本站原创关键词：锤击法 受力分析地质条件施工控制管桩质量
一．前言
管桩在我国有二十多年发展历程，管桩行业得到迅速的发展，产品年产量也不断的提高，现在全国生产预应力管桩企业近500家，全国管桩产量约3亿米。目前，预应力管桩正在从沿海向内陆发展，相信在不久的将来，管桩会在全国地质条件允许的各大中城市普遍推行。但是，我们面对的管桩施工（尤其锤击法）中破损问题，以3亿米年产量，破损率0.2%算，每年造成管桩破损报废约60万米，经济损失约6千万元。而随着管桩生产工艺不断成熟，生产质量和施工质量的提高，且国家和行业都制定了一系列规范和标准，管桩破损得到了一定的控制。但是，实际工作情况与地质条件千变万化，某些因素或情况是规范和标准中没有涉及到的，这就需要我们在实践中探索和总结。本单位对管桩生产与施工进行了近二十年质量管理与跟踪，现将锤击法施工破损的情形及其原因做简要分析，若有不当之处，请专家提出指正。
二、管桩锤击法施工受力分析
凡造成物体破坏的，都是因为物体受力超过自身性能极限。管桩破损同样是由于管桩在施工过程中，受到各种性质的应力超过桩本身的性能极限而造成。因此，分析管桩破损的原因，首先对管桩施工中的受力进行分析。管桩锤击法施工过程是动力学问题，是功能守恒 的过程。油气混合体爆炸后给锤以压力，同时将锤头提起，使它具有势能，锤头以自由落体方式由势能转变为动能，冲击桩帽产生的冲量经垫层缓冲后冲击桩的顶部，桩获得能量克服岩土阻力而入土；这一锤击能转换结束后桩入土就停止，接着来第二、三锤……。势能做的功就是打击桩的合力乘以入土深度。
该桩在施工时，若桩锤刚性冲击桩头，则很容易造成桩头混凝土破坏。因此，桩头受到的冲击力与垫层厚度有关，适当厚度的垫层可延长冲撞接触时间，缓冲反弹，减小桩头受到的冲击力。因此，若桩锤刚性冲击桩头，则桩尖0.5-0.7L处的桩身混凝土很容易被拉断。三、管桩破损情形及其原因分析
根据以上的受力分析可知，管桩在锤击法施工时，桩头受到锤击压应力，桩尖受到水平剪应力和法向端阻力，桩身受到的轴向锤击拉应力、侧阻力和弯矩。这些应力是造成管桩施工破损的直接原因。在特定的地质条件下，当某个应力或某些应力的叠加超过管桩的力学性能极限时，管桩便在该处遭到破坏。因此，管桩破损是受力大于材料极限的结果，造成破损的因素主要是地质条件、施工控制和管桩质量三方面。管桩由于受到不同性质的力而破损可能出现不同的情形，这些破损情形大致都体现在管桩的不同破损位置和破坏特征。现根据管桩的破损位置和破坏特征来分析其破损原因及其造成的因素：1、桩头出现纵向裂纹，混凝土破碎，保护层被劈裂。造成桩头破碎的直接原因是锤击压力大于桩头混凝土的抗压能力，而导致破损原因的可能性有两方面：一方面是锤击压应力过大，在整支桩中，桩头受到压应力最大，其锤击压应力与桩锤冲程H、接触时间、反弹速度和锤击面积有关。冲程越高，锤击应力越大；锤垫材料弹性越好，厚度越大，接触时间越长，锤击应力就越小；桩端地质岩层越坚硬，桩尖越难穿透，桩进尺就越小，桩锤反弹速度越大，锤击压应力越大；若桩身倾斜，桩端头板与桩锤面不完全水平接触，就出现偏打现象，导致桩头局部压应力集中而增大。另一方面，桩头混凝土强度偏低。管桩在结构设计时，考虑到了桩头的受源于：论文格式范例www.808so.com
力性能，已加密了螺旋筋以提高了混凝土的轴心抗压能力，正常来说桩头混凝土的轴向抗压能力比其他位置都大。但是，如果螺旋筋松散，间距偏大，或桩头混凝土离心不密实，跑浆漏浆，出现缝窝，便降低桩头混凝土的力学性能；或者由于桩套箍出现凹陷，造成桩头混凝土受剪应力，导致混凝土受力性质变化而保护层劈裂；或者桩头受锤击数过多（如锤击数大于1500），在混凝土内部出现微裂缝，而造成混凝土疲劳破坏。以上这些情况都有可能导致桩头混凝土强度质量降低而破碎。因此，造成桩头破坏的因素有地质条件，如桩头进入中风化层、微风化层或标准贯入击数N大于100的强风化层；施工控制不良，如垫层过薄、桩锤冲程偏大或桩身倾斜等；管桩质量，如螺旋筋间距偏大，桩套箍凹陷、桩头混凝土离心不密实，有缝窝和漏浆现象。
2、桩身中部出现横向裂缝、桩体断裂、变形、移位，混凝土破碎。根据上面的受力分析，桩身受到的外力主要是瞬间拉应力和岩土层侧阻力，端阻力对其的弯矩，桩身混凝土对锤击压应力主要是起传递作用，其受到的压应力远远比桩头的压应力小，不至于导致混凝土首先单纯受压破坏。而桩身侧阻力对阻碍管桩破损起着有利作用。瞬间拉应力发生在离桩尖0.5～0.7L处，应力值等于（0.25～0.33）δp，其大小与锤击压应力成正比，受施工控制和地质条件等因素影响。混凝土的抗拉强度与抗压强度的比例关系为材料的泊桑比，理论上和锤击拉应力与压应力的关系大概一样。但是桩头混凝土经过加密的螺旋筋加固后，桩头混凝土抗压能力得到很大的提高，当锤击应力到达一定的监界状态时，其产生的锤击拉应力可能将管桩拉断，而桩头混凝土尚未压碎，因此，在正常施工与质量条件下，应是桩身先被拉断而混凝土后被压碎。端阻力对桩身的弯距是由于桩身弯曲引起，造成桩身弯曲的原因主要是地质条件中存在较大坡度、土质较密实而不能作为持力层的土层（如残积土、砂层等），桩尖到达该层时便以一定的倾斜度进入并穿透，使桩身弯曲但尚未破坏。当桩尖接触到坚硬的岩面后弯矩突然变大，弯矩的大小与弯曲度，端阻力和弯曲长度有关，当桩身受到的弯矩大于管桩的抗裂弯矩时，管桩就在桩身出现裂缝而导致被压碎。抗拉强度和抗折强度是混凝土薄弱的力学性能，也是管桩破损的致命缺陷。不论管桩是拉断或折断，其在桩身均出现横向裂缝，最终导致管桩水平破坏，断面比较平整，混凝土碎块较少，桩身移位。
3、桩尖滑移，桩尖混凝土受折断裂，混凝土被压碎。根据以上的力学分析，桩尖受到的压应力比桩头受的压应力小得多。因此，在单节管桩质量均匀的条件下，靠近桩尖混凝土一般不会由于单纯的压应力而被压碎，应该是由于有横向裂缝出现，导致混凝土产生缺陷而在裂缝位置破坏。而导致横向裂缝出现的原因，是桩尖受水平应力，由于水平应力导致桩尖滑移，在桩尖附近混凝土产生弯矩，使混凝土在受拉区被拉断。因此，桩尖受到水平应力是桩尖破坏的直接原因，其影响因素主要是不良的地质条件。正常情况下，桩尖一般不会受到水平应力，当作为持力层的岩面出现坡度时，桩尖到达岩面时，岩面便对桩尖产生水平应力，若基岩上面的土层软弱，对桩身的扶持很小而且坡度较大时，桩尖在水平力的作用下很容易沿着斜面滑移，使桩身跟着桩尖不断地弯折，桩端阻力便对桩尖混凝土产生弯矩，当弯矩大于管桩的开裂弯矩时，管桩就出现横向裂缝，根据破损公式可知，使用特定规格的管桩时，管桩弯折破坏的可能性与岩面坡度，岩层的力学性质，桩身侧阻力有关。因此，造成管桩桩尖破坏的因素主要是地质条件的不良，如岩面的坡度较大，基岩上面土层较软弱，有效桩长较短等等。
四、小结
1、锤击法施工时，管桩在不同位置所受到的力的性质与大小不尽相同，同一位置在不同地质条件下所受到的力的性质与大小也可能不一样。管桩破损是管桩受力超过自身性能极限的结果。
2、造成管桩破损的因素主要是地质条件，施工控制和管桩质量。管桩受不同力作用而破坏，体现在不同的位置上，同时也是由于某种主导因素的影响而造成。因此，管桩破坏受力性质、破坏位置与破坏因素三者之间存在一定的联系。
参考资料：
1、《预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-2008
2、《建筑桩基技术规范》JGJ94-94
3、《混凝土与水泥制品论文集》阮起南著