力示意圈化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉入速度。同时挤压、振密作用使得环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的土体得到密实。该成桩机理为（１）模板作用在振动力的作用下环形腔体模板沉人土中后浇注混凝土；当振动模板提拔时，同时混凝土从环形腔体模板下端注入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不会出现缩壁和塌壁现象。从而成为造槽、扩壁、浇注一次性直接成管桩的新工艺，保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。（２）振捣作用环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实。同时又使混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。（３）挤密作用振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。挤压、振密范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。３ＰＣＣ桩施工设备与施工工艺施工机具的主要技术性能要求：（１）沉桩深度达到２５ｍ以上；（２）桩径为１０００ｍｍ～１５００ｍｍ；（３）管桩壁厚１００Ｈｕｌｌ～１５０ｍｍ；（４）混凝土可多次加料；（５）提升力达到３０ｔ．压桩力加上高频振动荷载达到１００ｔ。根据以上要求设计了振动套管成模大直径现浇管桩机具，如图２所示。设备基本组成包括：①底盘（含卷扬机等）；②龙门支架；③振动头；④钢质内外套管空腔结构；⑤活瓣桩靴结构：⑥成模造浆器等；⑦混凝土分流器。振动沉模现浇混凝土薄壁管桩的施工流程为：施工进场一现场装配一桩机就位一振动沉管一浇注混凝土一振动拔管一移机。施工流程示意图见图３。・６４２刘汉龙一种新型的桩基技术——Ｐ【ｒ桩技术Ⅲ妇二鱼一群Ⅻ徽一…№｝立面圈．㈦丛；缸一＼鱼侧面图、圈２振动沉模现浇薄壁管桩设备图７ｆＪｌ『＿｜－＿—＿Ｊ／，７、０桩机就位振动沉管／／＾＼ｊ面浇注混凝士振动拔管成桩图３施工流程示意图４ＰＣＣ桩基技术优点振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩复合地基技术在高等级公路、市政道路等工程软基加固中的使用，将有助于解决许多工程实践问题，节约成本，缩短工期，提高工程质量，提供更好的前景。这里仅与工程中广为使用的粉喷桩复合地基进行比较，阐述其优点。（１）施工适用性ＰＣＣ桩：属于刚性桩，桩身强度较高，可达到Ｃ２０～Ｃ２５，桩径可达１．５ｍ，采用边振动边加压的沉管方式，处理深度大于２５ｍ。粉喷桩：属于柔性桩，桩身强度低。桩径小，一般０．５部压力增大，喷灰困难，粉喷桩固结往往较差。（２）施工质量控制ＰＣＣ桩：施工工艺简单，过程清晰，便于质量监督管理。可操作性强，混凝土现场质量易控制。粉喷桩：水泥灰量输送由高压气流控制，实际施工时，土层变化大，造成送灰压力不均匀，因而喷灰量分布不均匀，极易出现搅拌不均匀，局部固结差。施工隐蔽性强，现场质量监督管理困难。（３）桩基检测ＰＣＣ桩：采用小应变或人工开挖进行检测，测试费用低，一般占工程总造价的１％～２％。・６４３・ｍ左右，处理深度小，目前国内现有粉喷桩机最大处理深度１５ｍ左右，且深度大于１０ｍ以后，下中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３—１０～２５－－２８由于采用无损测试，检测周期短，检测范围广。粉喷桩：通常采用钻探取芯，静载等方法，检测费用高，一般占工程总造价的３％～５％。检测周期长，范围小（一般占总桩数２％左右），不能全面反映整个工程质量。（４）加固效果ＰＣＣ桩：采用半排土半挤土沉管方式，大大提高路基承载力。如桩端至持力层，承载力是粉喷桩的１０倍，且系群桩基础，沉降量很小；粉喷桩：桩身强度低，其承载效果、抗剪强度均远远不如现浇管桩。由于处理深度浅，下卧层沉降量大。（５）经济比较，以江苏地区综合单价为对象ＰＣＣ桩：假设桩长同为１２ｍ，桩径１０００ｍｍ，壁厚１２０ｍｍ，桩距３．３ｍ，现浇管桩每延米综合单价约为１８０元，单位面积加固单价为１９８元・ｉｎ～。粉喷桩：假设某桩长１２ｍ，桩径５００ｍｍ，桩距１．４ｍ，粉喷桩每延米综合单价为３５元，单位面积加固单价为２１４元・ｍ２。基于以上比较分析：粉喷桩与ＰＣＣ桩软基加固两种处理方法，造价方面相差不大，但ＰＣＣ桩具有施工质量易控制，无需预压、承载力高、总沉降量小，桥头跳车改善程度好等粉喷桩无法比拟的优点，因此选ＰＣＣ桩加固软基更经济、更合理。从目前对两种不同处理方法的效果从经济性、安全性、效果性进行对比来看，ＰＣＣ桩技术是代替粉喷桩技术的一个很好的方案。５ＰＣＣ桩复合地基设计与检测由于振动沉模大直径现浇管桩与褥垫层、土共同作用形成刚性桩复合地基，振动沉模大直径现浇管桩复合地基的设计按剐性桩复合地基进行。复合地基承载力的确定，比较可靠的方法是采用单桩或多桩复合地基原位载荷试验实测，也可用根据公式进行估算”，“。复合地基沉降量通常分为二部分，郎复合地基加固区的压缩量，加固区下卧层厚度的压缩量，于是在荷载作用下复合地基的总沉降为二部分之和”．３Ｊ。（１）振动沉模大直径现浇管桩复合地基设计内容①根据地质勘测报告，确定桩端持力层和桩长：②确定桩径和壁厚，一般设计桩径为１０００ｎｌｌｌｌ～１５００ｍｍ，设计壁厚１００ＨｌＨｌ～１５０ｒｍ：③根据设计要求的复合地基承载力和变形确定桩间距和布置，一般桩间距为（３－－５）ｄ：④桩体混凝土等级，根据形成复合地基承载力的需要，一般采用Ｃ１０～Ｃ２５：⑤褥垫层厚度及材料，褥垫层厚度一般取１０工隔栅。（２）质量检测方法振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩检测分三种方式进行。即①现场开挖：检查桩身外观质量，该项工作应在桩基完工１４天后进行。尤其值得强调的是，由于该桩是空心桩，因此可以将桩芯土挖出，然后安排技术人员深入桩体内部，并通过钻孔取样每年检测桩壁厚度和桩体材料强度。②低应变和高应变检测：采用反射波法对桩身完整性进行检测。③静载荷试验或复合地基承载力载荷试验：对单桩承载力或复合地基承载力进行检测。ｃｍ－－４０ｃｍ，材料可选粗砂，碎石，中间设土６ＰＣＣ桩技术的应用（１）南京市政道路工程…南京大厂区经一路软基加固工程位于南京江北岸，地基土层为８ｍ～１８ｍ深粉质粘士．设计路堤填土最大高度为６．０ｍ。南京市市政设计研究院通过堆载预压、真空预压、粉喷桩等方——————————型墨垄二壁堑翌塑壁茎垫查二二旦墨二塑塑坠——————案比较，最后采用了现浇管桩复合地基软基加固技术方案，设计桩长从６ｍ到１１．８ｍ不等，工ｃｍ～程总量为３７８０延米。设计直径≯ｌ０００ｎｌｌ＂Ｙｌ，壁厚１２０ｍｍ，混凝土等级０２０，坍落度５８ｃｎｌ，桩间距横向３．０ｍ，纵向间距排与排之问３．５ｍ，采用正方形布置。于２００１年１１月底完成地基处理工程。图４为现场施工的照片。图４现场群桩施工照片该桩基工程检测分三种方式进行，即①现场开挖：检查桩身外观质量，该项工作在桩基完工１４天后进行，检查数量不得少于３根。开挖结果表明，桩身混凝土结构完整，无断桩和空隙。图５为开挖单根管桩桩头。国５现场开挖单根管桩桩头②低应变检测：采用反射波法对桩身完整性进行检测，检测数量为总桩数的２５％。南京大学科技实业集团公司基础工程科技应用中心《桩基低应变动力检测报告》表明：桩身混凝土强度等级达到设计Ｃ２０要求。实测各桩桩身完整，为Ａ类桩。③静载荷试验：对单桩承载力进行检测，检测数量为三根桩。中铁大桥局集团第二工程有限公司五分公司《基桩静荷载试验报告》表明，７．８ｍ管桩竖向极限承载力大于６００ｋＮ，满足设计要求。（２）上海北环高速公路工程上海市北环高速公路是上海市重点工程，位于上海市西郊嘉定，沿线分布不同厚度的软土地基，最大软基深度达１８ｍ，路堤填土最大高度达５ｍ。在桥头连接处，为了解决工后沉降问题，原设计采用碎石桩方案。由于施工工期短、软土层深厚等因素，后通过专家论证，由上海市政设计研究院设计，在５标、６标、７标和８标等桥头路段大量采用河海大学开发的ＰＣＣ桩复合地基。６４５・中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文蓑圈６现场群桩施工照片图７现场开挖的ＰｃＣ桩芯７结语振动沉模现浇混凝土管桩技术吸收了预应力管桩和振动沉管桩等技术的优点。该管桩桩身强度高，直径大，有效加固深度可达３０ｍ以上，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督，单桩承载力高而造价又相对较低。振动沉模大直径现浇管桩复合地基新技术具有承载力提高幅度可调范围大、变形模量高、桩体质量及耐久性有保障等特点，且有效地降低了基础处理成本，提供了提高地基承载力、控制地基变形的一种极为有效的方式。振动沉模大直径现浇管桩是软土地区的优质高效桩，不但在交通工程中应用，而且在水利工程、港口工程及工业与民用工程等领域中都具有重要的推广应用价值。参考文献［１］刘汉龙，费康，马晓辉等振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术及其应用——Ｉ开发研制与加固设计。岩土力学，２００３。２４（２）龚晓南复合地基浙江大学出版社，１９９２桩基工程手册编写委员会桩基工程手册．中国建筑工业出版社，１９９５［２］［３］［４］刘汉龙，郝小员，费康等振动沉模大直径现浇薄壁菅桩技术及其应用——Ⅱ工程应用与现场试验。岩土力学，２００３．２４（３）６４６・
