深厚软土地基桩基工程应用中的相关问题研究
杭州结构与地基处理研究会、浙江大学建筑工程学院
浙江天海管桩有限公司
1.1 总体目标
针对传统管桩的缺点,按照“坚固、防腐、创新、节能、节源、环保”的理念,通过技术开发、生产工艺研究、工程应用研究,开发出机械连接增强型管桩,形成成套生产工艺及技术标准;提出一种新型的、可靠的、施工快速的管桩机械连接接头;通过室内试验,研究机械连接增强型管桩和新型机械连接接头的耐久性;通过沿海软土地区的工程应用研究,分析机械连接增强型管桩在受压和抗拔荷载作用的荷载传递机理,提出设计计算公式。
1.2 具体考核技术指标
(1)优化桩身结构,开发机械连接增强型管桩的成套生产技术。
(2)形成成熟的机械连接增强型管桩的生产线,并提出成套质量控制设备和技术标准。
(3)提出沿海软土地区增强型管桩承载特性,提出设计计算公式。
(4)中试管桩10根。与传统预应力管桩相比,机械连接增强型管桩的抗压和抗拔承载力分别提高20%~30%以上,制作成本降低10%以上。
(5)制定国家(或省)标准1个。
(6)申请专利2项,其中发明专利2项。
1.3 主要研究内容
(1)通过管桩桩身结构优化,开发带有纵、横向肋的机械连接增强型管桩,形成成套生产工艺及技术标准;
(2)提出一种新型的、可靠的、施工快速的管桩机械连接接头;
(3)通过室内试验,研究机械连接增强型管桩及新型机械连接接头的耐久性能;
(4)通过沿海软土地区的工程应用研究,分析机械连接增强型管桩在受压和抗拔荷载作用下的荷载传递机理,提出设计计算公式。
1.4 关键技术
(1)机械连接增强型管桩成套生产工艺开发
机械连接增强型管桩是在传统先张法预应力混凝土管桩的基础之上进行优化改良。针对传统管桩桩侧摩阻力较小和端板连接的缺陷,在离心桩的外表面设计数条纵向肋及环向肋,取消传统管桩两端的端板,同时开发机械快速连接装置(连接件)代替端板。在制作安装上更加便捷,对桩端的质量有了有效的保证;在接桩过程中无须电焊焊接,直接采用直插扣接的方式进行连接,加快了施工进度,保证了施工质量。同时在接桩端面安放特制的密封材料,杜绝了与连接件的接触,提高了桩的耐久性。因此,机械连接增强型管桩成套生产工艺开发是本项目研究的关键技术问题之一。
与传统的管桩相比,机械连接增强型管桩的截面形状有很大不同,造成机械连接增强型管桩的受压和抗拔承载性状与传统管桩有较大区别。因此需要通过现场静载荷试验,研究机械连接增强型管桩受压和抗拔荷载作用下桩的承载性状;通过数值分析,研究环状凸肋直径、环状凸肋间距、环状凸肋下部宽度等对机械连接增强型管桩承载性状的影响;提出沿海软土地区机械连接增强型管桩承载力计算公式。因此,机械连接增强型管桩的承载性状是本项目开展和技术推广的关键技术问题之二。
第二部分 项目实施进展与下步工作计划
2.1 已经完成的工作
根据项目合同中的主要研究内容、攻关目标和进度计划安排,自2015年11月,已经开展并完成的主要工作有:
(1)根据项目开展情况,细化并调整了研究进度安排,明确并落实了各参与单位的工作任务。
(2)查阅大量国内外文献,详细分析传统管桩施工工艺、承载性状及耐久性方面的研究现状和发展趋势。
(3)针对传统管桩在工程应用和制作工艺上的缺点,对管桩截面形状进行优化设计,开发有纵向肋和环向肋的凹凸型管桩,即机械连接增强型管桩。并制定机械连接增强型管桩生产工艺流程。
(4)申报发明专利1项。
(5)完成国家标准《先张法预应力离心混凝土异型桩》(送审稿)1部。
(6)初步制定机械连接增强型管桩耐久性试验方案,具体如下。
机械连接增强型管桩耐久性试验方案:
为验证机械连接增强型管桩在施工工艺、连接性能、工作性能等方面的优越性,拟开展机械连接增强型管桩和传统管桩耐久性能的对比试验。
(1)试验内容
Ø 通过加速腐蚀试验对机械连接增强型管桩与先张法预应力混凝土管桩进行加速劣化试验;
Ø 对劣化后的机械连接增强型管桩与先张法预应力混凝土管桩抗拉性能进行试验研究;
Ø 对劣化后的机械连接增强型管桩与先张法预应力混凝土管桩抗剪性能进行试验研究。
(1) 试验材料
1)抗拉试验
普通先张法预应力混凝土管桩混凝土和钢筋:
采用配合比为:水泥:水:砂子:外加剂=1:0.3:1.8:2.47:0.018,混凝土强度为C60。
采用7ΦD7.1,单根钢筋抗拉强度为1420MPa,单根钢筋公称截面积为40mm2。
机械连接增强型管桩混凝土和钢筋:
采用配合比为:水泥:水:砂子:外加剂=1:0.31:1.73:2.36:0.019,混凝土强度为C65。
采用7ΦD7.1,单根钢筋抗拉强度为1420MPa,单根钢筋公称截面积为40mm2。
2)抗剪试验
普通先张法预应力混凝土管桩混凝土和钢筋:
采用配合比为:水泥:水:砂子:外加剂=1:0.3:1.8:2.47:0.018,混凝土强度为C60。
采用10ΦD9.0,单根钢筋抗拉强度为1420MPa,单根钢筋公称截面积为64mm2。
机械连接增强型管桩混凝土和钢筋:
采用配合比为:水泥:水:砂子:外加剂=1:0.31:1.73:2.36:0.019,混凝土强度为C65。
采用10ΦD9.0,单根钢筋抗拉强度为1420MPa,单根钢筋公称截面积为64mm2。
(2) 加速劣化试验方案
将管桩放入水池中,并用浓度为5%的NaCl溶液将管桩浸泡10天后,将管桩中引出的导线与直流电源正极相连,另取一块不锈钢放置于水池中,并与电源负极连接,打开直流电源进行通电加速腐蚀试验,见图2.1所示。
(3)抗拉强度试验
抗拉强度试验方案见图2所示。
图2.1 加速劣化试验方案
图2.2 抗拉强度试验方案
(4)抗剪强度试验方案
管桩抗剪强度试验方案见图3所示。
图2.3 管桩抗剪强度试验加载方案
2.2 2015年下半年重点工作内容
按照项目工作进度计划,在2015年下半年主要开展以下工作:
(1)提出一种新型的管桩机械连接方式;
(2)开展机械连接增强型管桩耐久性能的研究;
(3)开展传统管桩和机械连接增强型管桩工程试桩资料对比分析,并制定制定科研性试桩方案。
3.1国内外技术发展现状、趋势
3.1.1发展现状
1915年,澳大利亚人W. R. Hutne发明了用离心密实混凝土的成型方法,很快用来制造环形管桩、圆锥形桩、竹节形桩及各种管子和混凝土电杆。1949年美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。日本、美国、加拿大、意大利、英国、荷兰、德国、新西兰、俄罗斯是研究、生产、使用混凝土桩较多的国家。80年代末起,发展中国家,如中国、马来西亚、菲律宾对预应力混凝土管桩的生产应用也逐渐得到普及。总的来看日本对管桩的研究、设计、施工、应用较多,是世界上管桩技术领先的国家,1925年日本引进了离心法制作技术用于钢筋混凝土管桩,1934年开始制造离心混凝土管桩(RC 管桩)。开发初期用先张法和后张法同时生产 PC 桩,后来以先张法生产工艺为主。1963年开发了预应力混凝土管桩(PC 管桩)。1968年制定了JISA5335《先张法离心预应力混凝土管桩》标准。异型预应力钢筋( VLBON)的开发应用进一步促进了 PC 管桩的发展,1970年又开发了预应力离心高强混凝土管桩(PHC 桩),并在1982年制定了JISA 5337《先张法离心高强度混凝上》标准,并于 1993 年对该标准进行了修订。1985年日本已形成工业化生产的直径1000~1500mm,长15~20m,混凝土强度C50、C80的钢管混凝土桩,成型方法多是离心法。70年代日本还研制开发了加压成型的非蒸压养护的三种预应力高强混凝土板桩,并统一列于日本的PHC标准中(JISA5337)。这种板桩与钢板桩相比,可节约大量的钢材,还具有较好的耐久性。同时期,前苏联也研究与使用了钢纤维钢筋混凝土桩。试验表明,掺有钢纤维的桩头比一般混凝土桩头的抗冲击能力提高2.7~8.3倍,比钢筋混凝土桩提高1~4倍。
1944年,我国铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径400mm钢筋混凝土离心管桩(RC管桩),该厂又于1966年开始研制用高强钢丝为主筋制造直径 550mm的预应力混凝土管桩,获得成功并生产至今。20世纪60年代我国研制PC管桩,并于1969年开始批量生产,70年代研制后张法预应力悬滚离心混凝上管桩(雷蒙特桩)。80年代以来,我国开始研制PHC管桩。1984年广东省构件公司与广东省基础公司、广东省建筑科学研究所合作首先研制现代形式的预应力混凝土管桩(以往是法兰接口,现为焊接驳接),并于1987年通过广东省建委组织的技术鉴定。1987年上海交通部第三航务工程局混凝上预制品厂从日本引进了 PHC管桩的制造技术和设备,开始用于码头等水上工程。同时广东省有的厂家参照英国BS标准和日本JIS标准,主要生产设备从国外引进,软件以国内为主开发了PHC管桩。我国于1992年制定国家标准《先张法预应力混凝上管桩》(GB 13476-1992)。建设部自1993年起,已将高强度预应力混凝土管桩列入重点推广项目。1994年成立中国水泥制品工业协会预制混凝土桩专业委员会,现已有会员100个,并办有《预制混凝土桩》专业刊物。根据行业的发展,分别于 1998年、2000年对该标准进行了修订,形成《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476- 1999)国家标准。1991年广东省建委便组织制定了省标《建筑地基基础施工及验收规程》DBJ15-201-91,将预应力混凝土管桩编入标准内。1985年又组织了有关科研、设计、管桩厂及施工单位编写了《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ/T15-22-98)。宁波市城乡建委于1992年组织编制了 NGT-1-92《宁波市结构设计通用图集-薄壁预应力混凝土管桩》,后来又做了修订补充工作,新编了DBJ02-10-99《先张法预应力混凝土管桩》设计通用图集。2001 年国家经贸委发布了《先张法预应力混凝土薄壁管桩》(JC888-2001)行业标准。2010年《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-2009开始实施,同时出台了相应的国家建筑标准设计图集10G409。2010年浙江省也出台了《先张法预应力混凝土管桩》-2010浙G22建筑设计标准图集。同时福建省、江苏省都先后出台了最新的建筑设计标准和图集。
3.1.2发展趋势
我国大规模生产预应力混凝土管桩已经有20多年了,无论是管桩生产装备和施工装备,我国已经完全实现国产化,部分设备如管桩骨架焊接机、PC钢棒镦头机、离心机、管桩静压桩机等已经出口东南亚等国家及地区,设备的技术水平和生产能力达到了国际先进水平。
预应力管桩发展迅速,是因为和其他桩型相比,其具有很多明显的优点。首先,管桩由工厂化生产,桩身强度高,产品质量稳定,耐打性能好,比较适合用作摩擦端承桩和端承摩擦桩;其次,管桩基础施工速度快、周期短,施工中无泥浆污染,综合经济性价比高。然而,在深厚软土地区,管桩的生产和应用上还存在许多问题,影响了管桩的进一步推广和应用,主要有:
(1)软土地区桩侧摩阻力值较低,单桩承载力不高。一般来讲,受桩长径比的限制,不能通过一味地增加桩长来提高单桩承载力。在桩穿越深厚软土层的过程中,存在挤土效应,软土的强度明显减低,而且传统的管桩桩身相对较光滑。加上深厚软土中桩承载性状以摩擦型为主,桩端阻力较低。因此如何设计合适的桩身截面和形状,有效提高桩侧摩阻力和单桩承载力是管桩生产企业、设计、施工单位共同关心的热点问题。
(2)管桩的连接方式有待改善。传统的管桩两端采用端板和桩套箍,生产过程中操作工的工作量较大,而且张拉时易出现偏差。在管桩传统的施工过程中,管桩接桩采用电焊连接,此方法不仅费电、费人工,而且焊接时由于高温造成端板本身的材质发生改变、墩头强度降低、桩体易断筋,特别是防腐性能大大降低。因此,开发一种新型的管桩连接方式,有利于提高管桩施工质量和施工速度,改善管桩接头的耐久性,是影响管桩推广和应用的关键技术问题。
(3)管桩的抗弯抗拉性能有待提高。传统的管桩主要承受竖向受压荷载,在软土地区许多工程应用过程中,管桩施工过程中会出现桩身倾斜、桩身上浮、断桩等工程事故,其原因是管桩抗弯抗拉性能不高,影响管桩的应用。近十年来,宁波地区大量出现基坑工程,基坑工程的特点是风险大、施工速度要快,若管桩的抗弯性能满足要求,管桩的应用范围会得到进一步推广。
随着城市建设规模的不断扩大和海洋工程的飞速发展,地下空间逐渐被利用开发,具有抗拔要求的建(构)筑物日益增多,工程的抗拔(浮)问题也日趋显著。抗拔桩的应用越来越广泛。若提高管桩的抗拔性能能够得到提高,大大有利于管桩的推广应用。
(4)管桩的耐久性能需要得到改善。在沿海深厚软土地区,管桩经常在腐蚀性介质地质中得到应用,存在安全隐患。由于管桩标准中没有对管桩的地质条件作具体的技术性规定,人员通常认为离心混凝土管桩的密实度好、混凝土强度高,管桩的耐久性可以满足腐蚀性介质的要求。设计人员很少考虑在腐蚀性条件桩使用的具体要求,从而造成管桩工程安全性存在隐患。因此,开展新型管桩耐久性问题的研究,有利于提高管桩工程应用的安全性,具有显著的工程价值和经济效益。
为了有效的解决预应力管桩存在的问题,扬长避短,国内外的一些专家对预应力管桩作了不同的改进,开启了新桩管型发展的新局面。1992年,我国学者引进新型节桩,并在日本株式会社武智工务所的协作下,冶金部建筑研究院和天津市建筑设计院结合天津某工程对节桩和传统混凝土预制管桩进行现场静载对比试验,并对该节桩的承载性状进行了分析研究。
浙江省温州市建筑设计研究院发明了扩大头带肋管桩是一种桩头扩大、桩侧灌砂的预应力管桩,沿桩轴一定间隔设置翼板,于2003年申请了国家专利。蒋元海(2003)在桩体内沿轴向设加强筋,且沿桩长相间隔地设有径向变大的竹节状凸肋,于同年申请了国家专利,并于2007年开始小批量生产。
同时,国内外学者对新型管桩和传统管桩的承载性状进行了大量的比较研究。Yamagata等(1982)通过模型试验得到了竹节桩的摩阻力及竖向静载试验数据。Ogura等(1988)通过足尺模型试验,证实了承载力的提高归功于节部的作用,并利用弹性理论得到了荷载-沉降曲线和轴力分布图。
徐攸在(1991)和史玉良(1992)通过天津软粘土中的现场静载试验研究,得到竹节管桩和普通管桩的桩侧摩阻力分布曲线及桩顶、桩端的荷载-沉降关系曲线。试验结果表明竹节桩的桩侧摩阻力可以提高50%,极限承载力约为其他桩的1.5~2.5倍。认为竹节桩适合于摩擦桩,对抗震有利。
S. Yabuuchi & H. Hirayama(1993)进行了砂土中七根不同节点数目的节桩室内竖向抗压模型试验。试验证明,极限承载力对应的沉降值与节间距和地质条件有关,所设节部对桩侧摩阻力的发挥具有很大的贡献,桩端附近所设的节部可以作为桩端的一部分承担桩端阻力。相同的外径,竹节桩的抗压和抗拔承载力都要优于普通的管桩。
冯忠居(2002)在室内进行了扩大头带肋(翼板)填砂预应力管桩的模拟试验。由于对预应力混凝土的桩侧和桩端采用压浆技术,会在桩侧和桩端形成一层硬壳层,强化了桩侧和桩端土的强度特性,使桩与桩侧介质间的剪切滑移发生在压浆混凝土与桩侧土介质之间,相当于增加了有效桩径,进而提高了桩的总侧阻力;桩端土层的强化,使桩端阻力大大提高。
黄敏(2005)在温州进行了带翼板预应力混凝土管桩和普通管桩的静荷载试验,得到带翼板预应力混凝土管桩受荷时的桩身轴向力、桩侧摩阻力及桩身位移等资料。并且建立了带翼板预应力管桩的承载力设计值简化计算公式。
Daisuke Shoda(2007)进行了竹节桩、普通管桩及 MS 桩(施工现场采用带有多个旋转页片的钻杆将土与水泥浆混合,形成沿桩身一定间距带有凸肋和凹肋的圆柱形桩)分别在硅砂和风化花岗岩地质中,不同入土深度的模型试验,阐明了MS桩的承载机理。试验中改变 MS 桩的两种直径的长度比例,得到 MS 桩的凹部桩身的长短不同,承载机理也不尽相同。
因此,为了解决传统先张法预应力混凝土管桩生产和施工过程中的缺点,坚持“坚固、防腐、创新、节能、节源、环保”的理念,节省管桩生产制作成本、提高单桩承载力、增强沿海软土地区管桩的耐久性,本项目拟提出一种改良创新的桩型——机械连接增强型管桩,开发其成套生产技术和设备,形成成套生产工艺以及质量控制标准;分析机械连接增强型管桩作为抗压桩和抗拔桩的荷载传递机理,提出设计计算公式;开发一种新型的、可靠的、现场可快速施工的管桩机械连接接头;开展机械连接增强型管桩的耐久性研究,研究成果具有非常显著的经济效益和社会效益。
3.2机械连接增强型管桩工艺研发
近年来,随着经济发展和城镇化进程的推进,工业与民用建筑、公路、桥梁、码头、军事设施等进行大规模的建设,桩基础得到了广泛的应用。而预应力管桩由于质量容易保证、施工快、周期短等特点,应用范围越来越广。
根据浙江省监督局于2006年5月份对33家先张法预应力混凝土管桩企业进行检查时发现其中符合标准要求的企业仅为9%。激烈的市场竞争必然会带动市场价格竞争,必定会有一部分企业走向偷工减料的歪道,从而助长了安全隐患。因此,在传统预应力管桩的基础上进行制作工艺的改进,能保证管桩的制作质量和施工质量,有利于降低工程造价,从而提高建(构)构筑物的安全性。
3.2.1 传统预应力管桩工艺的不足
二十世纪五十年代的先张法预应力混凝土管桩两端的端板及桩套箍是必不可少的桩身关键部位。从制作的角度来讲:端板主要是起到张拉锚固的作用,而桩套箍主要是起到制止混凝土在高速离心时漏浆的作用。从施工的角度来讲:端板主要是起到使上下桩焊接连为一体、同时扩充桩端面的作用。
先张法预应力混凝土管桩两端的端板及桩套箍在管桩制作上与施工上存在很多弊病。从制作角度分析存在以下缺陷:
(1)生产操作工在装端板时必须将钢筋笼端部200-300mm的螺旋筋全部撬散才能装上端板。同时还必须将主筋镦头敲到端板镦头孔内,大大加大了操作工的工作量。
(2)为了装端板而撬散的螺旋筋即使用扎丝经过绑扎后在混凝土布料时,混凝土会对螺旋筋产生一种压力及阻力,张拉后主筋延长,但不能带动螺旋筋移动,造成距端部200-300mm无螺旋筋现象。在以往的工程施工中很大一部分桩帽被打碎都是由此引起。
(3)由于端板上的张拉螺丝孔与镦头孔位置不在同一部位,造成张拉时张拉力与主筋受力不在一条直线上。
(4)端板在制作过程中无论螺丝孔距还是丝牙的尺寸时常出现偏差,造成端板安装困难、甚至无法安装。张拉时时常丝牙拉滑,造成管桩报废。
(5)钢筋笼在制作过程中钢筋下料及镦头尺寸误差得到有效的控制。造成管桩张拉时脱头,断筋时有发生。一旦一根主筋断就会造成张拉板丝杆以及端板变形,直至造成管桩端面倾斜,使管桩在施工时端面偏心受力,带来不利的后果。
(6)在混凝土布料时由于桩套箍的原因,桩端200mm内混凝土无法放到位,必须要采用人工用钢筋撬到位。造成桩端部混凝土级配发生变化,降低了混凝土自身强度。
(7)桩端板及桩套箍暴露在外,经过雨水冲刷及空气氧化反应后造成锈蚀。影响桩的外观质量。无法直观的观察到桩端面混凝土的密实度。
从施工角度分析存在以下不足:
(1)上下桩在接桩上必须在端板口处采用三次满焊,大大延长工作时间、加大工作量。同时焊接质量无法保证,如果遇到雨天或地下水位高的地块,由于冷却不到位,造成水淬火现象,影响管桩接头质量。
(2)由于端板易绣蚀无法保证焊接质量。从环保的角度上为讲,施工时焊接对环境及操作工身体有着不利的影响。
3.2.2 机械连接增强型管桩的研发
项目组通过调查研究,对传统管桩施工工艺进行改进和优化,研发出机械连接增强型管桩。从应用上机械连接增强型管桩具备先张法预应力混凝土管桩质量容易保证、施工速度快等特点,同时也进一步完善了先张法预应力混凝土管桩在制作、施工上以及质量上的不足之处,见下图所示。
机械连接增强型管桩是一种无端板及桩套箍,桩身有四条纵向肋及数条环向肋的凹凸型管桩。它解决了先张法预应力混凝土管桩在制作上及施工上的繁琐问题。同时在制作上机械连接增强型管桩采用张拉连接螺帽,保证主筋与张拉板、固定板之间的连接。在桩端部加一条40mm宽的桩套箍,并在离桩端5mm处设一条防漏浆槽。施工上采用卡片、弹簧、中间螺帽、插杆、垫片连接组成的连接装置,来保证上下桩的垂直连接为一体,做到了桩面与桩面的直接接触,更有利于上下节桩在沉桩施工时,力的直接传递。
图3.1 机械连接增强型管桩
机械连接增强型管桩研发过程:
(1)取消管桩端板
为了解决先张法预应力混凝土管桩的弊病,经过长期的研究与实践,将管桩及桩套箍摘除,采用由R3钢制成的连接装置及40mm宽的施工防护套代替端板及桩套箍。连接装置主要由大小连接套、插杆、卡片、卡簧、中间螺帽组成。由于在施工接桩时,中间螺帽、卡片、卡簧全部安放在大连接套中,插杆安装在小螺帽上,安装时采用上顶下扣方式对接。桩端面螺丝孔的间距误差控制在0.2mm范围内。
(2)调整离心制作工艺
由于R3钢制成的连接装置体积过大,使得大小连接套在桩端面所占的面积过大。特别是薄壁桩,桩端壁厚乎被连接套所占据,减小了桩端面混凝土面积,在施工过程对桩的竖向承载力有很大的不利。由于要改变桩型,必须在模具内安放衬板,为了保证桩身壁厚,必须将桩端部壁厚增大。桩身由原来的螺旋型变为凹凸形,并在两侧加两面两条纵向肋。由此增加了离心桩自身的磨擦力及管桩的抗弯性能。由于管桩形状发生变化,模具空间相对变小,对离心的要求更高,经过计算与多次试验,我们将离心制度进行了调整,将离心时间由原来的13分钟延长到16分钟,就解决了问题。
(3)斜坡式的环向肋的设计和调整
若环向肋与桩身成直角,经过张拉,离心蒸养后,管桩在放张时桩身产生预应力,使得桩身回缩,造成管桩环向肋与模具卡死,无法正常脱模。即使脱模对桩身也产生了破坏,天海针对环向肋进行了改良,由原来的直角改为斜坡式,才真正解决了脱模困难的问题。
(4)机械连接增强型管桩外向肋优化调整
为了增加桩的抗弯性能,坚固桩的整体结构,对原有模具进行调整,将桩的纵向肋由原来的二条增加到四条,同时考虑到连接装置的成本及对桩身质量的不利影响后,改为用45号钢冷镦制作,制作出来的装置经试验唯有Φ7.1的合格,Φ9.0、Φ10.7及Φ12.6的连接装置强度不能达到设计要求。同时项目组自制了一套加工内衬板模具的设备,加快模具改造的速度。经过工程应用,发现在施工中连接装置的安装精度要求过高,很容易造成有接头不正常连接的现象。经过大量的试验,最后将原来的连接装置进行了改良,主要由插杆、卡片、中间螺帽、弹簧、垫片、大小连接螺帽组成。改变了由原来精度0.2毫米到现在的4毫米,更加确保了上下桩的连接质量。
机械连接增强型管桩解决了先张法预应力混凝土管桩的诸多缺点:
(1)操作工在装端板时无须撬散螺旋筋,直接可接安装张拉板及固定 板,大大节约工作时间和降低了操作工的劳动强度,并提高生产力。
(2)张拉螺丝直接固定在主筋镦头上的连接套上,在张拉工艺上能够保证主筋与张拉力在同一条直线上。
(3)机械连接增强型管桩的张拉螺丝无需与混凝土直接接触,拆除要轻松的多,也可以延长张拉螺丝的使用寿命。
(4)机械连接增强型管桩张拉锚固装置采用外圆扣拉方式,解决了由于主筋断造成张拉板及丝杆变形的难题。
(5)在混凝土布料时,由于采用无端板,端部不需要撬散螺旋筋,布料可直接到位更能保证产品质量。桩在施工过程中,可以大大降低桩帽的破损率。
(6)可以直观的观察到桩端面混凝土的密实程度。
从现场施工角度来看,采用机械连接增强型管桩,可以大大提高施工速度,提高施工质量。
(1)上下接桩可直接采用上下连接装置对接,只须一个人指挥插入即可,大大减少了接桩时间,同时无须电焊焊接,无须焊接技术工,可做到无污染。
(2)在上下桩连接装置采用镀达克罗,并在接桩时,在下节桩的端面安放密封材料(环氧树脂、无水乙二胺、二丁脂、丙酮等混合材料组成),待连接后可杜绝水和空气进入接头,起到了接头防腐蚀作用。
(3)机械连接增强型管桩端部加厚Φ800-700以下桩身增加四条纵向加强肋,一米间距一条环向肋,大大的加强了管桩端部承载力,提高管桩侧摩阻力。
3.2.3 生产工艺流程
机械连接增强型管桩的生产工艺流程见图3.2所示。
图3.2 生产工艺流程
3.2.4 机械连接增强型管桩试验研究
为突出机械连接增强型管桩的优势,对研发的机械连接增强型管桩进行室内抗拉、抗弯及抗剪试验,通过试验数据表明机械连接增强型管桩结构性能各项指标都达到了设计要求。
机械连接增强型管桩规格为:TPC-A500-460(100)、TPC-AB500-460(100)、TPC-A500-460(110)、TPC-AB500-460(110)、TPC-500-460(65)、TPC-400-370(60)、TPC-A400-370(80)、TPC-AB400-370(80)。试验结果见表1所示。试验结果表明各项指标都超过了设计值的要求。抗剪试验中抗剪值达到设计值的120%(未破坏)。抗拉试验中抗拉值达到设计值的123%。
表3.1 机械连接增强型管桩室内强度试验结果
规格 | 抗弯 | 抗剪 | 抗拉 | |||
设计值 kN.m | 试验值 kN.m | 设计值 kN | 试验值 kN | 设计值 kN | 试验值 kN | |
PTC-400-370(60) | 抗裂:33 极限:48 | 抗裂:40/36 极限:57/57 | - | - | - | - |
- | - | |||||
PC-A400-370(80) | 抗裂:43 极限:70 | 抗裂:53/56 极限:89/93 | - | - | - | - |
PC-AB400-370(80) | 抗裂:50 极限:95 | 抗裂:69/67 极限:11/117 | - | - | - | - |
PTC-500-460(65) | 抗裂:58 极限:86 | 抗裂:63/77 极限:90/92 |
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PC-A500-460(100) |
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| ≥186 | >223 |
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PC-A500-460(100) |
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| ≥613 | >753但<794 |
>836但<878 | ||||||
PC-A500-460(100) | 抗裂:77 极限:115 | 抗裂:86/88 极限:40/140 |
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PC-AB500-460(100) | 抗裂:93 极限:172 | 抗裂:11/124 极限:91/200 |
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PC-AB500-460(110) | 抗裂:94 极限:170 | 抗裂:17/106 极限:97/197 |
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机械连接增强型管桩与先张法预应力混凝土管桩相比在直接成本上预计可节约20-30%,因此具有显著地经济效益和社会效益。我们相信机械连接增强型管桩凭着自身的优势很快会被土建市场所认同,特别是在软土地区,机械连接增强型管桩能有效提高桩基承载力。若由Φ400-370增强型管桩代替Φ500的管桩,在承载力满足的前提下,可大大节约工程投资。因此,将机械连接增强型管桩推向广大市场,能为社会节能减排作出自己的贡献,并能实现“坚固、创新、节能、节源、环保”的理念。
3.2.5 社会经济效益分析
机械连接增强型管桩连接件与先张法预应力混凝土管桩端板钢材消耗对比见表3.2所示。
表3.2 增强型预应力混凝土管桩连接件与传统管桩端板钢材消耗对比
规格 | 连接件或端板 | 节约钢材 | 年节约钢材 | 制造价 | 成本节约 | 年成本节约 |
PTC-400-340(60)-10 | 0.9639kg | 95.5% | 128万吨 | 9.624元 | 91.104% | 64亿 |
PC-400(60)-10 | 21.4776kg | 107.388元 | ||||
PC-A500-430(100)-10 | 1.2524kg | 97.25% | 12.524元 | 94.5% | ||
PC-A500(100)-10 | 45.53kg | 227.65元 | ||||
PHC-AB600-520(110)-10 | 1.5678kg | 97.63% | 15.678元 | 95.26% | ||
PHC-AB-600(110)-10 | 66.09kg | 330.45元 | ||||
注:连接件材料采用冷镦,成本按10000元/吨计算,端班加工费及成本按5000元/吨计算。按年均生产3亿米管桩进行计算,如全部采用无端板年均能节约钢材128万吨,节约成本64亿元。 |
机械连接增强型管桩与先张法预应力混凝土管桩施工防护套及桩套箍、钢棒、螺旋筋对比见表3.3所示。
表3.3 增强型预应力混凝土管桩与传统管桩施工防护套及套箍、钢棒、螺旋筋等对比
规格 | 施工防护套及桩套箍 | 钢棒 | 螺旋筋 | 总计 |
PTC-400-340(60)-10 | 1.57 | 20kg | 10kg | 31.57kg |
PC-400(60)-10 | 6.28 | 28kg | 12kg | 46.28kg |
节约钢材 | 75% | 28.58% | 16.67% | 31.79% |
PC-A500-430(100)-10 | 1.9468 | 40kg | 21kg | 62.9468kg |
PC-A500(100)-10 | 7.3 | 50kg | 24kg | 81.3kg |
节约钢材 | 73.34% | 20% | 12.5% | 22.58% |
PHC-AB600-520(110)-10 | 2.324 | 77kg | 26kg | 105.324kg |
PHC-AB-600(110)-10 | 8.7136 | 98kg | 29kg | 135.7136kg |
节约钢材 | 73.33% | 21.43% | 10.35% | 22.40% |
机械连接增强型管桩与先张法预应力管桩成本对比见表3.4所示。
表3.4 增强型混凝土离心桩与传统管桩成本对比
规格型号 | 400-340 (60) | 400 (60) | A500- 430(100) | A500-(100) | PHC-AB600-520(100) | PHC-AB 600-(100) | ||||||||
配筋 | 6*7.3 | 9*7.1 | 8*9.0 | 10*9.0 | 11*10.7 | 14*10.7 | ||||||||
长度(m) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||||||||
体积(m3) | 0.590 | 0.641 | 1.156 | 1.257 | 1.558 | 1.693 | ||||||||
原 材 料 | 主筋 用量 | 吨 | 0.020 | 0.028 | 0.040 | 0.050 | 0.077 | 0.098 | ||||||
元 | 82.49 | 117.50 | 166.82 | 209.47 | 324.53 | 414.91 | ||||||||
螺旋筋 用量 | 吨 | 0.008 | 0.010 | 0.017 | 0.020 | 0.0262 | 0.025 | |||||||
元 | 27.60 | 33.14 | 57.26 | 66.16 | 71.77 | 82.30 | ||||||||
水泥 用量 | 吨 | 0.277 | 0.295 | 0.543 | 0.465 | 0.732 | 0.627 | |||||||
元 | 75.79 | 80.58 | 148.50 | 127.08 | 200.14 | 171.24 | ||||||||
矿粉 用量 | 吨 | 0 | 0 | 0 | 0.113 | 0 | 0.152 | |||||||
元 | 0 | 0 | 0 | 26.58 | 0 | 35.81 | ||||||||
黄砂 用量 | 吨 | 0.519 | 0.660 | 0.890 | 0.880 | 1.013 | 1.185 | |||||||
元 | 18.95 | 24.09 | 32.49 | 32.11 | 36.96 | 43.26 | ||||||||
石子 用量 | 吨 | 0.690 | 0.667 | 1.480 | 1.703 | 2.181 | 2.294 | |||||||
元 | 22.60 | 21.82 | 48.44 | 55.75 | 71.41 | 75.12 | ||||||||
减水剂 用量 | 吨 | 0.006 | 0.005 | 0.011 | 0.010 | 0.015 | 0.014 | |||||||
元 | 12.33 | 11.28 | 24.16 | 22.12 | 32.56 | 29.80 | ||||||||
连接件及端板 | 元 | 9.624 | 107.388 | 12.524 | 227.65 | 15.678 | 330.45 | |||||||
施工防护套及桩套箍 | 元 | 7.85 | 31.4 | 9.734 | 36.5 | 11.62 | 43.568 | |||||||
原材料成本 合计 | 元 | 257.23 | 427.20 | 499.93 | 803.42 | 764.67 | 1226.46 | |||||||
差额 |
| -39.79% | -37.78% | 37.65% | ||||||||||
可见,机械连接增强型管桩与传统管桩相比可节约直接成本20-30%。就管桩本身制造而言,以我国现有年产量计算可节约钢材约128万吨、水泥54万吨、黄沙石子680万吨、煤200万吨、外加剂(化工原料)2万吨。同时采用无端板和特定防腐联接装置的设计,改进了传统管桩用电焊联接的弊端,能减少电焊对人体危害、环境污染,减少施工过程中受到外界因素的影响,更有效的保证施工进度。同时也降低了管桩的施工成本,(电焊条及人工直接施工成本降低15-25%),管桩的施工质量也因此得到更好的保障。