高性能混凝土組合樁在濱海地區(qū)應(yīng)用探討

  摘要： 高性能混凝土組合樁逐漸用于高層建筑中，從局部采用到整體采用，發(fā)展十分迅速，是因?yàn)樗哂谐休d力高、抗壓和抗剪性能好、以減小柱的截面尺寸、節(jié)約建筑材料、增加建筑空間、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)越、延性好、耐火性能好等特點(diǎn)。高性能混凝土組合樁具有十分必要的研究?jī)r(jià)值和更廣闊的應(yīng)用前景。

  關(guān)鍵詞：高性能混凝土；組合管樁

  前言

  高性能混凝土組合樁是PHC（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土）管樁和TSC（薄壁鋼管離心混凝土管）樁的組合。這種組合樁具有重量輕、剛性好；易于加工、搬運(yùn)、堆放；可以焊接，易于調(diào)節(jié)；與上部承臺(tái)連接較易；管材強(qiáng)度高，貫穿性好；樁下端為開(kāi)口，沉樁排土量小，對(duì)周圍地基和相鄰及相鄰樁及鄰近建（構(gòu)）筑物擾動(dòng)、移位影響小；接頭采用電焊，操作簡(jiǎn)便，質(zhì)量可靠；沉樁功效高，可節(jié)省施工費(fèi)用并縮短工期等一系列優(yōu)點(diǎn)。但也存在鋼材用量大，工程造價(jià)較高等問(wèn)題。

  1 高性能混凝土的研究

  提高混凝土的耐久性，必須提高混凝土的密實(shí)度，降低混凝土的水灰比用量，如果純粹的降低用水量，混凝土的工作性將隨之降低，而且混凝土的耐久性也同時(shí)降低，針對(duì)這些問(wèn)題可以采用以下方法來(lái)解決：

  一是摻入高效減水劑在保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，盡可能降低用水量，減小水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬?，?huì)產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量，這樣就會(huì)促使水泥結(jié)構(gòu)中形成過(guò)多的孔隙。當(dāng)加入減水劑后，減水劑的定向排列，使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時(shí)使水泥絮凝狀的絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來(lái)，因而達(dá)到減水的目的。

  二是摻入高效活性礦物摻料，普通混凝土的水泥中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥的膠凝物質(zhì)的組成。活性礦物摻料（矽灰、礦渣、粉煤灰等）中含有大量活性SiO₂及活性Al₂O_3，它們能和水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的游離CaO及高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化硅酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離CaO的目的。有些超細(xì)礦物摻料，其平均粒徑小于水泥粒子的平均粒徑，能填充于水泥粒子之間的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路徑。

  三是消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過(guò)大引起的開(kāi)裂，水化熱過(guò)高引起的溫度裂縫，以及混凝土的堿集料反應(yīng)等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、SO₃、Cl等可以引起結(jié)構(gòu)破壞和鋼筋銹蝕物質(zhì)的含量，加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生，提高混凝土的耐久性。

  四是保證混凝土的強(qiáng)度。盡管強(qiáng)度與耐久性是不同概念，但又密切相關(guān)，它們之間的本質(zhì)聯(lián)系是基于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都與水灰比這個(gè)因素直接相關(guān)。在混凝土能充分密實(shí)條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強(qiáng)度不斷提高，與此同時(shí)，隨著孔隙率降低，混凝土的抗?jié)B性提高，因而各種耐久性指標(biāo)也隨之提高。在現(xiàn)代的高性能混凝土中，除摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料，它們不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除內(nèi)部破壞因素的條件下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力也越強(qiáng)。

  2 組合管樁的研發(fā)背景

  組合管樁是我公司新的施工方式，組合樁因其具有的適用面廣、方便施工、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠等特點(diǎn)，已成為高承載力、低成本、穿透性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的深基礎(chǔ)工程發(fā)展的一種趨勢(shì)。

  TSC、PHC組合樁，包括PHC管樁和TSC樁，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：所述PHC管樁和TSC樁均至少一根，TSC樁在上部，PHC管樁在下部；所述管樁同心設(shè)置，各管樁之間通過(guò)焊接或快速連接接頭連接固定。TSC、PHC組合樁采用PHC管樁和TSC樁相結(jié)合，利用焊接或快速連接接頭機(jī)械連接的方式連接固定。具有純TSC樁的優(yōu)點(diǎn)，耐打性好，成樁工藝與純TSC樁一致，在同等長(zhǎng)度上，成本節(jié)約75%左右；TSC樁在組合后主要用于結(jié)構(gòu)抗水平力，其具體長(zhǎng)短根據(jù)實(shí)際工程抗水平力要求進(jìn)行確定，可取代傳統(tǒng)的純TSC樁，在符合工程需求的基礎(chǔ)上降低造價(jià)，有效的節(jié)約資源。增加了軟土層地區(qū)對(duì)組合樁的應(yīng)用范圍。

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  3 組合管樁的特點(diǎn)

  3.1 承載能力大

  TSC樁目前大多采用A3號(hào)低碳鋼，材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度很高，加工成鋼管后抗彎能力很強(qiáng)，在持力層好的地質(zhì)情況下選用，可以大大地發(fā)揮其受力特性，提高單樁承載力，減少布樁數(shù)量、縮小基礎(chǔ)承臺(tái)尺寸。對(duì)抗震區(qū)及風(fēng)荷載較大的地區(qū)或較高的建筑物，選用該樁型也可大大發(fā)揮其抗水平荷載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。開(kāi)口TSC樁在沉樁過(guò)程中形成土塞效應(yīng)，可以增加樁基的端承力，從而提高單樁的垂直承載力,不僅有較高的承載能力，而且還具有優(yōu)良的塑性、韌性、延性和穩(wěn)定性；當(dāng)軸向承載力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，樁身強(qiáng)度還有很大富余，因此還可以承受較多的橫向荷載。

  3.2 規(guī)格多、選用余地大

  目前定型生產(chǎn)的TSC樁直徑有300mm～2500mm，達(dá)幾十種規(guī)格，壁厚6.9mm～25mm，且同管徑有多種壁厚，可根據(jù)受力情況，選用幾種合適的規(guī)格同時(shí)使用，使強(qiáng)度充分利用，以滿足安全經(jīng)濟(jì)要求。一般情況下，樁各節(jié)均采用相同壁厚，有時(shí)為使樁進(jìn)入較硬的持力層，需加大錘重并增加錘擊數(shù)，對(duì)承受較大沖擊的上節(jié)樁，可適當(dāng)加大壁厚。

  3.3  TSC樁大多采用敞口式，加之管壁薄，壓樁過(guò)程中土可以進(jìn)入樁身，形成土塞效應(yīng)，從而降低擠土和表土隆起，減小土垢擾動(dòng)，降價(jià)低場(chǎng)地周邊設(shè)施的影響。在舊城改建或周邊已有建筑物的情況下，采用其他打入式樁，擠土非常明顯，常常不能使用；采用鉆孔灌注樁，雖可以解決擠土問(wèn)題，但泥漿常污染場(chǎng)地及運(yùn)輸線路的城市道路，在大力提倡美化城市環(huán)境的今日，使用也大受限制。而采用TSC樁則不存在此類問(wèn)題。并可以在小面積場(chǎng)地上進(jìn)行非常密集的施工。

  3.4 施工速度快

  組合樁每節(jié)采用焊接，焊后1分鐘即可壓樁，接樁方便、間歇時(shí)間短，樁身強(qiáng)度高，對(duì)N635=50的堅(jiān)硬土層能較輕易穿透，在常規(guī)情況下，樁就位后就能正常壓樁，很少碰到土層難以穿越而需人工加以處理的情況。一般每臺(tái)壓機(jī)每天可以壓樁500m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它樁型，對(duì)工期緊的項(xiàng)目十分有利，相對(duì)而言可節(jié)約工程費(fèi)用，因而其綜合經(jīng)濟(jì)效益高。

  3.5 不易腐蝕

  由于組合樁埋在基礎(chǔ)上，是在與外界隔絕，其內(nèi)壁處于密閉狀態(tài)，可不考慮其腐蝕，若其外側(cè)與地下水接觸稍有腐蝕，可以增加鋼管樁壁厚余量來(lái)進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)國(guó)外資料，鋼管的腐蝕速度80年為1.5mm～1.92mm。國(guó)內(nèi)推薦設(shè)計(jì)用腐蝕速度為0.02mm/yr，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)建筑物的重要性和地質(zhì)腐蝕情況而定，可適當(dāng)增加鋼管的壁厚。

  3.6 成本降低

  組合樁比純TSC樁節(jié)省75%成本，由于組合樁單樁承載力高，布樁數(shù)量可以大大減少，基礎(chǔ)承臺(tái)也可以縮小，且施工速度快，后期處理事宜少，綜合效益高，因此組合樁的應(yīng)用前景還是十分廣闊的。

  4、需注意的問(wèn)題

  端板與鋼管的焊接的垂直度應(yīng)小于等于0.5%。在制作的過(guò)程中，由于垂直度控制不到位，很容易在施工的過(guò)程中造成樁頭破碎。因此端板與鋼管焊接可采用機(jī)械控制自動(dòng)焊接的方法，這樣可以保證每條鋼管和端板的垂直度，也能大大提高產(chǎn)量。

  施工焊接的時(shí)候必按規(guī)程操作，由于TSC樁的承載力大，焊接點(diǎn)多，端部、頭部、中部都有較大的集中應(yīng)力，所以施工焊接的時(shí)候必須按規(guī)程操作，避免爛樁。

  5、結(jié)論

  組合樁在現(xiàn)在建筑中占有越來(lái)越重要的地位，相信不久的將來(lái)我們身邊會(huì)經(jīng)?？吹浇M合樁的運(yùn)用。本文總結(jié)了組合樁的研究成果，但在我國(guó)其應(yīng)用和研究的時(shí)間還不長(zhǎng)。所以，在今后還要不斷深入的分析組合樁在濱海地區(qū)的具體應(yīng)用，結(jié)合組合樁的特點(diǎn)提出更好的解決措施，更好的滿足建筑物的強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和變形的要求。更好的開(kāi)發(fā)我國(guó)沿海地區(qū)大片的灘涂閑置的空地。

  [1]索默編，馮乃謙等譯：高性能混凝土的耐久性，科學(xué)出版社，1998.

  [2]錢(qián)力航：鋼管樁的腐蝕與防腐

  [3]作者簡(jiǎn)介：黃 朝 俊.工程師.天津港航樁業(yè)有限公司工程技術(shù)部主任，土木工程專業(yè)。