桩基础施工技术新技术专题讲座PCC桩(十五)

讲解人：北京市建筑工程研究院沈保汉

现浇混凝土大直径管桩((Cast-in-Place Concrete Large-Diameter PiPe Pile)简称PCC桩，是河海大学吸收了预应力管桩、振动沉管灌注桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点开发出的专利技术(ZL02112538.4，ZL2008100196897，ZL200810019690.X)。该技术于2010年获得中华人民共和国行业标准《现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程》(JGJ/T213-2010)。

PCC桩基本原理

PCC桩是采用专用施工机械将内外双层套管所形成的空心圆柱腔体在活瓣桩靴的保护下沉入地基，到达设计深度后，在腔体内灌注混凝土，然后分段振动拔管，在桩芯土体与外部土体之间形成的管桩。在桩顶设置褥垫层形成PCC桩复合地基。图1为PCC桩复合地基构造详图。

PCC桩复合地基构造详图

PCC桩技术特点

从桩的形态看，PCC桩属于带活瓣桩靴的大直径薄壁管形桩。突破了普通沉管桩和普通预制桩直径定于600mm以内的限制，使桩径大大增加，充分发挥大直径桩稳定和高强度的作用。从成桩工艺来看，PCC桩属于部分挤土桩，该桩是采取振动沉模挤土在腔内灌注混凝土而成的管桩。设在内外套管空腔结构下部内外侧设置成模润滑造浆器，在沉桩过程中，通过压入润滑造浆器泥浆以减少内外套管的摩擦阻力，从而加快沉模速度，同时克服硬土薄层不易贯穿的弊端；在拔出内外套管空腔结构时，可减轻内外侧土的阻力，使之顺利拔出，并使已形成的管桩不被破坏，从而保护桩芯和侧壁土的稳定。

现浇混凝土大直径管桩

采用活瓣桩靴结构，可避免使用预制钢筋混凝土桩尖，降低成本和加快施工进度，并可以调整桩挤土方向。

设置混凝土分流器可以避免管腔中混凝土灌注时的离析和薄厚不均。从成桩机理来看，PCC桩有如下三大作用：一是模板作用。在振动力下环形腔体模板沉入土中后灌注混凝土；当振动模板提拔时，混凝土从环形腔体模板下端灌入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不易出现缩壁和塌壁现象。造槽、扩壁、灌注一次性直接成桩，从而保证混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。二是振捣作用。环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及灌入槽孔内的混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实，同时又使混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。三是挤密作用。在施工过程中由于振动和挤密的原因，可挤密桩间土，挤密范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。

从桩的承载能力来看，PCC桩具有较高的竖向极限承载力。这是因为在相同混凝土用量的情况下，圆筒形结构比圆柱形结构具有大得多的外表面积和惯性矩，作摩擦型桩使用时，承载力提高很多；同时薄壁圆筒形结构也具有较强的抗弯性能。

从数值模拟分析路堤荷载作用下PCC桩复合地基的工作特性结果表明，PCC单桩在复合地基中控制的加固面积大(对于1m桩径的PCC桩加固面积一般大于10 )，这样桩顶平均竖向应力与桩间软土表面平均竖向应力之比可以达到24左右，大部分荷载传递给桩，有效地减小桩间软土表面及路堤表面的总沉降量和不均匀沉降量。

PCC桩优缺点

优点：承载力高；无泥浆污染；节省混凝土，工程造价低；施工速度快捷；质量基本可控；有效加固深度大；工后沉降小。

缺点：施工机具宽度大、高度高，因此施工需要较大面积的场地；由于受到施工机具高度的限制，目前沉桩深度限制在25m之内；施工伴随振动，对周围环境有一定的影响。

PCC桩适用范围

PCC桩技术适用于各种结构物的大面积地基处理，如：多层及小高层建筑物地基处理；高速公路、市政道路的路基处理；大型油罐及煤气柜地基处理；污水处理厂大型曝气池、沉淀池基础处理以及江河堤防的地基加固等。PCC桩复合地基可适用于处理黏性土、粉土、淤泥质土、松散或稍密砂土及素填土等地基，处理深度不宜大于25m。对于十字板抗剪强度小于10kPa的软土以及斜坡上软土地基，应根据地区经验或现场试验确定其适用性。

地基处理的土层，应以以下土层为代表：表层土，有1～2m厚的填土，或可～软塑的素填土3～5m。下部土层：以软～流塑状态的粉土、粉质黏土为主体。底部土层：以进入砂层为持力层，稍密的砂约1～2m，中密以上的进入该层0.5m。对于砂土夹层厚度不大于4m的土层。

PCC桩复合地基构造

P CC桩外径和壁厚应符合下列规定：桩的外径以1000mm、1 250mm为宜，并且不应小于1000mm。对于外径为1000mm的PCC桩，壁厚不宜小于120mm；对于外径为1 250mm的PCC桩，壁厚不宜小于150mm。桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层的厚度应根据桩顶荷载、桩距及桩间土的承载力性质综合确定，宜取300～500mm，当桩距较大时褥垫层厚度宜取高值。褥垫层应铺设加筋材料1～2层。当衬垫层厚度为低值时取1层，为高值时取2层，按每200mm铺设一层加筋材料。

PCC桩施工机械

PCC桩施工设备主要由底盘、支架、振动头(锤)、钢质内外套管空腔、活瓣桩靴、造浆器、进料口和混凝土分流器等组成。其主要技术性能见表1。

现行PCC桩施工设备主要技术技能

PCC施工设备

底盘

用I20工字钢焊接成5000mm×9000mm的矩形框架，用于支撑和摆放所有装置。

支架

与普通沉管桩和深层搅拌桩相比，PCC管桩在提升过程中，因环形内外套管模板受到管壁内双向摩阻力作用，需要较大上拔力。因此，支架在施工过程中除满足稳定性外，还要求满足较大的纵向压力的要求。

提升装置

由于沉管直径大，上拔力较普通沉管桩上拔力要大得多。

加压措施

在桩头满足强度要求的前提下，考虑现场提供动力且在振动力不能满足沉桩要求时，可通过附加压力，即依靠设备自重，使沉管带动桩头在边振动边加压下迅速沉桩。

环形内外套管模板

由2种不同直径的钢管组合形成同心环腔。在桩体不要求配置钢筋情况下可以将内、外管焊接固定，这样可以大大简化施工工艺。

成模润滑造浆器

成模润滑造浆是一种专门技术，它由连通的引水管和喷管组成，引水管位于桩模内管内、外壁，上端与高压水源连接，下端与喷管连接。喷管呈圆形紧贴在桩模内、外管壁底部，由镀锌管制成，在喷管管壁上、下各均匀分布有一组喷水孔，使水能自由喷出。在喷管上、下都设置一组锯齿，在桩模上下运动时锯齿能切割周围土体，同时喷管喷水，这样在桩模套管表面形成泥浆，泥浆能有效降低土体与管壁的摩擦系数，从而减小桩模受到的侧摩阻力。将锯齿设于喷水孔正上方和正下方，在喷管喷水形成泥浆时，锯齿还起到保护喷管的作用。造浆器除可以减少沉模时环形套模内外摩擦阻力外，还可起到保护桩芯和侧壁土稳定的作用。

混凝土分流器

与混凝土进料口连接，依靠该分流器，通过多个输送口将混凝土均匀地灌入内外套管空腔中的不同部位。混凝土分流器可以避免管腔中混凝土灌注时的离析和厚薄不均。

活瓣桩靴

其作用是随着内外套管空腔结构振动向下时率先进入土中，此时桩靴处于闭合状态，其尖端结构利于入土，同时保护内外套管空腔结构不被硬土石块损坏；当桩沉入至预定深度、灌注混凝土后须拔出内外套管空腔结构时，活瓣桩靴结构底部自动分开，保护已形成的混凝土管桩凝固体不被破坏；拔出内外套管空腔结构和活瓣桩靴后，活瓣桩靴又可再次与内外套管空腔结构连在一起，重复使用。活瓣桩靴的使用可降低施工成本，加快施工进度，并可调整成桩挤土方向。

振动头(锤)

选择合适的振动锤是工程顺利进行的关键。PCC桩通常选用DZ110型电动振动锤，其技术参数如下：电机功率2×55kW，静偏心力矩510N·m，偏心轴转速1020r/min，激振力593kN，最大上拔力650kN。当激振力大于刃面法向力的竖向分力、刃面摩擦力的竖向分力和腔体模板周边的总摩阻力时，模板即能沉入地层。由于腔体模板在激振力的作用下，使土体受到强迫振动产生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高腔体模板的沉入速度。同时，挤压、振密作用使环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的土体得到密实。

PCC桩施工工艺

施工流程如下： 施工进场→现场装配→桩机就位→振动沉管→灌注混凝土→振动拔管→移机。施工流程框图见图3。

PCC桩施工流程框图

PCC桩施工流程是：在设备底盘和龙门支架的支撑下，依靠振动头的振动力将双层钢管组成的空腔结构及焊接成一体的下部活瓣桩靴沉入预定的设计深度，形成地基中空的环形域，在腔体内均匀灌注混凝土，之后振动拔管，灌注于内管中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。

施工特点

为保证在含地下水土层中应用PCC桩的质量，在沉桩过程中地下水、流砂、淤泥不自桩靴进入管腔，混凝土灌注采用二步法工艺，即在桩管下到地下水位以上即进行第一次灌注，将桩靴完全封闭，然后继续下到设计深度后进行第二次灌注成桩。

PCC桩与现浇混凝土薄壁筒桩成型后为管（筒）状混凝土桩体，桩体均是采用现场灌注混凝土方式，荷载作用机理一致。二者的不同点主要在于施工机械和施工工艺，具体差异见表2。

PCC桩与筒桩技术性能比较表

PCC桩亦称现浇混凝土管桩，可与当前建设工程中普遍使用的预应力高强混凝土管桩（PHC桩）对比(表3)，前者是现场沉模灌注，后者是预制运输后沉入；前者是大直径(1000～1250mm)，后者在建筑界多用普通直径(300～600mm)。

现浇混凝土大直径PCC桩与普通直径PHC桩技术比较

施工要点

沉桩顺序应尽量减少挤土效应及其对周围环境的影响，如桩布置较密集且离建(构)筑物较远，施工场地开阔，沉桩顺序宜从施工场地中间开始向外进行。如桩布置较密集且场地较长，沉桩顺序宜从施工场地中间开始向两端进行。如桩较密集且一侧靠近建(构)筑物，沉桩顺序宜从靠建(构)筑物一侧开始向另一侧进行。应先施工长桩，后施工短桩；先施工较大直径桩，后施工较小直径桩；在靠近边坡的地段，应从靠边坡向远离边坡方向进行。在进行较密集的群桩施工时，可采用跳沉、控制沉桩速率、优选沉桩顺序等措施。

沉管时应保证机架底盘水平、机架垂直，垂直度允许偏差为1%。在沉桩过程中如发现有地下障碍物应及时清除。在淤泥质土及地下水丰富区域施工时，第一次沉管至设计标高后应测量管腔孔底有无地下水或泥浆进入；如有地下水或泥浆进入，则在每次沉管前应先在管腔内灌入高度不小于1m且与桩身同强度的混凝土，防止沉管过程中地下水或泥浆进入管腔内。沉管桩靴宜采用活瓣式，成孔器与桩靴应密封。应严格控制沉管最后30 s的电流、电压值，其值应根据试桩参数确定。沉管下沉速度不应大于2m/min。

在沉管过程中遇局部硬土夹层时，可通过造浆器向内外套管底端压入泥浆进行润滑。

终止成孔的控制应符合下列原则：桩端位于坚硬、硬塑的黏性土、砾石土、中密以上的砂土或风化岩等土层时，应以贯入度控制为主，桩端设计标高控制为辅。桩端位于软土层时，应以桩端设计标高控制为主。桩端标高未达到设计要求时，应连续激振3阵，每阵持续1 min，并应根据其平均贯入度大小确定。

沉管至设计标高后应及时灌注混凝土，并尽量缩短间歇时间。混凝土制作、用料标准应符合国家现行有关标准的要求，混凝土施工配合比应根据试验确定。现场搅拌混凝土坍落度以80～120mm为宜，如采用商品混凝土，非泵送时坍落度应为80～120mm，泵送时坍落度以160～200mm为宜。混凝土灌注应连续进行，实际灌注量的充盈系数不应小于1.1。混凝土灌注高度应高于桩顶设计标高500mm。

为保证桩顶及其下部混凝土强度，在软弱土层内的拔管速度宜为0.6～0.8m/min；在松散或稍密砂土层内宜为1.0～1.2m/min；在软硬交替处，拔管速度不宜大于1.0m/min，并在该位置停拔留振10s。管腔内灌满混凝土后，应先振动10s，再开始拔管，应边振边拔，每拔1 m应停拔振动5～10s，如此反复，直至沉管全部拔出。在拔管过程中应根据土层的实际情况二次添加混凝土，以满足桩顶混凝土标高要求。在距离桩顶5.0 m时宜一次性成桩，不宜停拔。

当桩身混凝土灌注结束24h后，应及时开挖桩顶部的桩芯土，开挖深度从桩顶算起500mm，待低应变检测和桩芯开挖检测桩身混凝土质量且达到要求后，灌注与桩身同强度等级的素混凝土封顶。

施工注意事项

选择合适的坍落度 坍落度是混凝土灌注时的一个重要的控制指标，坍落度的大小直接影响到成桩后桩身的混凝土强度，而PCC桩由于钢模空腔的厚度较小且主要针对含水量较高的软弱地基，混凝土坍落度的控制就显得更加重要。坍落度过大与过小都不利于桩的成形：坍落度过小(小于50mm)时在成桩的过程中易造成卡管，从而出现断桩和缩颈，从局部开挖的桩

头看出桩壁厚度存在一边厚一边薄的现象；混凝土的坍落度过大(大于120mm)在运输过程及振动拔管过程中易形成混凝土离析，从而导致桩体在加料口一侧混凝土的石子多而另一侧混凝土砂子多的现象；坍落度在50～120mm时，混凝土和易性较好，现场开挖检测表明管桩混凝土质量较高。

混凝土应以细石料为主，石子粒径以5～25mm为宜，砂子宜选用中砂，适当掺入减水剂，水泥多采用强度等级32.5的普通硅酸盐水泥，砂、石级配符合要求，从而保证混凝土有较好的流动性。

振动下沉利用沉管自重或钢丝绳加压将密封活瓣桩靴沉管压入土中一定深度。无特殊情况时，压入深度应在500mm以上，而后开动振动锤起振沉管至设计桩底标高。然后使用测绳测量孔底是否有地下水或淤泥挤入，如挤入深度大于100mm，应将沉管拔出，此后灌入高度大于1m，不低于桩身强度等级的混凝土，再重新进行以上工序，进一步封装套管内腔，确保成桩质量。应严格控制最后30s的电流、电压值，其值按设计要求决定。

混凝土灌注 通过提升料斗将混凝土送入进料口。具体做法如下：灌注桩身混凝土之前，应根据工程施工经验，结合地质报告预估充盈系数，计算投料体积，制定分批投料计划。沉管至设计桩底标高后，利用提升料斗将混凝土从沉管上端的进料口灌注至桩顶标高，如桩顶离自然地面较近，需拔管超注时，须注意不宜拔得过高，应以控制在桩需注入的混凝土量为限。混凝土适当超灌，一般为500mm，以使桩顶混凝土高度在凿除桩顶浮浆后满足设计要求。要详细记录灌注混凝土量，充盈系数一般为1.05～1.20，严禁小于1.0，充盈系数可在试桩总结和地质情况中确定，并作为一次投料体积计算的参考依据。

提升成桩 桩管灌满混凝土后，边振动边拔管，以确保混凝土密实性，应按不同土层实施不同的拔管速度；在拔管过程中，应分段添加混凝土，保持管内混凝土面积始终不低于地面或高于地下水位1.5～2.5m以上。至桩顶以下2.0m左右时，应添加足够的混凝土一次性拔管到地面，对于地层变化的地段，由硬土层到软土层或由软土层到硬土层的界面处应降低振动拔管的速度，一般应控制在1.0m/min以下。

同一土层中应均匀控制沉管上拔速度，土层界面处应适当降低拔管速度，以免出现颈缩。在最后5m应一次性拔出，中途不得停顿。

对周边建筑物的保护 PCC桩在成桩过程中会产生较大的振动，当周边建筑物距离沉桩区域较近时易造成周边建筑物开裂等振害，施工之前进行成桩振动测试是进行影响分析并采取相应保护措施的有效手段。

PCC桩直接开挖检测方法

由于PCC桩直径大，桩芯的空间较大，可通过全桩长的桩芯土的开挖直接检验桩身质量。其检测过程为：在PCC桩成桩两周后，通过人工开挖或高压水冲将桩芯土排出，检测人员通过安全吊篮进入桩体内部，从桩身内部直接检查观测桩体是否存在孔隙、裂缝、凹陷、内缩、夹泥等问题；采用小锤敲击桩体根据声音判断桩壁是否有空洞；采用冲击电钻每隔1～2 m击穿桩壁，并用卷尺直接量测桩壁厚度并与原设计壁厚对比；用混凝土切割机在不同深度切割混凝土试块，用于室内混凝土强度试验并与设计强度进行对比。这是到目前为止惟一一种可以通过视觉直接检测全桩身质量的桩型，改变了美国土木工程师学会（ASCE）标准前言中所述桩基不可直接用视觉检查的说法。

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责任编辑：Eason