沿海地区珊瑚岩地质预应力管桩基础施工应用

沿海地区珊瑚岩地质预应力管桩基础施工应用xx集团xx工程有限公司1、前言：拟建场地位于xx市xx公园南侧，xx海湾与xx海湾之间，建设单位为xxxx旅游开发有限公司。场地东南约140.0m为xx，西北面约500.0m为xx湾，由于场地临近海边，基础土质内有大量珊瑚岩碎石及礁盘，是典型的沿海珊瑚岩地质。本工程设计采用的基础桩的类型为承压桩、抗拔桩，采用PHCφ500×125（AB）高强预应力管桩，桩数为3030根，其中承压桩分为ZH1和ZH2两种，ZH1型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2500KN，共1442根，设计有效桩长约35m；ZH2型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2000KN，共1544根，设计有效桩长约27m；抗拔桩ZH3型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2000KN，单桩竖向抗拔承载力设计值750KN，共44根，设计有效桩长约27m，均为AB型桩。桩身混凝土标号为C80，预应力管桩采用62号柴油锤锤击施工。2、工法特点：基础稳定性及承载力关系到结构的安全和质量，地基承载力不足会导致建筑结构的不均匀沉降甚至整个建筑物的塌陷、损毁。沿海地区地质形成较复杂，多数沿海岸线地区远古时期处于海平面以下，地质中存在大量珊瑚岩礁盘及珊瑚岩碎石，珊瑚岩强度很高，在施工中经常造成断桩、偏桩等质量问题，降低了施工效率，增加了施工成本，给基础施工带来不便。基于此原因，对沿海珊瑚岩地质条件下高强预应力管桩基础施工工艺给出详细施工方案和解决措施，通过控制机械施工特点、桩身入土垂直度控制、引孔、破碎珊瑚岩等技术点，减少桩间岩石与土壤的不均匀密度，提高了管桩桩身的垂直度，避免了因珊瑚岩相互挤压而造成大量上浮现象及断裂现象，降低了施工中管桩的报废率。通过试验，选择珊瑚岩地层为桩的持力层，减少了施工成本，缩短了施工工期，保证了建筑基础的施工质量。近海地区地下水中含盐量较高，桩身长时间与这种水质接触容易造成桩身钢筋被腐蚀，桩身承载力下降甚至完全损毁。基于此原因，在管桩桩身施工生产过程中加入高性能耐腐蚀的混凝土外加剂，提高混凝土管桩密实性，防腐、抗盐及抗海水侵蚀等性能，有效阻止各种环境和地质条件下水和土壤对混凝土构件的侵蚀，提高管桩的耐久性。3、适用范围：沿海地区地下水具有高盐腐蚀性或珊瑚岩地质条件下的高强预应力管桩建筑基础。4、工艺原理：4.1施工中对于珊瑚礁盘部位处理及桩身垂直度控制由于处于沿海地区，根据现场实际情况及《xxxxxxA26、A26-1、A27、A27-1地块项目岩土工程勘察报告》显示，我部现场土质为含珊瑚岩碎石深厚软弱土层，土层中50%以上地区都存在珊瑚岩礁盘，在桩基施工过程中极易发生斜桩、断桩、无法沉桩的现象。所以在施工过程中桩身垂直度控制十分重要，桩身不垂直容易导致施工中的断桩，接桩时无法将两节桩身有效紧密结合或成桩承载力下降，测量人员应在施工前、施工中、施工后跟踪检查桩位及桩身的垂直度，在第一节桩身刚入土时及时校正垂直度，确保桩身的垂直。由于场区内存在的大量珊瑚岩礁盘，在锤击过程中桩身很容易碰到地下的珊瑚岩。珊瑚岩质地较坚硬与旁边的土质密度不同，并且桩间距离较小，桩在锤击的过程中对周围土体的侧向力很容易挤压珊瑚岩，导致桩身出现倾斜、偏位、甚至断裂的现象。经我部研究，对于地表浅层的珊瑚岩使用破碎机进行整体破碎，使地表珊瑚岩减少对桩身入土时的影响，桩身入土深度未超过桩长1/3的斜桩，使用吊车将桩身拔出，检查桩身的完整性。如桩身完好无损，桩身未出现裂纹或断裂现象，则将桩再次放置于原位，在桩身与土体中间的空隙放置木桩固定桩身的垂直度，轻捶慢打，边锤击边校核垂直度，将桩身一点一点锤入土中，待桩头穿过地下的岩石或礁盘再进行正常的锤击施工，确保桩身入土时位置准确及完整。对于埋于地表以下的珊瑚岩，使用φ500长螺旋钻机进行引孔作业，将桩位放样于基础操作面上，根据地质情况及地勘报告，在有珊瑚岩的地区先使用钻机在桩位上钻孔，将大块珊瑚岩进行破碎、钻孔，然后再进行吊桩、沉桩施工。此方法有效的预防了桩在入土初期的偏位及断桩的情况，大大节省了施工时间。破碎表层珊瑚岩引孔机破碎地下珊瑚岩4.2桩承载力控制桩身承载力直接影响到今后主体结构的质量及安全性，对于桩身的承载力我部使用桩身设计有效长度和锤击贯入度进行双控，主要操作如下：①当桩端位于一般土层时，应以控制桩端设计标高为主，贯入度为辅，在达到设计有效桩长后停止进行锤击，经静载试验抽检合格。我部在A26地块第251#桩位遇到此种情况，桩身达到设计要求的有效桩长，但是贯入度仍然很大，最后3阵贯入度达到4cm左右，经静载试验检测，桩身达到4000KN承载力，桩位合格。②当桩端达到坚硬、硬塑的黏性土、中密以上粉土、砂土、碎石类土及风化岩、珊瑚岩礁盘时，桩身长度还未达到设计有效桩长，但桩身已经明显无法再向下锤击，此时应以贯入度控制为主，桩端标高为辅,我部现场实际操作时多数桩位遇到此种情况。在锤击中工长、施工员密切注意锤击深度，以1000mm高度为标准，每10击为1阵，检测时连续3阵贯入度≤2.5～3.0cm时，认为达到承载力标准，可以停锤，经静载试验抽检全部合格。静载试验4.3桩身防腐处理水泥水化过程中生成大量的Ca(OH)2，使混凝土孔隙中充满饱和的Ca(OH)2溶液，其PH值大于12，钢筋在碱性介质中，表面能生成一层稳定致密的氧化物钝化膜，使钢筋难以锈蚀。但是当混凝土存在Cl－OH－的摩尔比大于0.6时，即使PH>12，钢筋表面的氧化物钝化膜也可能被破坏而遭受锈蚀，这是由于氯离子在这些条件下可以穿透或活化钢筋表面的氧化物保护膜，从而创造电化学腐蚀的条件，氯离子穿透或活化氧化物保护膜，会使钢筋各部位的电极电位不同而形成局部电池，发生电化学反应:Fe2++2Cl－→FeCl2FeCl2很容易进入溶液并发生电离：FeCl2→Fe2+＋2Cl－于是溶液中的Fe2＋和OH－结合成Fe(OH)2；Fe(OH)2又和溶解在水中的氧作用生成Fe(OH)3即：4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3而被腐蚀。而Cl－却可以重新在钢筋表面起作用，周而复始地促使铁的阳极氧化过程而自身并不消耗。所以氯离子对钢筋的腐蚀作用一旦发生，就会持续地进行下去，由此可见其危害性是相当巨大的。另外氯离子的存在还能造成钢筋表面的局部酸化，降低PH值，从而进一步促进铁的阳极氧化速度；在钢筋内部存在应力或有外界电流作用时，氯离子将加剧应力或电化学腐蚀。对于沿海地区地下水含碱量较高，对混凝土及钢筋腐蚀性强的问题，我部对桩身质量进行了严格把关。桩身在制作时安排专人与厂家沟通，在制作桩身的混凝土中添加2%-4%的阻锈剂。阻锈剂基于改性氨基醇复合技术，由分散分子、阻锈分子、防腐分子等多种高分子经过科学匹配复合而成。是以离子态或气态吸附到钢筋表面，由于钢筋的电场非常强，因此这些阻锈剂分子是朝向钢筋方向吸附的，到达钢筋表面后即与钢筋反应形成类似铁锈的化学膜，但这一化学膜是相当钝化的，不会象铁锈一样容易溶于水而流失。表面自由焓降低，即降低了溶液的表面张力，使混凝土拌合物在搅拌过程中产生许多微小的封闭气泡，气泡直径和间隔系数大多在200μm以下，从而提高了水泥的保水能力，使混凝土拌合物的泌水性能大为减少。由于气泡的阻隔，使混凝土拌合物中自由水的蒸发路线变得曲折、细小、分散，因而改变了毛细管的数量和特性，使水泥颗粒充分湿润，水泥水化充分，水化产物分布均匀，混凝土内部结构的连续性和均匀性增强，孔径细化，缺陷减少，抑制Cl-的活化作用，从而使氯离子的渗透或扩散作用大大减弱，减缓了造成钢筋锈蚀。4.4桩身端头板防腐处理端头板与连接件一般采用的是铸钢件(ZG270-500)抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=210N／mm2，抗剪fvl=120N／mm2，端面承压fce=325N／mm2，焊条一般采用E43或二氧化碳气体保护焊。端头板属于钢结构的部分，其防腐要求必须符合国标《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046的要求。(1)设计管桩时，适当加厚端头板或机械连接件的厚度，延缓被腐蚀的时间，增加抗腐蚀的能力。钢桩在地面以下处于干湿交替情况下，年腐蚀速率为0.01～0.3mm／年，取0.3mm／年，50年的腐蚀量为15mm，端板锚孔到边沿的尺寸除管径D=300mm为29.5mm，其余均为33.5—34.5mm，有18.5—19.5mm的宽度可承受荷载，尚不至于影响管桩的寿命。减少DP值达到增加端头板的宽度来延缓钢铸件被腐蚀的时间，管桩的力学性能应重新核算。端头板或机械连接件的厚度增加2mm，也是一种延缓被腐蚀时间的方法。(2)施工时，选用封口型桩尖，十字型桩尖或园锥型桩尖，并适当增加厚度，施工时注意将桩尖与端头板焊牢、满焊、不漏焊。为防止雨水和地下水进入管桩孔内，在管桩底部与顶部用填芯混凝土封闭，以减少地下水对管桩特别接头钢构件的侵蚀，增强管桩防腐性能。桩底、顶内孔灌注混凝土的高度，对于弱腐蚀性环境下，不少于2m，对于中等腐蚀环境下，不少于3m，对于强腐蚀或严重腐蚀环境下，不少于桩长的1／3，且不少于5m，封底用的混凝土必须采用无收缩(微膨胀)混凝土，强度等级≥C30。端头板防腐处理5、工艺流程及操作要点：5.1施工工艺流程①确定桩位和沉桩顺序→打桩机就位→吊桩、喂桩→校正→锤击沉桩→接第n根桩→再锤击第n根装、沉桩、送桩→收锤→检查验收→切割桩头→移至下一桩位②确定桩位和沉桩顺序→引孔机就位→钻孔至钻透珊瑚岩→打桩机就位→吊桩、喂桩→校正→锤击沉桩→接第n根桩→再锤击第n根装、沉桩、送桩→收锤→检查验收→切割桩头→移至下一桩位5.1.1定位放线根据已经编号的桩位图纸将各桩位坐标定出并复核，现场控制坐标点制作完毕并保证控制点在现场及打桩施工时不受振动，确保控制点坐标的准确性。根据打桩路线（图-1），利用控制坐标将即将施工的桩位坐标点放样于现场施工场地，在每个桩位中心点上插入短钢筋定位，扎上红色塑料绳，再在钢筋入地点撒生石灰做标记。必须首先经过自检合格，才约请业主代表、现场监理共同核验，核验无误后，由监理工程师与业主代表签认放线报验单。在沉桩过程中，要经常对控制点进行复核，并做好定位记录和技术复核记录。（图-1）桩基施工顺序由中部向边沿打设在沉桩施工期间，控制网点及水准点应定期复核和修正（一般为7天一次），以消除打桩震动及挤土的影响。桩机位移后应尽快第二次复核，保证工程桩位偏差值小于10mm。5.1.2吊桩、桩尖焊接桩机移到指定桩位后，打桩前必须将桩台调平，确保机身稳固垂直，按桩身吊点位置固定吊索，稳当的起吊管桩，待桩吊离地面至垂直后，提升到足够高度，将桩头放入桩机桩帽内确保锤、帽、桩三心对正在一条垂线，帽与桩顶间确保有良好的接触。在吊桩就位对中后，用二个吊线锤检测桩身就位垂直度。桩的外边线应与经纬仪十字丝纵线或吊锤线重合，否则应调整到重合。严格做到打桩锤（夹具中心）、桩帽、桩身中心线在同一铅垂线，防止偏打使桩倾斜与损坏。在沉桩至桩身被土嵌固前必须跟踪监测保持桩身垂直；严禁在桩节下端已入土嵌固状态下再度移动桩机、硬搬上桩端来校正桩的垂直，如发现已嵌固桩身不垂直，应拔起该桩后调整桩机并在桩侧面填木块（条）等纠偏。桩靴分为三种类型（图-1）：A开口平底式、B封底十字刀刃式、C闭口钝圆锥式，本工程选用C型桩靴施工。（图-1）桩靴类型5.1.3沉桩、接桩沉桩时要时刻校正桩身垂直度，边沉桩边校正，以保证桩身垂直度，桩垂直度偏差不得超过0.5%，避免由于桩身倾斜产生管桩损坏。我国生产的预制管桩最普遍的桩长在8～14m之间，本工程设计有效桩长楼座下为35m，车库区域有效桩长为27m，故在施工时需要进行合理的配桩，并接桩。在第一节桩入土一定深度且桩身稳定后按正常锤击速度进行锤击沉桩，第一节桩身锤击至外露长度为50mm～1200mm时停止锤击。吊装第二条桩，在接桩前将上下两条桩端板上的泥土、油污、铁锈用钢丝刷清理干净，坡口处露出金属光泽，对接后若上、下桩接触面不密实，可用不超过5mm的钢片嵌填，达到无缝为止并点焊牢固。固定定位钢板，焊接前随时校正桩身垂直度，上、下桩中心线偏差不大于5mm（图-1），节点弯曲矢高不得大于桩身的0.1%。焊条宜使用E43系列，焊接时应先在坡口周圈对称电焊4～6个焊点，待上下桩固定后再拆除固定板进行焊接，确保焊缝可靠。焊接完毕后应自然冷却5～10min后方可再锤击，严禁浇水冷却焊缝。（图-1）5.1.4送桩本工程在桩基施工时，施工作业面距设计基础底标高还有2m的土层未进行开挖，故桩基施工时需要进行送桩。送桩使用钢管送桩器，长度一般比施工面至桩顶设计标高距离长500mm左右。送桩时，管桩桩顶露出地面高度控制在300mm～500mm，在管桩顶部放置保护桩顶的桩垫，一般为硬木制作，送桩必须连续施打至桩顶设计高程，中途不得中断。5.1.5截桩在管桩施工完毕后，由于地质原因或配桩原因部分管桩桩身高于设计高程，在征得设计同意后，对于高出设计高程的部分进行切除。切除桩头前要在桩身上抄测出设计桩顶标高，切除桩头要用专用切割机切割，严禁在管桩未切断时使用大锤横向敲断或强行拉断。所有桩头在施工完毕后要用沙袋盖住，防止土或杂物掉入管桩内。6.材料与设备：6.1作业条件施工场地已达到“三通一平”，打桩范围内场地平整，基坑内水位在操作面以下50cm，基坑周边已做好坐标控制点以便测定桩位。施工机械：本工程预应力管桩采用锤击法进行施工，为遵循重锤低击原则，分析比较各种型号桩机技术参数：桩锤重量，每次打击能量，每分钟打击次数，作用于桩顶平面最大爆炸力等，选择HD62型桩机进场施工。本工程拟进场机械：HD62型筒式空冷柴油锤击桩机10台，每台桩机配交流电焊机（23KW）3台、全站仪2台（宾得R322N），经纬仪2台（J6）、水准仪2台（DS3）、卷扬机。筒式柴油打桩锤技术参数详见表1。表1筒式柴油打桩锤柴油锤型号62号冲击总质量/t6.2锤体总质量/t12.5～15常用冲程/m1.9～3.6适用管桩规格φ500、φ5500、φ600单桩竖向承载力设设计值适用范范围/KN1800～33000桩尖可进入的岩土土层强风化岩常用控制贯入度//(mm/110击)20～50材料准备：PHCФ500×125（AB）高强预应力钢筋混凝土管桩等，从生产厂家购买运至工地，现场质检人员会同监理人员与业主代表共同验收，现场检查预制桩的桩长、桩径、桩身外观质量（观察桩身是否有断裂、裂缝、夹泥、杂物、空洞、蜂窝、松散等现象），核对管桩设计制作图，并检查管桩生产企业资质审核、混凝土的强度和养护龄期、出厂合格证及强度试验报告、出厂检验报告等，对接桩的焊条、压桩用压力表等材料和设备进行检验。保证每批到场管桩合格，不合格不予接收。项序检查项目允许偏差或允许值值(mm)检查方法主控项目1桩体质量检验设计要求按基桩检测技术规规范2桩位偏差第条尺量检查3承载力设计要求按基桩检测技术规规范一般项目1成品桩外形表面平整，颜色均均匀，掉角深度<lOmmm，蜂窝面积不于总面积00．5％观察检查4成品桩裂缝(收缩缩裂缝或起吊、装运、堆放引引起的裂缝))深度<20mm宽度<0．25mmm横向裂缝不超过边边长的一半用裂缝测定仪测量量（此项地下下水侵蚀地区区，锤击数超超过500击的长长桩不适用）检查测定记录5成品桩尺寸：横载面边长(mmm)桩顶对角线差(rr1ull))桩尖中心线(nll1ll)桩身弯曲矢高桩顶平整度(mmm)mmmmmmmmmm±5<10<10<1／1000LL<2尺量检查尺量检查尺量检查尺量检查（L为两两节桩长）尺量检查尺量检查6电焊接桩：焊缝质质量电焊结束后停歇时时间上下节平面偏差节点弯矩矢高秒表测定尺量检查尺量检查（L为两两节桩长）minmm>1.0<10<1/1000LL7桩顶标高mm±50水准仪8停锤标准设计要求现场实测或检查沉沉桩记录6.4技术准备6.4.1桩基施工方案已经编制完毕并经过业主、监理审批，对现场施工人员进行技术交底；6.4.2现场施工图纸已经确认，并对桩位进行编号；6.4.3在全面打桩之前，选择两条桩对桩竖向承载力进行检测以验证是否能满足设计要求,取得桩基础的各种施工数据。选桩时由甲方、设计单位、监理单位、施工单位共同确定，如检测桩竖向承载力不能满足设计要求，应及时通知设计单位对桩基础进行修改；6.4.4桩身上画出以米为单位的长度标记，以便打桩时控制桩身的入土深度；6.4.5复核桩位：测量人员对照图纸桩位号进行符合、校核，其偏差不得大于20cm。本项目管桩施工过程中很好的控制了各个施工环节，对沿海地区珊瑚岩地质条件的约束进行了仔细分析并提出解决方法，施工进展十分顺利，施工完毕后通过静载试验和低应变检测桩身承载力、桩身完整度全部达到Ⅱ类桩以上，为结构施工创造了良好的基础。通过本项目预应力管桩的施工，总结出一套珊瑚岩地质条件下的施工方法和解决办法，为预应力管桩在沿海地区珊瑚岩地质条件下施工提供了施工经验和依据。7.质量控制：7.1质量通病及预防处理方法桩顶位移或上升涌起（在沉桩过程中，相邻的桩产生横向位移或桩身上涌）。产生原因：①桩入土后，遇到大块珊瑚岩或坚硬障碍物，把桩尖挤向一侧，或因为相邻桩位在锤击的过程中产生挤土效应使珊瑚岩挤压已打好的桩身造成桩偏移或上涌。预防措施及处理方法：施工前使用破碎机对地表珊瑚岩进行破碎处理，对埋于地下的珊瑚岩使用引孔钻机进行钻透破碎，降低珊瑚岩对桩身的影响。②桩身不正直，多节桩施工，相接的两节桩不在同一轴线上，造成歪斜。预防措施及处理方法：施工时检查桩身垂直度，对于桩身不正直的不能使用。③桩打不下或是桩向一侧挤压造成位移和涌起。预防措施及处理方法：是打桩顺序不对，或是桩位排得太紧密造成的。施工时应采用“插桩法”，减少土的挤密及孔隙水压力的上升。④当桩数过多，土体饱和密实，桩间距较小时，在沉桩时土被挤过密而向上隆起，有时使相邻的桩同一起涌起。预防措施及处理方法：位移过大，应拔除，移位再打；位移不大，可用木架顶正，再慢锤打入，障碍物不深，可挖去回填后再打；浮起量大的桩应重新打入。7.1.2桩头被击碎产生原因：桩身在沉桩过程中碰到坚硬的岩石或珊瑚礁盘，造成顶部破裂；预防措施及处理方法：对于有礁盘或岩石的部位进行引孔施工，钻透或破碎岩石，使桩身通过。②设计桩顶的混凝土的强度等级不够，预制桩时混凝土配合比不准确，振捣不密实，养护不良；预防措施及处理方法：加强桩身混凝土质量控制。③施工机具不当，桩锤选用过大或过小，锤击次数过多；桩顶与桩帽接触不平；预防措施及处理方法：合理选用施工机械，根据现场实际情况施工。④沉桩时未加缓冲桩或桩垫不合，落锤太高等原因造成。7.1.3桩急剧下沉（桩下沉速度过快，超过正常值）产生原因：桩身断裂、遇到地下空洞导致桩身急剧下沉。预防措施及处理方法：遇水洞或淤泥层，应试探该地质区域有多大，区域不大时和设计沟通在周围进行补桩。桩身断裂应查明桩是否达到设计强度，桩身是否有缺陷。7.1.4打入桩桩位的允许偏差项目允许偏差（㎜）带有基础梁的桩：：﹙1﹚垂直基础梁梁的中心线﹙22﹚沿基础梁的的中心线100+0.011Ｈ150+0.011Ｈ桩数为１—３根桩桩基中的桩100桩数为４—１６根根桩基中的桩桩1/2桩径或边长长桩数大于１６根桩桩基中的桩：：﹙1﹚最外边的桩桩﹙2﹚中间桩1/3桩径或边长长1/3桩径或边长长8.安全措施：8.1建立以项目经理为组长的安全生产领导小组，形成有效、完善的管理体系。8.2加强对进场职工的安全生产教育，提高自保、互保意识；坚持班前安全会议；提高工地全体职工的安全意识，自觉执行我部制定的各项安全规章制度。8.3在工程施工中，认真执行国家有关施工安全的规定，尤其是现场临时用电的安全措施，配电箱、配电柜必须装漏电保护，设备安全接地；以及有关防雨、防雷、防暑等安全措施。8.4安全用电：电源电线，电动机和闸刀接线正确，绝缘良好，电压偏差不得超过±5%，若两台电动机须同操作时，应隔一定时间再启动。轨道接地电阻不大于10Ω；在挺杆顶部应安装避雷针，大雨、雷电、大雾或六级以上大风时，应停止作业。工作停止时，应将桩锤落到地面上垫好方木，拉开电源闸门，锁好开关箱。8.5实行逐级的安全、技术交底制度。开工前项目负责人要开好首次工地交底会议，实行交代与接受书面签字办法；8.6安全运桩：桩在吊运过程中应轻吊轻放，保持平稳，避免碰撞；桩的运输，陆路宜用平板车，装运时，应把桩扎牢塞紧，防止产生滑动或滚动。采用吊车装卸，平板车运输，由于每节管桩长≤13m，采用两端勾吊吊运（如图所示）：0.207L0.586L0.207L桩运输采用平板车运输PHC桩，设计二个固定架防止PHC桩滚动。运输过程中固定架支点应满足两支点法的位置（支点距离桩端0.207L）处，并垫