预应力对混凝土管桩的影响及机理

1前言随着预应力混凝土管桩应用范围的日益扩大，如港口、码头、地下水中侵蚀性介质浓度较高地区等，其耐久性的问题显得越来越突出。设计文件中提出的管桩基础使用寿命多为50～100a，但是很少提出如何保证达到设计使用寿命的技术措施。在管桩的设计、施工过程中，有关耐久性的问题目前也并未足够考虑。工程调查发现，许多使用了预应力混凝土管桩的工程，尤其是海港等处于腐蚀性环境中的工程，管桩的耐久性问题非常突出，有些码头在投入使用不到20a就出现了大面积的管桩损坏，有的则需要维修。最新施行的《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)在原规范有关耐久性规定较少的基础上，专门提出了耐久性设计的要求，可见混凝土结构的耐久性问题已弓1起广泛重视。预应力混凝土管桩是混凝土结构中较易产生耐久性问题的结构，且其耐久性问题也越来越突出。2研究现状我国对钢筋混凝土耐久性问题始于2O世纪6O年代初南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究，从2O世纪80年代起日益引起重视。中国建筑科学研究院、山东建研所等根据试验分别提出了钢筋锈蚀时间计算模型；金伟良等对钢筋锈蚀问题进行了研究；肖从真，刘西拉提出以纵向开裂结构截面损失率达5％作为寿命终点；陈新华等对海滨环境下的预制方桩耐久性进行了初步的研究等等。现有的研究基础对混凝土结构耐久性破坏机理研究比较多，尤其是对混凝土碳化中性化腐蚀及氯离子侵蚀耐久性破坏研究较为深入，但研究大多集中在单一影响因素，很少涉及多因素影响下的耐久性问题，对预应力混凝土管桩的耐久性仍缺少系统的研究。3影响因素预应力混凝土管桩的耐久性状态是一个与时间有关的动态的渐变过程，其影响因素很多，经过分析研究，结合工程实际现象，大体可归纳为环境因素、结构荷载因素、材料因素、设计和施工因素等，其中侵蚀性环境是导致预应力混凝土管桩结构耐久性失效的直接因素。3．1环境因素环境因素包括大气环境(二氧化碳、水汽、腐蚀气体等)、海洋环境(氯离子、硫酸根离子等)、土壤环境(有害离子、微生物、水等)和工业环境(工业废渣废水、水汽等)，环境因素的影响主要包括氯离子、硫酸根离子等的腐蚀作用、二氧化碳的碳化作用、冻融破坏和侵蚀性介质破坏等。氯离子可与混凝土中的某些固相组分发生化学反应而生成易溶的氯化钙和带有大量结晶水、比反应物体积大几倍的固相化合物，造成混凝土的膨胀破坏，同时，氯离子还会破坏钢筋钝化膜，导致钢筋锈蚀。硫酸根离子可与混凝土内部水泥石的某些固相组分发生化学反应而生成一些难溶的盐类矿物，这些难溶的盐类矿物由于吸收了大量的水分子而产生体积膨胀，形成膨胀内应力，当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时就会导致混凝土的开裂破坏。 碳化作用是指空气中的二氧化碳通过混凝土的孔隙溶解于其毛细孔中的液相，并与水泥水化产生的碱性物质反应，生成中性的碳酸钙，使混凝土的碱度降低，在一定环境下导致钢筋混凝土脱钝生锈。混凝土水化结硬后，内有很多毛细孔，低温时，滞留在毛细孔中多余的水分因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏，高温时融化，反复多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏，即冻融破坏。3．2结构荷载因素结构荷载因素主要包括施工荷载因素和使用荷载因素。施工荷载因素指施工过程荷载对管桩耐久性的影响，如不同施工方法成桩过程对管桩造成的损伤等。使用荷载因素指使用过程荷载或荷载的变化对管桩耐久性的影响，如低周反复荷载等。3．3材料因素材料因素包括水泥品种、骨料与级配、水灰比、外掺剂、混凝土保护剂等，产生的影响包括管桩质量问题、管桩抗腐蚀性能、碱一骨料反应等。碱一骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部膨胀，导致混凝土剥落、开裂，甚至破坏的现象。3．4其他因素其他因素包括设计因素、施工因素等。设计因素主要包括工程设计的耐久性标准过低、设计时环境作用的耐久性问题没有得到重视、钢筋保护层过薄、混凝土等级过低等问题。施工因素主要包括施工进度的不适当追求、偷工减料、未按设计要求施工、施工技术水平等问题。4沉桩机理沉桩方式有锤击型和静压型两种方式。但是锤击型有振动大、噪音大等不利因素。静压型被广泛应用。4．1静压压桩机理静压沉桩过程中，桩在施工压力作用下克服桩侧阻力，桩尖将土体冲剪破坏并向四周挤压。桩端土为黏土层时，黏土经挤压重塑并产生超静水压力，超静水压力扰动了土体结构，降低土体抗剪强度，减少了桩侧摩擦力及桩端阻力，沉桩贯入度较大；桩端土为砂土层时，由于砂土颗粒、孔隙比均较大、透水性较强，加之施加于桩侧土体的荷载非振动荷载，桩侧土不会形成重塑区，也不会产生超静水压力，沉桩过程中砂土被挤密，提高了砂土的抗剪强度，使桩端阻力骤升，施工贯入度较小：因沉桩过程中桩土间的相对运动，桩侧土施加给桩侧的阻力为动摩擦力，显然，动摩擦力小于静止摩擦力。桩施工完毕，随着时间的推移，桩侧黏土超静水压力逐渐消散，土体重新固结，抗剪强度及桩侧阻力逐渐恢复并有所提高；桩施工完成后，桩侧被挤密的砂土颗粒结构重组，逐渐恢复到施工前的状态，孔隙比增大，砂土的抗剪强度降低，使砂土自重应力产生的侧压力和沉桩过程中产生的挤压力均减小，导致桩侧阻力降低。 4．2静压沉桩的终压控制原则及方法静压沉桩的终压标准不能一律以终压力不小于单桩的竖向抗压极限承载力控制。静力压桩的静压力应根据场地地质条件、桩型、设计采用的单桩竖向抗压极限承载力、桩的布置等综合考虑。(1)静压沉桩的终压控制原则：①对端承摩擦桩，以桩长控制为主，终压力控制为辅；②对摩擦端承桩，在桩端进入持力层后，以终压力控制。(2)静压沉桩的终压控制方法：①对桩周土质较差而承载力较高的桩、桩端位于砂质土层及遇水易软化的土层的桩，沉桩到位后应间隔一定时间复压2～3遍。复压过程中，油压表读数稳定或上升可终压，否则，应继续压桩。②砂土地基中终压力不应小于桩的竖向抗压极限承载力。因砂土地基中不可预测的因素较多，静压沉桩的终压标准应经试压桩及承载力检验后确定。③饱和黏土层中终压力可取桩的竖向抗压极限承载力，静压沉桩的终压标准应经试压桩及承载力检验后确定。4．3桩身完整性检测桩身完整与否，直接影响到桩的承载力及耐久性。桩身完整性检测以低应变法为主。因管桩是空心构造，这样就给桩身完整性检测提供了一个天然的检测通道，并可根据桩内壁混凝土光滑程度以及渗水痕迹，判断内壁混凝土的完整性、桩身裂缝位置、接头质量等。对于直径较大、桩较短的管桩，在沉桩后或一段时间内即可采用灯光照亮管桩内壁进行目测检测；对直径较小或桩较长的管桩，可利用孔内摄像仪进行检测。灯光照亮管桩内壁或孔内摄像仪进行检测比较适用于管桩端位于地面以上或送桩一定深度、地下水位位于桩端以下及送桩孔的孔壁土体稳定等情况。采用孔内检查，必须设置封闭桩尖。孔内壁灯光或摄像检查只是对桩身完整性的宏观的检查，沉桩后还应采用低应变法结合孔内检查情况进行抽查。按以上步骤实施，桩身完蛰眭就能得到很好的保障。5结束语随着科学技术的不断发展，通过分析预应力混凝土管桩的影响因素，对每种因素采取合理的措施，结合适宜的沉桩工艺。来保证工程质量的耐久性及安全性。实际应用过程中只有不断积累经验，改进设计及施工工艺，扬长避短，才能做到技术先进、安全、经济合理、确保质量。