泡沫混凝土劲性复合桩施工质量控制试验研究

时间：2024-08-31

温定焕

(1.福建省岩土与环境企业工程技术研究中心福建龙岩 364000； 2.福建永强岩土股份有限公司福建龙岩 364000)

0 引言

泡沫混凝土是用物理或化学方式制得泡沫，而后加入到由水泥、水、掺合料、促凝剂等搭配而成的料浆中混合均匀，最后浇注成型，成为一种多孔混凝土[1]，具有密度及强度可调，可泵性好，造价便宜，其强度甚至可达十几兆帕。作为一种轻质材料，在建筑工程中广受欢迎，但大多数的应用还是在保温隔热或回填方面。PHC管桩，亦称预应力高强管桩，作为桩基础的一种重要形式，因其桩身质量稳定可靠、强度高、耐施打、穿透能力强、污染小、经济且施工快速等优点，在我国许多地区得到推广应用[2]。

劲性复合桩是一种由散体桩和柔性桩、刚性桩中的2种或3种复合形成的桩，是桩基础设计中一种新的选择，尤其在软弱地基的情况下[3]。本文所述泡沫混凝土劲性桩复合桩是通过泡沫混凝土与预应力管桩的结合，从而扩大整个桩体的摩擦面，既而提高其抗压强度。其中泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥、掺合料均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工成桩，一定强度后再插入预应力管桩，泡沫混凝土硬化后紧紧包裹住预制桩体，从而形成强度更高的复合桩体。

本文通过泡沫混凝土劲性复合桩施工工艺试验研究，详细阐述了泡沫混凝土劲性复合桩施工工艺及控制关键要点，克服短桩施工问题，确保施工质量，为类似劲性桩的施工及推广提供参考。

1 试验概况

试验场地位于于龙岩龙雁工业集中区龙岩正强管桩2#厂房区域，场地地面标高为288.14m～308.27m，场地平均高差为20.13m。场地为低丘缓坡地，残坡积丘陵地貌，地下水埋藏较深。

根据地质勘察揭露，场地土层自上而下为：

①素填土：分布于整个拟建场地，灰白色、土黄色，很湿，松散，主要由粘性土组成，内含少量强风化角砾，为近期人工堆填，未完成自身固结和密实，揭露厚度0.50m～23.60m，平均厚度16.25m，地基承载力特征值90kPa，桩的极限侧阻力标准值25kPa。

②含角砾粉质粘土：分布于整个拟建场地，浅黄色、紫红色、黑褐色，湿，可～硬塑状，主要由粉粘粒组成，局部含角砾，含量10%～20%，粒径2mm～20mm，分布不均匀，局部见碎石，揭露厚度11.50m～34.07m，平均厚度22.44m,如图1所示。

图1 试验场地典型地质剖面图

2 试验方案

本次试验桩外芯直径为800mm的泡沫混凝土桩，长10m，处于填土层中，内芯为PHC500-100-AB管桩，强度C80，分别进行等芯桩及短芯桩两组施工，如图2所示，试验桩试验组数如表1所示。

表1 泡沫混凝土劲性桩试验分组一览表

注:1-泡沫混凝土桩；2-劲性内芯(预制桩)

3 试验方案及工艺

3.1 施工工艺

泡沫混凝土劲性复合桩由泡沫混凝土外芯与PHC管桩内芯组成。其施工工艺如图3所示。

图3 劲性复合桩施工工艺流程图

整个试验过程，泡沫混凝土材料制备及强度控制、PHC管桩的吊放及固定是施工工艺控制关键点，尤其是短芯桩的桩端悬空及桩位控制须特别注意。

3.2 施工关键控制要点

(1)泡沫混凝土材料密度及强度控制

试验泡沫混凝土由水、水泥、发泡剂、粉煤灰、细砂组成，其中，细砂必须经过孔径不大于0.25mm筛网过筛，滤去较大颗粒，以免颗粒加大引起泡沫混凝土消泡和混合过程对机器的磨损。根据需求可配制不同密度级的泡沫混凝土，抗压强度随不同的密度级而变化，根据试块抗压试验确定。本试验设计泡沫混凝土密度1000～1200密度级，考虑场地地下水影响，为了减少泡沫混凝土的水下分散性，适当加入纤维素醚，抗压强度控制在3～6MPa。如无地下水，则考虑1000密度级以下，抗压强度控制1～3MPa。

泡沫混凝土制备过程，水泥、水及其他掺合料在一级搅拌桶中保持搅拌3～5min后，再与泡沫在水泥发泡机的管道混合均匀，再经过高压管道输送，泵送至施工处，如图4～图5所示。

图4 泡沫混凝土配制流程图

图5 泡沫混凝土配制

(2)PHC起吊及安放控制

用两条编织好的钢丝绳套，一端对称捆绑在距离桩头约50cm位置，另一端钢丝绳套套在吊车的大挂钩上，然后缓慢起吊，直到管桩与地面垂直停止起吊，缓慢移动至孔口，管桩对中缓慢下放至孔底后，扶正管桩取出钢丝绳，并固定桩头保持居中(图6)。管桩下放过程保持垂直，避免碰撞孔壁造成塌孔。

图6 管桩起吊

为确保管桩在安放过程处于钻孔中间并固定，解决短芯管桩桩端悬空问题，施工设计在管桩一端焊接圆形钢板，钢板直径比管桩直径大8cm，然后用特制槽钢支撑架夹住管桩桩头凸出的钢板，如图7所示。

图7 管桩支撑板焊接及槽钢支撑架固定管桩

该施工过程注意事项：①圆形钢板居中焊接在管桩一头，钢板内侧与外侧均需环绕管桩头焊接；②槽钢支撑架必须水平放置，以保证管桩垂直度，故，场地应平整；③对拉螺栓必须锁紧，防止管桩脱落。

(3)灌注泡沫混凝土，养护成桩

泵送前，认真检查输送管及输送管接头是否完好，保证输送管不漏水；灌注开始前，将输送管内残留的水排出；施工中，因开始泵出的泡沫混凝土未搅拌均匀，先泵送一定量的泡沫混凝土于地面后，观察其是否混合均匀后再灌注桩孔。

开始灌注时，将输送管插入钻孔底部；灌注开始后，保持输送管埋入泡沫混凝土面下3m以上，避免输送管悬空灌注而造成泡沫消泡。灌注泡沫混凝土如桩顶位于地面以下，则将桩顶空孔部分充填至地面；灌注完成后，桩体养护28d，如图8～图9所示。

图8 灌注后的劲性桩及桩顶空孔回填

图9 养护后劲性复合桩

4 试验效果检测

对泡沫混凝土劲性复合试验桩进行静载试验，加荷方式为慢速维持荷载法，每级加载增量分别为一组200kN，二组180kN，加载至桩顶沉降大于前一级荷载作用下沉降的5倍、桩顶沉降量超过40mm时，终止加载。其加载Q～S曲线详见图10。一组曲线在加载至2000kN时，桩顶沉降已超过40mm，且出现明显陡降，故，取1800kN为其单桩极限承载力。二组在加载至1800kN时桩顶沉降出现明显陡降段，且沉降超过40mm，故，取前一级荷载1600kN为其单桩极限承载力。

图10 单桩竖向抗压静载Q～S曲线

其单桩静载试验极限承载力与纯PHC管桩极限承载力对比，如表2所示。对试验一组的经济性与管进行对比，对比结果如表3所示。

表2 纯PHC管桩与劲性桩的静载试验极限承载力对比

表3 1组经济性对比表

由表2可见，通过静载试验，在泡沫混凝土抗压强度5MPa～6MPa条件下，两组劲性复合桩可达1600kN以上，相比纯PHC管桩提高约4倍，大大提高了PHC桩单桩竖向承载力。该结果表明，泡沫混凝土在提高单桩竖向承载力方面比较可观。

由表3可见，一组的泡沫混凝土复合桩每米的综合单价是管桩的3倍，但1根泡沫混凝土承载力可为管桩的4倍，换言之，要达到相同承载力则需要4根管桩，总价相对节约20%以上。