静压管桩应用和发展前景

静压管桩的发展和应用

广东省土木建筑学会王离中国混凝土与水泥制品网[2010-10-18]

静压管桩就是借助静力压桩机将预应力混凝土管桩压入地基土中的一种基础形式。压桩机根据加力部位的不同，可分为顶压式和抱压式以及其他形式，目前用得最多的是全液压抱压式压桩机。静压桩可分为静压方桩和静压管桩，目前用得最多的是静压管桩。

本文主要论述：静压管桩的发展历史、应用情况以及未来前景。

一、静压管桩的发展历史

全液压式压桩机静压预制桩施工法是我国独有的沉桩工法。全液压式压桩机尤其是全液压抱压式压桩机，是我国发明的，其施工工艺也是我国独创的，这是我国拥有自主知识产权的原创性的具有中国特色的新型桩工机械和压桩施工法。目前，这种压桩机不仅在国内大量使用，还出口到港澳台地区、俄罗斯和东南亚各国。

上世纪六七十年代使用的压桩机均是钢丝绳滑轮组加力的绳索式压桩机，最大压桩力不超过1200 kN。1975年～1977年间，武汉市建筑工程机械厂在武汉市建筑科学研究所研究发明的基础上，率先试制出压桩力为600 kN的全液压抱压式压桩机，其行走、转向、升降、吊桩、夹桩、压桩等工作全部液压自动化操作，从而使我国的静力压桩机的生产和使用跨入一个新时代。1982年该厂又研制出压桩力为800 kN的全液压抱压式压桩机，1984年又将这类压桩机的压桩力提高到1200 kN，1985年提高到1600 kN，1991年提高到2000 kN，以后又陆续研制出各种型号的大吨位压桩机，至上世纪九十年代末，该厂生产的YZY系列的全液压抱压式压桩机最大压桩力高达6500 kN。与此同时，湖南长沙山河工程机械制造有限公司（现湖南山河智能机械股份有限公司），也研制出ZYJ系列全液压抱压式压桩机，最大压桩力达到8000 kN，还发明了新型的夹桩机构。目前，压桩机制造厂遍布全国，大小厂家约有近二十家。

广东地区从1988年底开始使用液压抱压式静力压桩机，当时由广东省基础工程公司引进武汉建筑工程机械厂研制的YZY-160型全液压抱压式压桩机，施压边长为300mm、350mm和400mm的预制混凝土方桩。1988年底在中山交通商业大厦完成了第一个静压桩基础工程，引起了许多工程界人士的关注。1991年广东省基础工程公司四位工程技术人员，在总结近20个静压桩基础工程经验的基础上，完成了《静压预制桩施工技术研究》的课题；1992年又编制了省级《静压预制桩工法》，有力地推动了广东地区乃至全国的静压预制桩的推广应用。

1994年以前，全液压抱压式压桩机只能施压预制钢筋混凝土方桩，最大压桩力一般为1600 kN～2400 kN，只能施压边长不大于400mm的预制混凝土方桩。到上世纪九十年

代中期，由于压桩机最大压桩力冲破4000 kN大关，静压方桩的边长增大到450mm和500mm。

1994年10月，广东的地基专家吴天文高工与湖北省机械施工公司的工程技术人员共同攻关、改进抱桩用的夹桩机构，攻克了抱夹预应力管桩的技术难题，使静力压桩机施压预应力管桩在广东珠海市某高层建筑工地获得成功。这是静压桩施工技术在我省、我国的一个历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，使预应力管桩的应用特别是在城市内的应用找到了一条新路子，有力地推动预应力管桩的应用与发展。

1997年前，压桩机所夹持的预制桩都是放在压桩机的中央，由于压桩机至少有8m宽，所以与已有建筑物不足4m间距的边桩是无法施压的。1998年，湖南山河智能机械股份有限公司的科技人员又发明研制出一套可灵活装卸的压边桩设备，装上它可施压与已有建筑物仅70cm间距的边桩，从而又解决了静压桩机施工的一个难题。我国第一个压边桩的工程就在广州市东风中路边上的一栋住宅楼。这样，静压管桩的应用范围就更广泛。

二、静压管桩的应用情况

本人曾在2001年一篇《静压管桩将成为21世纪初广东应用最多的桩》的拙文中预测静压管桩是21世纪初期广东乃至全国应用最多的桩基型式。十年过去了，静压管桩也确实按本人的预测方向迅速发展，主要表现在：静压管桩应用量越来越多，导致静压方桩应用量越来越少。液压式静压压桩机可施压预制方桩和预应力管桩（1995年后），因为预应力管桩在桩身制作质量、接头可靠度、耐打（压）性、用材节省等方面远远胜过预制方桩。十年前广东尚有预制混凝土方桩厂20家左右，目前，只剩下二、三家，特别是生产预应力混凝土方桩的厂家在广东工民建行业中几乎销声匿迹。从1998年以来，广东地区应用管桩的数量逐年增加，特别是到2004年以后，广东每年应用的管桩数量均超过7000万m，到目前为止，广东共应用管桩达6亿m之多，占了全国用量的三分之一，珠三角地区许多城市的管桩应用量占到整个桩基应用量的80%以上，管桩成为广东工程技术人员首选的桩型，其中静压法施工的管桩即静压管桩的用量占管桩总用量的一半以上，其余不到一半是锤击式管桩基础。广东到目前为止，尚未使用过离心成型的预应力混凝土方桩，因为这种离心方桩从理论上和实际上都存在着无法克服的先天不足。从理论上讲，离心方桩是无法离心成十分匀质的桩体，其桩体混凝土的均匀性、密实性无法与离心管桩相比，其四角的混凝土电通量达不到1000C；从实际上看，离心方桩侧边中间钢筋的混凝土保护层最多也只能做成

2.5cm，而预应力管桩可达到4cm甚至更大，只有Φ300管桩的保护层才2.5cm，而这种Φ300管桩只能用到一般性的建筑工程中，以后会逐步淘汰掉。另外，离心方桩经不起高压蒸养，四角的应力集中会导致桩体混凝土出现许多裂缝。所以，广东不加以推广，这与十年前广东不推广薄壁管桩一样，当时认为薄壁管桩的耐久性有问题。本人认为，一个工程技术人员，不仅在技术上要有创新精神，更重要的要有社会责任，要为子孙后代留下质地优良、耐久性好的工程基础，这样才对得起社会，对得起人民，对得起子孙后代。

全液压式压桩机可分为顶压式压桩机、抱压式压桩机以及其他型式的压桩机，其中用得最多的是抱压式压桩机。广东地区乃至全国各地，抱压式压桩机占了整个压桩机的90%。据初步统计，目前广东拥有各种吨位的全液压式静力压桩机已超过700台，约占全国的四分之一，主要分布在珠江流域、韩江流域及粤西地区；压桩机型号形成系列化，有160型、240型、300型、400型、450型、550型、600型、650型等，最大压桩力可达6000kN 甚至更高，可施压边长为300mm、350mm、400mm、450mm及500mm的预制混凝土方桩，也可施压φ300、φ400、φ500、φ600甚至φ700的预应力管桩。

静压桩具有如下优点：

(1)静压施工基本无噪声，适宜在市区作业；（2）静压施工无震动，适宜在危房、精密仪器房附近及河口岸边等地区施工；（3）静压用的预制桩可工厂化预制，桩身质量较有保证；（4）施工过程中可观测记录压桩阻力，了解整个沉桩过程，预估桩的承载力；（5）自动化操作程度高，施工速度快；（6）送桩深度较锤击桩深；（7）施工文明、场地清洁；（8）在某些石灰岩地区静压管桩也有许多成功的例子，而锤击管桩几乎无法成功。（9）因为管桩是空心的，可以节约大量混凝土，符合节能节材和低碳经济的理念。所以静压施工是一种比较环保的施工法，静压桩尤其是静压管桩有很好的发展前景。

在石灰岩地区应用静压管桩，广东的经验如下：

（1）地质勘查工作要做细，宜进行地质CT扫描；

（2）应采用静压法施工，严禁锤击沉桩；

（3）采用“小桩多桩”的设计理念；

（4）降低单桩设计承载力；

（5）选用抗弯抗裂能力较好的AB型或B型桩；

（6）采用H型或井字型多齿钢桩尖；

（7）桩尖与岩面零距离接触为终压条件；

（8）成桩后通过灌芯混凝土增强桩端强度；

（9）必要时先在岩面附近灌浆后再施压。

至今全国还没有专门关于静压管桩基础设计、施工的技术规范，只有一些省市编制了地方的规程。广东经过十几年的努力，到目前为止，才编制了一本广东省标准《静压预制混凝土桩基础技术规程》（送审稿），这本规程主要解决静压桩包括静压管桩的岩土勘察、设计、

施工、检测中的一些基本问题和有关规定，其中静压管桩单桩竖向承载力特征值的确定，桩身抱压允许压桩力的确定，终压力与单桩极限承载力的关系，终压控制条件等问题，都有了新的突破。相信广东有了新的静压桩基础技术规程，一定会更进一步推动静压桩尤其是静压管桩的推广应用。

三、静压管桩的发展前景

静压管桩尽管有许多优点，但不是一种非常完美的施工法，仍然存在一些缺点和不足，主要有以下几点：

1．管桩沉桩时不管是锤击法还是静压法施工，都有一个挤土效应问题。挤土效应在大多数情况下是有害的：破坏场地四周的马路、市政设施和楼房；将附近先压下去的桩抬起或挤斜；基坑开挖时容易出现群桩倾斜事故……，但在可液化土层中压下较多管桩以后，能将原先可液化的土层挤密成不液化的土层。

2．静压桩穿透夹层或砂层的能力比不上锤击桩：锤击桩能穿透5～6m厚的密实砂层；能进入N≥50的强风化岩层1～2m；能进入密实的卵石层1～2m。而静压桩只能穿透2～3m的密实砂层；只能压到N＝50强风化岩层的表面；只能压到密实卵石层的表面；特别是在上下全是稍密～中密的砂层中应用静压桩，压桩施工难度很大，终压完后停一段时间再压又可下去一些，没完没了。所以说静压桩穿透能力比不上锤击桩是静压施工的一个薄弱环节。

3．管桩经过锤击或抱压，桩身混凝土结构遭到破损，对桩身结构承载力和基础的耐久性都有损害。

4．静压桩压桩力有限，目前只能施压不大于600mm直径的管桩。由于施工现场表土承载力的限制（Ra≤120 kPa），使静压桩机不能无限增大，到目前为止，静压管桩的直径一般限制在600mm以内，大于600mm直径的管桩，在一般的场地条件下是无法用静压法施压的，这不能不说是静压法施工的一种局限性。

针对静压管桩的挤土效应，一般采用以下的一些预防方法：

1．设计时加大桩的最小中心距；2.合理安排压桩顺序；3.设置袋装砂井或塑料排水板；

4.设置非封闭式地下隔离墙；

5.开挖地面防挤沟；

6.控制每天压桩数量等。以上都是被动防治措施，真正主动出击的手法应是“引孔压桩”或“钻孔植桩”法。

引孔压桩就是先预钻孔，然后把管桩放入预钻孔内再进行施压，目的在于减少挤土效应。引孔的深度一般不超过10m，引孔的直径可比桩径小10cm或5cm，甚至等于桩的直径。引孔的机械可采用独立的钻孔机，现正在研制在静压桩机上配备“引孔机”，使压桩机在不移动的情况下完成引孔压桩作业。广东有些施工单位自制长螺旋钻孔机进行预钻孔，采用这种

工艺可以使有效桩长较短的管桩达到一定的有效桩长；可以穿越埋藏较深的硬夹层；可以在上下全是砂土层中预钻孔静压成桩；可以在“上软下硬、软硬突变”的即缺乏强风化岩层的特殊地层中较好地应用静压管桩。这种引孔压桩工艺在预钻孔内放入管桩后，一般均是用送桩方法进行顶压，对桩身没有进行抱压，且压桩力是静力的，因此对桩身的损伤要比抱压施工小得多，所以值得推广。

防止桩身的损伤，研究改进压桩的夹持机构是一个方面，而更为重要的是要减少施加在桩身上的夹持力和压桩力，最好的方法是采用“钻孔植桩”。“植桩”基本上对桩身无损伤，可大大提高桩身承载力。2005年前后，广州市建筑科学研究院花巨资进行一次大的沉桩工艺试验研究：先用钻机钻孔到中、微风化岩层，然后将管桩吊入孔内并沉到底，再在孔内灌注细石混凝土。曾做了四根Φ600-130管桩的静载荷试验，其中一根加载到10000kN，一根加载到11000kN，均没有问题；还有二根大约加载到8000kN，因为放置六个千斤顶的桩帽破裂，无法继续试验。由此可见，由于桩身没有经过锤击或抱压且桩端座落在中、微风化岩石上，预应力高强管桩的桩身承载能力可以充分得到展示和发挥。植桩法不仅桩身完整，而且可以在桩身表面涂刷防腐涂料而不被擦抹掉。但这种工法，由于各种工艺的机具分开独立，施工较为复杂，还有泥浆的污染，需要进一步改进。最近，广州市建筑科学研究院又与湖南山河智能机械股份有限公司合作，共同研发了一种有中国特色的中钻法施工的专用工具（大直径随钻跟管桩机），其基本思路是：将大直径管桩（≥600mm）固定在特制的机架上，钻杆通过管桩内孔伸入到管桩底端外，钻头可以扩大到比管桩外径略大，钻头钻孔能力可进入中风化岩层，这样，桩端部取出一点土后，管桩通过自重加桩顶的震动跟着下沉。这种沉桩法的优点是：可以下沉大直径管桩；钻孔取土，可消除挤土效应；桩身基本无锤击或夹持，桩身完整，桩端可进入中风化岩层，因此可以得到非常高的单桩承载力。这种样机已经研制出来，相信在不久的将来，一种新型的沉桩设备在中国大陆出现，又会进一步推动大直径管桩的推广应用。

综上所述，静压管桩的常规施工法加上“引孔压桩”工艺的配合使用，会使静压管桩的成桩工艺更完善、更环保。“钻孔植桩”法是今后管桩应用的重要发展方向；采用中钻法沉桩机械可使大直径管桩得到进一步的推广应用。钻孔植桩和中钻法沉桩这两种工法均是静压法的更高级的发展阶段。所以本人认为，未来一二十年中，管桩尤其是静压管桩仍然是我国应用量最多的一种基桩，其发展前景尤其是在全国的推广应用的前景是美好喜人的！