浅谈预应力混凝土管桩施工质量控制

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由于预应力混凝土管桩可实现工厂化生产、桩材生产速度快而且质量易于控制、沉桩施工方便、设计单桩承载力高、能有效节约建筑材料、降低工程造价等优点，目前被广泛地用于高层建筑、工业厂房、市政设施、码头、烟囱以及各类高塔、碑等工业与民用建构筑物的桩基础。根据桩身混凝土设计强度等级可将预应力混凝土管桩分为预应力混凝土管桩（PC桩）和高强度预应力混凝土管桩（PHC桩）；根据其桩尖的型式又可分为敞口型桩和闭口型桩；根据桩身配筋情况有A型、AB型和B型桩。预应力混凝土管桩由于其圆柱型形状和单桩设计承载力较高的特点，沉桩施工采用打入式和静压式。本文结合江苏常州某电厂试桩施工的情况，浅谈锤击打入式预应力混凝土管桩施工的质量控制。

1.工程施工概况:                                                                       

本工程试桩采用高强度预应力混凝土管桩（PHC桩），沉桩方式为锤击打入式，桩锤选用DELMAG-80型筒式柴油打桩锤，共施打试桩、锚桩等56根，桩长37m，每根桩由三节桩组成，接桩形式为CO2气体保护半自动焊接；其中桩身完整的39根，其余17根桩出现不同程度的质量问题，其中深层断裂13根、桩顶破碎2根、沉桩困难无法达到设计标高2根。沉桩锤击数3根超过2000击，最高锤击数为T8桩2426击，其余都在1200—2000击之间。对于深层断裂的桩，4根桩的锤击数在1000击以下。

2.地质情况：

①1粉质粘土：褐黄色，很湿，软塑，含少量氧化铁斑纹及有机质，表层0.5m为耕植土，下部较软，逐步过渡到淤泥质粉质粘土，该层厚度一般为1.2～1.5m。

①淤泥质粉质粘土：深灰色，流塑，含有机质及少量云母碎屑，夹少量薄层粉土或粉砂，本层厚度1.5～7.0m，一般厚度3.5m左右。

③粉质粘土：灰绿色或灰黄色，可塑～硬塑，含铁锰结核和少量钙质结核。层厚2.0～8.8m，除个别地段较厚外，一般层厚2.4～3.5m。

④粉土：灰黄色或黄褐色，稍密～中密，水平层理清晰，夹薄层粉砂或粘性土层厚2.3～13.3m，变化较大。

⑤粉细砂：灰～灰黄色，饱和，中密～密实，夹有1～2层的钙质墙胶结物，呈砂岩状，结构致密，强度大，穿越困难，厚度3～10cm直径大于10cm，分布不连续。该层还含有姜结石，粒径约1～3cm。本层层厚4.0～15.0m，变化较大。

⑥粉质粘土夹粉土：粉土为灰黄色，中密～密实，粉质粘土为灰黄色，可塑～硬塑，夹有少量粉砂薄层。层厚1.0～4.1m。

⑦粉质粘土：黄褐色或深灰色，硬塑，含少量铁锰结核及姜结石，夹少量薄层粉土。层厚6.0～9.0m。

⑧粉砂：灰～灰黄色，饱和，密实，夹少量粉土薄层，该层顶部夹有层状钙质强胶结物过姜结石，粒径1～3cm。层厚10.0m左右。

3.工程特点：

本工程设计桩长37米，设计选定桩尖持力层为⑧粉砂层，施工时桩除了要穿越4.0～15.0m的⑤粉细砂层外，还要穿过⑥、⑦层硬塑土层，⑦层土中还含有少量铁锰结核及姜结石，再进入⑧层粉砂层一定的深度，沉桩有一定的难度。特别是⑤粉细砂层是含有致密砂岩状的钙质强胶结构，厚度3～10cm左右，直径大于10cm，且分布无规律，穿越此土层时遇到此类物质，导致锤击数过高，容易造成断桩、沉桩不到设计高程等质量问题。

4.预应力管桩的施工质量问题分析

结合工程该工程试桩施工以及其他工程项目预应力管桩施工中出现的情况，来简单探讨一下管桩沉桩施工的质量控制，并针对出现问题应采取的措施。

4.1桩头破碎

4.1.1桩的制作质量差导致问题发生

打桩前桩材虽进行了进场验收，但是由于施工现场仅能根据施工规范对成品桩进行外观质量检查，结合生产厂家提供的产品合格证判定成品桩材的质量。桩材内在质量问题施工现场是很难检查的。比如：管桩制作时桩头严重跑浆，形成空洞；桩身混凝土强度不够；预应力主筋的墩头高出桩端面等。针对此类问题，应在加强桩材外观检查的基础上，重点检查预应力主筋的墩头是否高出桩端面以及桩法兰盘附近是否出现空洞，对于桩法兰盘附近是否出现空洞可根据敲击声音判断。

4.1.2超应力作用使得桩头破碎

打桩过程中桩顶受到适当均匀的锤击力是顺利沉桩的关键，正常施工时桩顶应全面积均匀地承受锤击，在桩顶局部面积受力或承受超允许数量锤击的状态下，形成超应力作用于桩顶引起桩头破坏。引起桩顶承受超应力作用主要有以下三个方面的原因：①偏心或局部受力形成超应力作用。a桩顶不平；b施打时桩锤、桩帽、桩身中心线不在同一直线上；c 桩帽尺寸不合理或缓冲措施不完善；d打桩时桩身垂直度偏差超规范等易形成桩顶超应力作用；②超负荷形成超应力作用。a打桩锤选型不当，锤击力远大于桩材的承受力；b遇到坚硬障碍物时持续高档位猛打；c 接桩施工或机械故障使得桩在厚粘土层中停滞过久，引起桩周摩阻力加大，为克服此摩阻力而使用高锤击能量打桩；d地质勘察资料不准或欠缺引起设计失误，为达到失误的设计目的而强行大能量沉桩等导致超负荷形成超应力作用；③桩材发生疲劳破坏。桩锤选型不当，锤击力不足以克服桩的入土阻力，在大数量锤击作用下，桩头区混凝土发生疲劳破坏，这也印证了规范中对PHC桩锤击数限制的条文内容；施工中过分强调标高控制或贯入度控制也容易引起沉桩锤击数过大使桩材发生疲劳破坏。

4.1.3锤击力缓冲不到位形成桩顶破碎

施工中打桩锤的锤击力缓冲问题必须予以高度重视，切实作好桩锤与桩帽之间、桩帽与桩顶之间的缓冲工作，作到措施得力、及时更换缓冲垫等，否则将可能导致桩头破碎的质量问题发生。

4.2桩身破损断裂或出现纵向裂纹

4.2.1桩材在制作过程中所存在的质量缺陷是导致打桩过程中出现桩身破损断裂或出现纵向裂纹的主要原因。桩材质量缺陷表现在：①桩外形尺寸偏差超允许值，主要有桩身矢曲、桩法兰倾斜、预应力主钢筋墩头神出法兰盘外、桩管臂厚出现负公差超偏以及钢筋外露等；②桩材内在质量缺陷则表现在混凝土强度不满足设计、高压蒸养等生产工艺欠佳和钢材质量存在质量缺陷。桩材外在的质量缺陷可以通过检验来发现，而内在的质量缺陷在现场则很难被检查出来，某些断桩或出现纵裂等质量问题往往是由内在质量缺陷所引发的。杜绝和减少质量缺陷的有效办法是选择质量稳定、信誉良好的桩材生产厂家。

4.2.2打桩施工不当引起的断桩或纵裂

4.2.2.1沉桩过程中若桩身倾斜过大，在桩承受锤击状态下，地面以上桩身因缺乏侧向约束易出现桩身竖向失稳而导致断桩；

4.2.2.2预应力混凝土管桩设计一般采用电焊接桩，电焊接桩施工质量的好坏对桩身是否断裂有直接的影响，有条件的情况下应优先选用自动焊或半自动焊，使接桩质量更有保证；

4.2.2.3桩材在装卸、搬运过程不规范操作导致桩材在锤击前即出现裂纹，此裂纹在锤击作用下出现扩大并最终导致沉桩过程中出现断桩或桩身纵向开裂；

4.2.2.5多节桩接桩施工中，由于桩身不垂直、接桩不直，桩中心线成折线形，锤击作用下可能断桩；

4.2.2.6打桩过程中桩锤、桩身（或桩锤、送桩器、桩身）中心线不在一条线上，偏击导致断桩、桩身纵向开裂或桩头破碎等质量问题；

4.2.2.7打桩施工不规范操作，在沉桩过程中遇到不明障碍物或致密土层时，以及由于接桩施工、机械故障等沉桩中断时间过长形成桩周阻力加大时，持续使用大能量锤击沉桩，导致断桩发生；

4.2.2.8不合理的打桩施工路线、施工顺序造成后施工的桩沉桩困难，强行大能量沉桩导致断桩或桩顶破坏，布桩较密集时此问题尤其明显。

4.2.3地质及设计原因造成沉桩质量问题

由于地质勘察的勘探孔不可能做到与桩设计同数量、同位置，这样就有可能出现地质勘察资料与实际地质情况不完全一致的情况，有可能出现桩尖实际已进入持力层并符合设计，而地质资料却表明桩尖还未进入设计持力层的问题。此时若设计、监理等有关人员仍坚持原设计，则有可能出现桩因锤击过大而导致桩身混凝土出现疲劳破坏而断桩。

施工规范规定打桩停锤控制标准一般采取双控的原则，施工过程中应灵活掌握，若过分强调设计指标必须达到，则可能造成桩承受超量锤击而出现断桩等，当然为保证工程质量，对沉桩过程中出现的桩暂时打不下去的“假凝”现象应予以高度重视。

4.2.4开口桩桩尖沉桩太快造成桩出现纵向裂纹

对于敞口型桩主要是由于沉桩时桩管内的空气受到挤压而将桩涨裂（预应力混凝土管桩环向抗拉性能很差，极易在受拉时被拉裂而出现裂缝）。在高地下水位区预引孔开口桩沉桩施工时，桩管内不但有空气，还有水及部分泥巴共同受压，这种情况将会更严重。针对此问题我公司普遍采取在桩帽上开设透气孔、控制桩身沉桩速度的办法来解决，实践证明该办法是切实可行的。在设计认可的情况下改敞口型桩为闭口型桩桩身出现纵裂现象会明显改观。

4.3沉桩达不到设计控制要求

4.3.1勘察设计方面的原因，勘察资料太粗或有误，与实际地质情况发生较大的出入，使得桩尖实际已经进入持力层，而从勘察资料方面反映沉桩还不到设计标高；

4.3.2桩锤陈旧、长时间连续作业锤体发热或桩帽缓冲层过厚，造成锤击力不足，另外桩锤选型不合理，进场的打桩锤太小，造成锤击力不足。打桩施工中锤击力不足是导致沉桩达不到设计控制标高要求的直接原因；以及由于机械故障引起打桩中途停顿时间过长，故障排除后已无法继续施工等；

4.3.3现场施工人员误将沉桩时遇到坚硬的障碍物或厚度较大的硬隔层、桩尖遇到密实的粉土或粉细砂层等打桩过程产生“假凝”现象理解为已经底达设计要求而提前停止锤击，造成沉桩不符合要求；

4.3.4桩头被击碎或桩身被打断，无法继续施打从而诱发沉桩达不到设计控制要求；

4.3.5布桩密集或打桩顺序不当，采取或无意中形成封闭式打桩路线，使后打的桩无法达到设计深度，并使先打的桩上浮，严重时还造成断桩质量问题发生。

4.5桩顶偏位

4.5.1施工人为因素造成的测量放线有误，或测量控制点未进行定期校核、桩尖插桩施工时对中工作不认真，在刚开始施工时就埋下桩顶偏位的质量隐患；

4.5.2不合理的打桩顺序不当施工顺序和施工路线，使得先施工的桩位被挤动，特别是在软土层中， 先施工的短小桩更容易跑位；

4.5.3片面追求工期，一味加快沉桩施工速度，打桩速率过大引起打桩区土体应力以及孔隙水压力剧增，此土体应力以及孔隙水压力推动桩及桩间土发生移位；

4.5.4不规范的基坑土方开挖，使得桩间土的应力和孔隙水压力不平衡地骤减，桩间土推动桩发生位移、浮动等，严重时还可能导致断桩问题发生；

5 施工质量控制措施

5.1施工现场应建立健全完善高效的工程质量保证体系和质量保证措施，加强施工人员的业务素质培养，教育作业人员树立严格的质量观念；

5.2严格执行桩进场验收制度，验收执行施工规范，坚持不合格的桩不用。现场验桩不但查验桩的出厂合格证，还应由制桩厂家出具桩身混凝土抗压强度报告，以及钢筋、水泥、砂石料复试报告等质保资料，尽量选择质保体系完整、质量稳定的桩材厂家供货；

5.3根据工程地质勘察报告、桩的规格以及桩基设计条件，选择合理的施工机械（包括打桩机、打桩锤及喂桩机械），桩锤与桩帽、桩帽（送桩器）与桩之间保持良好的弹性接触；

5.4桩吊运过程中除坚持轻装轻卸、慢速行驶外，还应注意吊桩的索具长度，保持桩身与钢丝绳的夹角不小于45°；

5.5 插桩时应调校桩架及桩身垂直度，对于一般土质而言桩尖入土1/4-1/3桩长后不宜再强行调校桩身垂直度，否则可能发生断桩；若桩身倾斜过大必须校正时，应在拔出桩尖用碎石或河砂填满桩孔后重新插桩；

5.6电焊接桩应采用试桩确定时的施工参数（施焊电流及施焊层数，桩锤选型亦然），焊接完成后，宜将焊缝冷却10-15分钟到自然温度后再打桩，以免焊完既打造成焊缝遇水发生“淬火”现象；

5.7送桩施工前应先在桩顶加纸垫等缓冲设施，然后再套送桩器送桩。送桩时应观察桩顶及送桩器是否发生抖动，若抖动则应及时调整打桩机以使桩顶、送桩器不发生抖动为原则，确保送桩顺利进行；

5.8桩身出现轻微纵向裂缝时，可采取在桩身加钢板箍以继续沉桩。横向裂缝则有可能导致断桩，建议出现裂缝时桩材不用；

5.9 关于大面积软土区沉桩出现桩体隆起、桩身倾斜及桩拉断等问题，可采用合理的沉桩工艺、打桩路线、限制沉桩速率以及采用桩位预引孔、打桩区设置释放孔辅助方法沉桩等办法来解决，实践证明上述方法是必要可行的；

5.10预应力混凝土开口管桩打桩施工时，为防止桩管内气体、水及泥巴（预引孔施工时）因压缩而将桩涨裂，可在桩帽上开设透气/水孔，透气/水孔的面积不宜小于桩内截面面积的2倍，以使桩管内的气体或水、泥巴在沉桩时能及时顺利地排出；也可将预引桩孔中的水抽干后再打桩或改开口型桩为闭口型桩，同时控制沉桩速度。

5 建议与设想

对于软土区大面积密集型桩基，建议设计部门采用长而稀的设计布桩原则，充分发挥预应力混凝土管桩本身强度高的特点，尽量采用端承桩或端承摩擦桩。根据我们的施工实践经验，稀疏的布桩有利于工程质量控制。同时希望建设单位考虑合理的施工工期，不可过于压缩建设工期。