预应力混凝土管桩应用与发展ppt课件

.,预应力混凝土管桩的应用与发展,周同和郑州大学,2011年07月河北石家庄,.,内容提要,混凝土管桩的历史与发展管桩施工工法介绍管桩生产设计施工中存在的问题与解决思路新型管桩的研发与应用展望结论与建议,.,一、管桩的历史与发展,.,1894年Hennebigue发明了预制混凝土桩，至今已百年历史。1920年澳大利亚人W.R.Hume发明混凝土离心法生产工艺1925年日本引进该项技术，于1934年研制离心砼桩（RC桩）1962年日本开发了预应力混凝土管桩（PC桩）19671970年日本开发出预应力高强混凝土管桩（PHC桩）,国外发展概况,.,日本、美国、加拿大、英国、荷兰、德国、俄罗斯等国是研制、生产使用管桩较多的国家，国外混凝土管桩除广泛用于工业与民用建筑外，还大量应用于铁路、公路、港口、桥梁、水利工程等领域。日本是混凝土管桩应用最多、发展较快、使用面最大的西方发达国家。为了提高管桩的承载力力，日本发明出了“竹节高强度预应力混凝土管桩（简称AG桩）”，“扩底桩（StepTaperPiles简称ST桩）”，类似于我国的现场灌注的DX桩、扩底桩。,.,（引自：王重）,日本钢管混凝土管桩ACCS桩，桩水平承载力大为提高,.,（引自：王重）,日本研发出扩端预应力混凝土管桩，以提高桩端承载力,.,（引自：王重）,日本研制的变节AG桩，用于提高桩侧阻力,.,马来西亚近年发展很快，生产管桩最大规格直径为1200mm，单节长度达46m，正在研发52m.,.,预制混凝土管桩因其生产技术先进、工业化程度高、质量稳定、施工周期短等技术、经济优势，在国内得到较快的应用与发展，已成为基础工程的重要桩基形式。,国内管桩发展状况,.,我国1944年开始生产钢筋砼离心管桩（RC桩）；1969年丰台桥梁厂开发生产预应力混凝土管桩（PC桩）；1981年香港由日本人设厂生产预应力高强管桩（大同桩）；1984年广东建立第一家预应力管桩的生产厂；1988年原交通部三航局全套引进日本设备和技术生产PHC桩；1990年广东南方和鸿运管桩厂部分引进日本设备和技术生产PHC桩。,.,我国于1992年颁布国家标准先张法预应力混凝土管桩GB13476-92；1999年修订成GB13476-19992010年修订成GB13476-2009于1994年编制出版预应力管桩结构标准图集2003年版标准图集预应力混凝土管桩2010年修订版标准图集预应力混凝土管桩,.,1998年广东省标准预应力混凝土管桩基础技术规程DBJ/T15-22-98/2008修订版；编制完成广东省标准静压预制桩基础技术规程浙江、辽宁、吉林、广西、福建、湖北、云南、河南、四川、安徽、山东、陕西、天津、江苏等省也编制了相应规（程）范。,.,河北省建筑科学研究院会同有关单位编制的预应力混凝土管桩基础技术规程DB13(J)/T1052010自2010年4月日起施行。,.,近来，我国管桩技术得到快速发展，其主要技术进步表现在以下几方面：1）产品与技术标准体系得到完善、生产设备、材料及配套技术基本成熟2）磨细矿物掺和料在管桩得到较好应用这一技术的开发首先在广东地区，羊城管桩厂、原上海建材学院等单位做了大量工作。不仅可替代30%左右的水泥，且改善了预拌混凝土的工作性和提高混凝土耐久性及后期强度。在降低生产成本的同时对节约资源、保护环境有重要意义。,.,3）大直径管桩得到开发应用随着港口工程、船用构筑物、桥梁工程的发展需要，大直径、超长管桩的需要量日益突出。交通部三航局对引进技术消化、吸收和进行攻关，1998年开发了直径1200mm，单节长度最长为30m的长管桩，管桩采用离心、振动和辊压三种复合工艺（CENVIRO）成型，并经蒸养、水养后，拼接张拉、灌浆自锚的预应力混凝土管桩，其特点是高密度、低水灰比，高强度、低渗透性。目前又开发了长55m的PHC桩，可满足一般水工工程对整节桩的需要。在钢模、离心设备设计、保证钢模起吊直线度、防止蒸压釜变形及自动控制等关键技术方面均有自主创新。,.,大直径长管桩,.,4）钢纤维混凝土管桩得到研发利用管桩用的高强混凝土虽具有强度高、承载力大等特点，但同时存在混凝土脆性大、韧性延性差、抗拉强度低等问题，目前我国沉桩方法主要为打入法沉桩（柴油锤击、液压锤击、自由落体锤击）和静压法沉桩（顶压法、抱压法），这两种施工方法，会在沉桩过程中对桩身造成不同程度的损坏。锤击数过高会使桩身产生微细裂缝，降低桩基使用年限。采用钢纤维增强混凝土制作的管桩，能有效地改善混凝土的上述力学性能，大大地提高PHC管桩的抗冲击能力。有关试验表明，钢纤维混凝土管桩的抗裂性能和抗弯性能比一般PHC管桩提高30%以上。钢纤维混凝土不仅能提高混凝土强度且能阻止混凝土裂缝及延展的时间，克服因应力集中的过早开裂，可使桩身具有良好的韧性和延性。,.,5）新型管桩产品得到开发应用随着日益扩大的建筑市场需要，管桩的生产设计不断更新，涌现了大批新型产品，可适应不同类型基础的施工。针对PHC管桩弱点，开发了“先张法”钢绞线预应力混凝土管桩（SPHC管桩），带肋PHC桩等，他们的共同特点是保持原有PHC桩竖向承载力高的特点，通过改变管桩配筋及断面形状，改善管桩延性提高管桩截面抗弯承载力。,.,（引自：浙江大学宁波理工学院方鹏飞）,国内开发的带横隔管桩，提高抗弯能力、延性,.,中交三航局宁波分公司研制的先张法钢绞线预应力混凝土管桩（简称SPHC桩）,.,二、管桩施工工法介绍,.,管桩施工方法简介,锤击法：柴油锤、液压锤静压法：抱压式液压压桩机、顶压式液压压桩机、抱压顶压联合式液压压桩机、抱压振动联合式液压压桩机引孔打（压）法钻孔植桩法中掘法（直径600）,.,柴油锤,.,国产的柴油锤和液压锤,.,液压锤,.,特大型液压锤（带消音罩）,.,抱压式液压压桩机,新颖的压桩机的抱压机构,.,静力压桩机,.,边桩压桩设备,.,顶压式液压压桩机,.,抱压顶压联合式液压压桩机,.,抱压振动压桩机全貌（3000kN压桩机可起到5000kN压桩机的效果）,.,抱压振动压桩机的振动机构近景,.,中掘法施工,.,螺旋钻引孔机,.,1、锤击法施工管桩,.,锤击管桩施工流程图,.,管桩桩位放样,.,桩位放样后的现场,.,吊桩入位、校正垂直度,.,锤击沉桩,.,安装导向箍,.,接桩就位中,接桩就位,.,接头电焊,.,粘沥青胶,.,放沥青胶,.,.,.,.,切割机截桩头,桩头插筋,.,送桩收锤,不送桩收锤,.,锤击管桩施工应注意问题,（1）合理选锤、重锤低击；（2）合理组织打桩顺序；（3）确定适合的打桩收锤标准；（4）桩帽大小要适宜，垫层软硬要适度，厚度要保证；（5）桩身要直，力戒偏打；（6）接头焊接质量要保证；（7）在较厚粘性土层中宜连续一次性成桩；,.,合理组织打桩顺序,1）若桩较密集且距周围建（构）筑物较远、施工场地较开阔时，宜从中间向四周进行；2）若桩较密集、场地狭长、两端距建（构）筑物较远时，宜从中间向两端进行；3）若桩较密集且一侧靠近建（构）筑物时，宜从毗邻建（构）筑物的一侧开始由近及远地进行。4）桩的入土深度，宜先长后短；5）管桩的规格，宜先大后小；6）高层建筑塔楼（高层）与裙房（低层）的关系，宜先高后低。,.,2、静压法施工管桩,.,静压桩与锤击桩主要区别,静压桩只能穿透约23m密实砂层；桩尖只能进入强分化岩表面；静压桩比锤击桩约短1.54.0m。锤击桩重型柴油锤可穿透56m厚的密实砂层；桩尖可进入强分化岩层12m。相同条件下静压管桩单桩承载力约为锤击桩的0.7倍0.8倍(短桩)或者0.8倍0.9倍(长桩)。,.,静压桩适用的工程地质条件,上覆土层较软、桩端持力层（硬塑坚硬粘性土层；中密密实砂土层全风化、强风化岩层）较好的地层。,.,静压桩穿透砂土层能力,.,下列场地不宜采用或应慎用,现场地表土层松软且又未经处理因而容易发生陷机的场地；土层中含有较难清除的孤石或其他障碍物的场地；桩端持力层为中密密实砂土层且其上覆土层几乎全是稍密中密砂土的场地；土层中含有不适宜作桩端持力层且又难贯穿的硬夹层的场地；岩溶地区基岩上面无适合作桩端持力层的场地；覆盖层土体较软而静压桩难贯入的岩面埋藏较浅且岩面倾斜较大的场地。,.,抱压式液压压桩机,.,顶压式液压压桩机,.,抱压式液压压桩机,山河智能研制的新颖压桩机的抱压机构,.,山河智能研制的新颖压桩机的抱压机构,.,压边桩设备（由山河智能创始于1997年）,.,终压控制条件,1）对于摩擦桩，按设计桩长控制。2）对于端承摩擦桩或摩擦端承桩，可按终压力控制：L23m时，Pze=2.0Ra复压12次15m23m时，Pz=（1.61.8）Ra,.,静压桩终压力值与复压次数,终压力值决定静压桩的实际承载力特别是当桩较短时（L8m）要达到常规设计承载力，通常的思路：一是提高终压力值；二是增加复压次数。,.,关于提高终压力值的问题受桩身允许抱压压桩力的限制，终压力不能任意提高。用同样的压桩力压短桩时，达不到长桩所能达到的承载力，因此，只有降低短桩的设计承载力。,.,关于增加复压次数问题大量的工程实践表明：复压次数太多，对管桩基础承载力的提高并不太明显，但对压桩机和桩身损害太大，得不偿失。所以不提倡多次满载连续复压法，而是提倡超载施压法，一般复压13次，个别短桩35次。但超载施压的压桩力也不能大于桩身允许抱压力的1.1倍。,.,关于管桩接头的问题,1）电焊接头（手工电焊、二氧化碳保护焊）优点：制作简单，价格便宜。缺点：桩身混凝土烧伤，风雨、寒冻天无法施工，焊接质量不易保证。2）机械啮合快速接头优点：施工速度快，施工不受天气限制。缺点：价格略高。,.,电焊焊接层数两层三道，焊缝表面呈连续鱼鳞状。或者用二氧化碳保护焊自动焊接，也不得少于两道，速度不要太快，焊缝应饱满。,电焊接头示意,.,机械啮合接头,.,.,关于桩尖的问题,常用：十字型、圆锥型、开口型建议：直径不大于600的管桩一般情况下均应采用十字型桩尖。理由：充分发挥管桩桩身空心的特色，成桩后，可用目测或灯光照射对桩身质量进行检测，并可直接测量桩的入土深度。,.,标准十字型桩头,.,平底十字型钢桩尖,.,尖底式十字型钢桩尖,.,锯齿十字型钢桩尖,.,方锥型钢桩尖,.,六棱锥钢桩尖,.,H型钢桩尖,.,开口型钢桩尖,.,套筒式送桩器大样,.,插销式送桩器,.,三、预应力管桩生产设计施工中存在问题与解决的思路,.,预应力混凝土管桩的优点,设计灵活，可用于桩基、也可用于复合地基、工程造价低；桩身耐打穿透力强，对持力层起伏大的地质条件适应性强；吊装运输方便、接桩快捷可靠、施工速度快，工期短；施工现场整洁、文明；监理检测方便、成桩质量相对可靠；静压、中掘法施工的低振动、低噪音。,.,锤击管桩侧阻力及端阻力修正系数（选自王离）,.,管桩（打入或压入）是挤土桩，桩侧阻力特征值要比钻(挖)孔桩、沉管灌注桩大一些，一般取规范中的上限值，最高可达100KPa。管桩耐打，桩尖可进入强风化岩层或密实的卵石层、砂层，经过剧烈的挤压，桩尖附近强风化岩（卵石层、砂层）的桩端阻力特征值提高到5000KPa10000KPa，甚至更高，比一般规范提供的数据提高50%100%。,.,常用管桩的规格及桩身承载力一览表,.,我国是全球生产应用管桩最多的国家，2009年产量达超过3亿米；产值可达400亿元，形成产业链产值到达800亿元。但由于我国管桩生产、施工技术相对落后，市场化不规范产生的无序竞争，造成我国管桩生产、施工与发达国家相比存在差距，具体表现在以下方面：,管桩生产过程及使用中存在的问题,.,1、混凝土掺合料质量控制困难，产生HPC桩身强度回缩目前大多数管桩生产企业都采用用磨细石英砂代替水泥，磨细石英砂代替水泥可以提高混凝土的标号，又可以增强混凝土的合易性有利用成型。但是磨细石英砂的质量控制要求严格，如果二氧化硅的含量达不到要求，或含泥量超标都达不到预期的效果，混凝土的强度达不到C80。掺磨细石英砂必须与水泥匹配，磨细石英砂必须符合质量要求，二次压蒸养护的时间及温度也必须达到要求，磨细石英砂的掺量应该根据企业所用的胶凝材料及工艺情况，经大量的试验确定，才能达到预期的效果。,.,2、施工技术与施工机具落后带来管桩施工过程中的缺陷与使用质量问题我国目前的管桩施工，大多采用锤击与静压方法，这二种方法在施工过程中产生的爆桩、弯曲、疲劳等问题，均严重影响桩的使用性能，特别是承载力与耐久性。,.,3、管桩设计技术水平落后与灌注桩相比，由于认识原因、施工技术水平的限制、设计研究水平的差异，我国管桩设计水平与应用技术水平亟待提高，上海倒楼事件便是这一状况的最好明证。,.,2008年6月27日凌晨，正在开挖地库基坑的上海莲花河畔景苑7号楼发生整体倾覆倒塌，即著名的“6.27”莲花河畔景苑7号楼倾倒事故。事故的发生、调查，及围绕事故原因进行的事故原因分析、辩论、争议，将管桩推向了风头浪尖。,水平承载力问题认识不足-上海莲花河畔倒楼事故发生的原因,.,上海倒楼事件发生后，全国专家纷纷对倒楼原因进行分析、探讨、发表看法，甚至公开发表文章加以讨论、论证，一时间在全国各种会议场合议论纷纷，有的甚至进行了论战。总的观点形成二种意见，一是以上海多数专家为代表的所谓接近官方的意见，认为倒楼原因主要是施工因素造成；另一种意见是认为桩基选型或管桩不可靠原因造成。将事故原因分析简单化、孤立化，因而不能从深层次、系统化角度客观分析事故原因，避免事故的重复发生。,.,1）基础埋深与桩基选型问题高层建筑的基础埋深主要取决于地下空间资源开发利用、建筑物稳定性与抗震设计要求，我国现行规范与技术标准大多规定了基础埋深与建筑物高度的关系，如采用天然地基时，埋深一般要求不小于建筑物高度的1/15，采用桩基时基础埋深要求不小于建筑物高度的1/18，但这仅是一个最低要求，建筑物的埋深还受到建筑物稳定性的制约，建筑物有足够的基础埋深，才能减少桩顶的水平荷载，而各种桩形及同一桩形不同尺寸、配筋、型号的桩，水平承载力不同，应根据基础埋深不同、地下室侧壁约束不同产生的阻尼不同，设计选择不同的桩基。,.,2）水平荷载验算与管桩选型问题对软土地区，除了根据基础埋深选择桩形外，还应当充分考虑在不同工程条件及地震条件下桩的水平承载力验算问题，这同样关系到建筑地基稳定性问题。,.,.,.,非筏板基础，管桩长细比较大，地基稳定性差，选型不合理。,.,靠近基坑一侧产生弯剪破坏，外侧发生管桩拉断破坏或芯桩拔出破坏，管桩型号过于节省！,.,由照片可知，靠近基坑一侧管桩破坏应为“弯曲破坏”或“弯剪破坏”，外侧管桩多为拉拔破坏（部分管桩为混凝土芯桩拔出破坏），破坏模式为：基坑侧壁处管桩先发生破坏，南侧管桩丧失承载力后，7号楼随即发生向基坑方向（南侧）的整体倾斜，导致外侧管桩发生拉拔破坏，最终形成7号楼整体倾覆破坏。由此可见，引发倒楼事故的内因是管桩选型问题，该工程处在上海软土地区，选择PHC400A型桩，桩长35m，这样设计建成的建筑物也许根本不具备抵抗复杂工况及地震作用条件下的工程风险，网民称之为“楼倒倒”“楼歪歪”就的确有道理了。,.,在竖向承载力方面，预应力管桩是一个极具竞争力的桩型，但不考虑其抗弯承载力较差的弱点，不考虑工程环境与地质条件，不考虑工程使用条件，过于追求经济效益，盲目选型，会给工程带来难以预测的的安全风险，不难理解上海倒楼事故发生的深层次原因。,.,以上说明，采用管桩的高层建筑应该具有足够的基础埋深；较厚软土工程采用管桩基础，应通过各种工况与地基工作条件下的稳定性验算，选择合适的管桩型号。,.,日本设计桩基工程对地下室侧壁承担水平荷载的规定,.,日本设计规定表明：建筑物桩基需要一定的水平承载力，以承担建筑物水平荷载的作用；在一定条件下，除桩基外，建筑物地下室侧壁土体也可以承担建筑物部分或全部的水平荷载。,.,临近建筑物施工安全与设计责任问题较厚软土工程采用管桩基础，应通过各种工况与地基工作条件下的稳定性验算，选择合适的管桩型号。,.,基础埋深、管桩桩长、型号选择管桩的抗震设计问题，必须考虑建筑物地下室的抗震作用应根据建筑物基础埋深、地下室侧壁土层或约束条件，决定是否可以选择管桩。条件容许时，应选择水平抗弯承载力较高的桩。,.,工程实践中存在地表测试与原位测试管桩承载力的偏差影响工程验收的问题，主要原因系侧阻与端阻的相互影响原理。解决办法：适当降低桩侧阻力或桩端阻力的取值。,地表测试与原位测试单桩承载力问题,.,抗浮设计中管桩的裂缝是否允许存在、或裂缝宽度限制问题，影响到抗浮构件的耐久性。解决办法：采用混合配筋预应力混凝土PRC管桩。接桩与桩芯处理问题,抗浮设计、裂缝宽度限制与耐久性设计问题,.,爆桩是管桩施工过程中的普遍现象，主要原因与施工方法不当、穿越土层分布及其厚度不均匀等有关。解决方法：1、选择合适的施工机具、掌握施工技巧积累施工经验。2、采用引孔技术。3、提高桩身抗弯能力、抗击打能力选用混合配筋PRC桩。4、采用中掘工法或植入后注浆法。,爆桩、桩身承载力不足问题,.,挤土效应及其产生的孔隙水压力升降，带来土体强度的变化，可能造成严重的环境问题。对于软土地区的桩基工程、基坑工程，必须考虑其对环境及基坑工程安全的影响。解决方法：加强研究、重视施工监测、强调技术措施。解决工程的施工力学问题，成为工程前沿及今后研究的重点。,软土地区施工对周围建筑物及环境影响问题,.,管桩基础与复合地基设计问题,较浅层有持力层情况时桩长的认定与持力层选择1）小于*m的桩不算“桩”2）桩长的确定取决于桩与基础承担的水平荷载3）桩端持力层的选择应充分考虑单桩水平与竖向承载力、建筑物沉降控制要求，下卧层情况等。同时应考虑可能的施工机具、施工方法、施工经验。,.,管桩基础与复合地基设计问题,管桩复合地基1）新修编的建筑地基处理技术规范（JGJ79-2011）已将包含预应力管桩在内的各种刚性桩复合地基，规定按CFG桩复合地基方法设计。2）实际工程中常作为解决管桩施工桩长较短时，修改地基方案的技术手段。如：改桩筏基础为预应力管桩复合地基片筏基础；改“桩-承台”基础为管桩复合地基独立基础。3）因较短的管桩单位成本提供的单桩承载力较大，管桩复合地基方案具有较强的造价竞争力。,.,四、新型管桩的研发与应用展望,.,混合配筋预应力管桩-PRC桩概念的提出,在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋，形成一种新型混合配筋预应力管桩PRC桩。其中，非预应力钢筋采用全截面对称配筋和扇形截面对称配筋。,.,试验所用试件共12根，D=500mm和D=600mm两种直径。非预应力钢筋采用扇形轴对称配置。,PRC桩配筋,.,混合配筋钢筋笼成品,.,新型混合配筋预应力管桩试件设计,.,试件型号与配筋表,新型混合配筋预应力管桩试件设计,.,.,与传统预应力管桩相比，PRC桩水平承载力有所提高，变形性能得到改善，适用于一般工业与民用建筑的低承台桩基础，也可用于基坑、边坡、堤岸、及软土地区的桩基、刚性桩复合地基工程。,.,管桩抗弯试验加载示意图,PRC桩试验,.,.,.,管桩试验过程及现象分析,.,开裂荷载与挠度试验结果比较,.,PC600桩,PRC-600桩,PRC-600桩,荷载-挠度曲线比较,.,抗剪承载力理论计算结果比较,抗剪性能理论研究,.,管桩挠度理论计算、有限元计算和试验结果比较,PRC-500*1210.7型桩的荷载-挠度曲线图,.,PRC-600*1610.7型桩的荷载-挠度曲线图,.,PRC-600*1810.7型桩的荷载-挠度曲线图,.,PRC-700*1810.7型桩的荷载-挠度曲线图,.,抗裂弯矩比较与先张法预应力混凝土管桩（GB13476-）相比提高5%10%。,.,弯矩设计值比较与先张法预应力混凝土管桩（GB13476-）相比平均提高了28%。,.,桩身强度提供的竖向抗压承载力比较与先张法预应力混凝土管桩（G