陳 可,楊成斌,費廣清,徐紹俊,吳 昊
(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009 2.安徽省建筑科學研究設計院,安徽 合肥 230000)
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預應力混凝土管樁技術發(fā)展展望
陳可1,楊成斌1,費廣清2,徐紹俊1,吳昊1
(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥230009 2.安徽省建筑科學研究設計院,安徽 合肥230000)
摘要:文章介紹了目前建筑行業(yè)出現(xiàn)的新型預應力混凝土管樁出現(xiàn)的新的混凝土摻合料以及超強性能混凝土,為了降低管樁生產(chǎn)成本、保護環(huán)境,我國開始研究和應用免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝,為了提高管樁的工作性能,出現(xiàn)了許多新的施工方法,如引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等。
關鍵詞:管樁;生產(chǎn)工藝;節(jié)能減排;施工技術
0引言
預應力混凝土管樁經(jīng)過20多年的快速發(fā)展,已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應用。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國預應力混凝土管樁的生產(chǎn)廠家已逾600家,分布在全國24個省市自治區(qū)(港澳臺除外),從規(guī)模和產(chǎn)能來說,大部分集中在浙江、江蘇、廣東、山東、福建5省。其中預應力混凝土管樁的產(chǎn)品規(guī)格有:PHC樁和PC樁外徑系列300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 300 mm、1400 mm十個規(guī)格,局部地區(qū)還少量生產(chǎn)350 mm、450 mm和550 mm規(guī)格PHC樁和PC樁;PTC樁外徑系列300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm七個規(guī)格。生產(chǎn)和使用的預應力混凝土管樁單節(jié)長度最長已達56 m[1]。
目前,我國預應力混凝土管樁行業(yè)僅有20多年的發(fā)展歷史,在未來很長一段時期,隨著我國的基礎建設發(fā)展,管樁行業(yè)還會持續(xù)發(fā)展,隨著當今世界對節(jié)能減排、綠色無污染發(fā)展的重視,管樁行業(yè)也會向著更加環(huán)保、節(jié)能、自動化的方向前進,管樁行業(yè)會在優(yōu)化已有技術的同時,開發(fā)出更新的原材料,更先進的生產(chǎn)工藝和施工技術,促進管樁行業(yè)的快速、可持續(xù)發(fā)展。
1預應力混凝土管樁新樁型
1.1大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁
目前預應力混凝土管樁用受力鋼筋主要為pc鋼棒,由于pc鋼棒抗拉強度可達1 422 MPa,且表面有槽痕,能與混凝土有良好的握裹力,焊接性能良好,故在預制混凝土管樁中大量使用,且能滿足大多數(shù)工程要求,但近年來各種大工程大管樁不斷涌現(xiàn),特別是碼頭橋梁等工程,對管樁承載力提出了更高的要求,因此大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁(圖1)應運而生,其受力鋼筋由傳統(tǒng)的pc鋼棒改為抗拉強度為1 570 MPa或1 860 MPa的鋼絞線,克服了普通混凝土管樁的弱點而保留了其優(yōu)點,力學性能有較大的提高,工程性能尤其是韌性和耐錘擊性能也明顯優(yōu)于現(xiàn)有的PHC管樁和大管樁[2],中交第三航務工程局有限公司已對該樁型進行試驗和應用,取得了良好的效果,適合進一步研究和推廣。
圖1 大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁
1.2預應力高強混凝土耐腐蝕管樁
預應力高強混凝土耐腐蝕管樁[3]主要在于所用材料耐腐蝕和適當?shù)姆栏胧?,對于耐腐蝕管樁樁身,可以針對不同的腐蝕介質,使用特制防腐水泥或混凝土,如抗硫酸鹽水泥、水玻璃耐酸混凝土以及硫磺耐酸混凝土等,或摻入高性能耐腐蝕外加劑,或在管樁外表面涂上有機硅混凝土保護劑;對于混凝土內鋼筋,一般是加大混凝土保護層厚度,也可以在不影響鋼筋與混凝土的握裹力和物理力學特性的情況下,涂上鋼筋阻銹劑加以保護[4]。
1.3H型鋼混凝土樁
H型鋼混凝土樁,現(xiàn)在日、韓等國開始大量使用H型鋼混凝土樁,它具有許多普通管樁無法比擬的優(yōu)越性,是傳統(tǒng)的鋼樁與混凝土優(yōu)點較為完美的結合。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和我國國力的日漸雄厚,工程安全可靠性進一步要求我國逐步使用H型鋼混凝土樁;該樁中心是H型鋼,周圍是密實的混凝土,立式分模成型,與芯模振動成型壓力管相似,H型鋼有極好的抗彎性能,是一種極有前途的樁型,適合進一步研發(fā)試用。
1.4異性樁
異性樁是指外形不同,內腔為圓形,同樣是采用離心工藝制作的各型預應力混凝土管樁。如外方內圓的空心樁(圖2),其布筋布置有的是圓形,如美國早期生產(chǎn)的空心樁;也有主筋呈方形布置的空心方樁;還有外形為正八邊形的八角空心樁(圖3);有外方帶槽的內圓空心樁;外形為五、六邊的五角、六角空心管樁;外形為帶肋的竹節(jié)樁(圖4)。以上均屬于異型樁類。
圖2預應力空心方樁圖3八角形樁圖4竹節(jié)樁
1.5復合材料筋與鋼筋的預應力混凝土管樁
玻璃纖維增強塑料(GFRP)是一種由樹脂和玻璃纖維復合組成的新型材料,它相對于普通鋼筋具有防腐性、抗拉強度高、抗沖擊性能好、便于切割及重量輕等顯著優(yōu)點。目前國外已有混凝土結構中使用GFRP筋代替鋼筋應用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭等工程中。
玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預應力混凝土管樁,是采用GFRP筋的配置來改善預應力混凝土管樁的抗彎性能和耐久性,是一種高抗彎性能、耐久性好、抗震性能好、造價低、節(jié)省鋼材、施工和運輸方便以及對水平荷載要求高的區(qū)域的混合配筋預應力混凝土支護樁,具有廣闊的應用前景,是一種極有前途的樁型。
2新材料、工藝及施工技術的研究
隨著我國工程建筑向著超高層、大跨度的方向發(fā)展,已有的技術會被不斷創(chuàng)新和迭代,縱觀我國管樁發(fā)展史,技術創(chuàng)新從未停止,各管樁企業(yè)和科研工作者在理論和實踐的基礎上研發(fā)了許多新的材料、工藝及施工技術,促進了我國管樁行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
2.1新材料的應用
在混凝土管樁中,用摻合料與減水劑雙摻可以提高混凝土的工作性能,縮短混凝土管樁養(yǎng)護時間。常見的混凝土摻合料有磨細砂、礦渣、粉煤灰、硅灰、石灰粉和鋼渣等,目前研發(fā)應用的新型摻合料有很多種,總體向著摻合料細小化的方向發(fā)展,因為細小的摻合料會充填在骨料孔隙中,減少孔隙水含量,從而減少用水量,而且摻合料顆粒越細小,比表面積就越大,與水泥中化學物質之間的分子力越大,能吸附大量的化學物質,從而大大促進混凝土的水化作用,提高混凝土管樁性能。目前新型的摻合料有磨細石灰石粉、超細粉煤灰、納米CaCO3,王充總結了超細礦物摻合料與減水劑共同作用下的機理,他認為超細礦物摻合料具有“微集料效應”“形貌效應”“比重效應”以及“分散效應”[5]。
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete UHPC)是一種力學性能好、韌性高、耐久性好、穩(wěn)定性強的新型混凝土材料,它的基本配制原理是:不使用粗骨料,細骨料的最大粒徑不超過300微米[6],加入水泥、高效減水劑、超細粉煤灰等超細礦物摻合料以及微細鋼纖維,UHPC是法國Bouygues公司Richardt等人于1993年研制出來的,覃祖于1998年首次把UHPC相關理論引入中國進行研究,由于缺乏相關規(guī)范指導,而且價格昂貴,目前國內超高性能混凝土還停留在理論研究和試驗性工程,并未應用于實際工程,國外也僅有少量工程應用,UHPC以其超強的力學性能和耐久性,應用前景非常樂觀。
2.2免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝
隨著我國社會的發(fā)展,對環(huán)境保護和生產(chǎn)成本的要求越來越高,PHC管樁生產(chǎn)工藝的缺點也就日益突出,成為擺在人們面前亟待解決的問題。近幾年我國很多人開始研究免蒸壓養(yǎng)護的技術,它用蒸汽養(yǎng)護-自然養(yǎng)護來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護-蒸壓養(yǎng)護,通過添加高強摻合料和高效減水劑,使管樁在蒸汽養(yǎng)護階段就達到較高強度,再在自然養(yǎng)護的條件下使管樁強度達到C80的強度要求。日本在免蒸壓預應力高強混凝土管樁方面的研究已有40多年的歷史,目前已經(jīng)形成一套完善的免蒸壓法生產(chǎn)技術,總結起來有四條:① 提高水泥漿體的強度。② 改善骨料強度。③ 改善水泥漿和骨料表面的粘結強度。④ 改善拘束條件下的強度[7]。日本目前利用免蒸壓技術已經(jīng)能夠生產(chǎn)出C80、C105和C123等級的高強度PHC管樁。
2.3新型施工技術
預應力混凝土管樁最常用的施工方法是靜壓法和錘擊法,但這兩種方法都存在一定的弊端,兩種方法都存在擠土效應,導致臨近樁身發(fā)生偏斜、上抬,甚至斷裂。
(1) 引孔靜壓法。引孔靜壓法是鉆孔法與靜壓法相結合的新型施工方法,其先用鉆機鉆一個孔徑略小于管樁直徑的鉆孔,以小于管樁直徑20~50 mm為宜,鉆孔深度以小于樁底設計標高以上0.5~1.0 m為宜[8],然后用靜壓法或抱壓式靜力沉樁機將管樁壓至設計標高。該方法大大減小了土體的擠土效應,充分發(fā)揮了管樁的樁身極限承載力,而且顯著提高了管樁的打入深度,擴大了其適用范圍。
(2) 靜鉆根植法。靜鉆根植法是先用螺旋鉆機鉆出一個比管樁直徑稍大的鉆孔,鉆至管樁設計深度后注入樁端水泥漿,然后邊提鉆邊注入樁周水泥漿,并攪拌均勻,完成后再進行植樁工作,利用樁身自重將管樁植入孔中。這種施工方法也克服了擠土效應,而且其側摩阻力的發(fā)揮是由樁周水泥與土體提供的,比樁-土的側摩阻效果更好,與相同條件下的鉆孔灌注樁相比,其側摩阻力提高了5%~10%,工程造價減少了10%左右[9]。
(3) 中掘法。中掘法又叫隨鉆跟管法,是將螺旋鉆機鉆桿套在管樁中,鉆孔直徑與管樁內徑相同,在鉆進的過程中用抱壓沉樁機將管樁同步下壓,鉆至設計深度后在樁底擴孔灌水泥漿,以提高樁端承載力,同時管樁也植入到位。這種方法將鉆孔、沉樁、注漿等施工流程無縫地連接了起來,提高了工作效率。
3結束語
(1) 隨著我國預應力混凝土管樁的應用越來越廣泛,新的樁型就應運而生,這些新樁型具有明顯的優(yōu)點和廣泛的適用范圍。
(2) 新樁型離不開新材料,由于超細礦物摻合料顆粒細小,比表面積大,與減水劑雙摻使用,能夠有效減少單位體積混凝土用水量,減少水泥用量,增加混凝土漿體和易性,提高混凝土的工作性能。
(3) 免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝用蒸汽養(yǎng)護-自然養(yǎng)護來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護-蒸壓養(yǎng)護,能夠有效節(jié)約資源,降低生產(chǎn)成本。
(4) 引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等新的施工方法與傳統(tǒng)的施工相比,具有污染小、施工快、適用范圍廣、對管樁承載力影響小、施工效率高等優(yōu)點,具有很高的推廣價值。
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收稿日期:2016-03-21;修改日期:2016-03-25
作者簡介:陳可(1992-),男,河南開封人,合肥工業(yè)大學碩士研究生; 楊成斌(1962-),男,安徽滁州人,碩士,合肥工業(yè)大學教授級高工.
中圖分類號:TU473.13
文獻標識碼:A
文章編號:1673-5781(2016)02-0230-03