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微型桩加固系统及防腐

简介：
自人们修建用途各异、适应于不同环境的建筑之始，支撑这些建筑的基础便需要不断改进，满足建筑要求和结构上的需要。随着城市的不断扩张，有时无法在地面或接近地面处找到适合的支撑场地。因此，人们设计出地基将压缩载荷转移到适宜的承重地层。
常受风力及地震影响的建筑，更高也更狭窄，其地基要能够支撑压缩荷载、及竖直和平面方向受力。相对于大型混凝土基础需要较大场地和大量的开挖，小且深的钻井或桩基成为更经济的选择，其主要构成是混凝土和水泥砂浆中嵌入钢筋。
微型桩就属于这一类基础。微型桩结构简单，但在设计和施工上非常独特，已经得到越来越广泛的应用。

微型桩的演变
微型桩的概念起初是由Fernando Lizzi博士在20世纪50年代提出，此后发展出各种微型桩系统，采用钢筋条/水泥砂浆的结合，有些配置有钢管护套。

Lizzi的观点是用群桩来构成基础。这些群桩如同树根一样加固了土层。Lizzi博士将其命名为树根桩（见图1）。

此后发展出了不同的安装方法和加固方法，有必要将各种桩基础归于统一的类型之下。最初统称“迷你桩”，之后改名为“微型桩”。

随着国际微型桩工作室（IWM）的成立，微型桩在北美的岩土工程和基础工程领域声名鹊起，之后在国际上也广为人知。微型桩主要应用于摩擦桩，用以承受张力和/或压缩负载。

什么是微型桩？
通常直径在300mm以内，钻孔并灌浆，中间为单独的钢筋或多条钢筋。

微型桩的独特之处在哪？
安装微型桩所需的钻孔设备相对较小，可以在入口有限、净空高度较小的条件下安装。单个或成组都可以。以TITAN IBO系统为例，安装微型桩只用到了旋转钻。这样便减少或消除了振动可能引起的结构损坏。而其他采用重冲击和打桩的方法都会造成振动，尤其在建筑物里面或附近，都有可能引起结构损坏。

钢筋材料为单根实心的或空心，外部为连续螺纹，可切削成各种长度。

本文旨在向设计人员和专业基础工程承包商介绍，各种适用于钻孔灌浆微型桩的加固方法和防腐措施。

GEWI桩

我在北美第一次介绍迪维达螺纹钢筋系统时（1967年），建议可以将其作为加拿大Bonnybrook污水处理厂所采用的拉力桩(抗拔桩)中的后张法单钢筋。

要支撑大型污水曝气池，防止其抬升，大约需1500根桩。这是迪维达螺纹钢筋第一次应用于群桩以及地质支撑领域。凿穿式柴油锤用来驱动管套穿过覆岩层，使用内部钢钎清洗管套，并将管套超前钻进至埋藏基岩。在自由应力长度内，使用内部含沥青涂层的热收缩套（黄夹克）对钢筋进行防腐。把金属护套作为额外的防粘结材料，安装在电镀钢筋上。钻孔和管套都经水泥灌浆。每根桩所受的的应力都达到了测试负荷，当达到设计负荷时停止；设计负荷与提升力相等。
20世纪70年代，迪维特钢筋开始进入60级和75级螺纹钢筋的市场，称作GEWI钢筋，引导了“GEWI桩”的发展。

GEWI桩由当时岩土工程的领军任务Thomas Herbst博士提出。GEWI源自德语词GEWINDE或THREAD。GEWI桩通过开放式或管套式钻孔法安装。GEWI钢筋组成同心钢筋。钻孔注入水泥浆。为增加灌浆量以达到桩的粘合承载力，将后灌浆管安装在灌浆结体的外周。后灌浆可重复数次，直至达到所需的压力或表面摩擦力。

销桩

20世纪70年代，美国Nicholson建设公司开发出了销桩。销桩系统采用外置管套固定钻孔，内部钻杆用于清洗管套，或向更坚硬的土层中钻进。安装中心钢筋，单钢筋或多条钢筋(见图6和图7)，并对管套进行水泥灌浆后，管套在持续压力灌浆下缓慢拉出，部分留在土层中，作为额外的加固件增加弯曲时间和/或水平荷载能力，防止空隙较大的土层中的灌浆损失。后灌浆系统也可使用这种销桩。

TITAN/TBO 注浆钻孔微型桩

微型桩的施工包括以下步骤：
l 钻孔
l 安装钢筋
l 灌浆

最新发展的施工方法之一，是将全部步骤合为一个步骤安装。这一施工方法使用空心钢筋，有时会内置实心钢筋或铰线，也可是后张力型的。（见图10和图14）。
注浆钻孔(IBO)桩是由德国Friedrich Ischebe ck Gmbh公司和加拿大Con-Tech系统公司共同开发的，是由根桩概念发展而来的钻孔、灌浆、加固微型桩。这种装和土壤完全结合成一个整体，形成基础系统加固土层，尤其当其以群组安装时。这种桩的钻孔、灌浆、注浆工序一步完成，采用空心钢筋作为钻杆；灌浆导管配有可抛弃式特殊钻头；采用回转钻进方式。钻头有射流开口，允许钻孔时进行压力灌浆。在钻进和空心钢筋灌浆的过程中，使用水泥浆并借助埋头，持续冲洗钻屑或将钻屑导出。这种方法优点在于钻孔稳定，地层不会松散或沉陷，灌浆彻底，密度大。图8、图13展示了这种桩挖出的情况。

开发这种TITAN桩，基本理念是使用小型钻孔设备安装高性能的桩，可在架空空间有限的室内狭小空间里操作，对已有的地基进行加强或增加其抗震性能。

表7：MAI空心钢筋性能

防腐

除水泥灌浆外，如需额外的防腐措施，可采取以下几种方法：

1） 热浸镀锌或锌金属化
钢筋部件可按ASTM A-153标准进行热浸或金属化。锌是常见的、相对较便宜的电镀材料，用于铁和钢。锌的作用是牺牲阳极，也就是说，锌在腐蚀性环境中腐蚀，使铁变为阴极。混凝土和水泥浆(PH>12)含碱度高，将锌溶解至一定程度，当PH<12时，由于其表面钝化膜的变化，锌发生了轻微的腐蚀。如果锌镀层接触到空气中的二氧化碳，这层钝化膜就会稳定。因此锌镀层暴露在空气中，仍然能起到很好的防腐作用。
镀锌要求严格控制镀层的厚度，保证螺纹的规格。多数情况下，螺母或耦合器内的螺纹必须比一般尺寸大，这样就可能降低负荷能力，我们已发现采用金属法就不再需要加大螺纹尺寸。如能遵循ASTM标准加以实施，热浸镀锌和锌金属法都能提供良好的保护镀层。

2） 熔化粘合环氧树脂涂层

环氧树脂涂层应符合以下标准之一：ASTM A-934,ASTMA-775,或AASHTO第M284条。使用环氧树脂涂层需要加大部件的螺纹尺寸。同时需防止涂层受损。

3） DCP, 双防腐系统（不适用于空心钢筋）
这种方法多数应用于车间，用于螺纹钢筋或全螺纹钢筋。这种额外的防腐措施是迪维特GEWI桩概念和地层锚固技术的一部分，在国际上广为应用。
用垫片将钢筋安装在正中，完全密闭在波纹状（有加强肋）的PVC或HDPE护套内。钢筋和护套之间的环形空间至少为5mm厚，车间水泥灌浆。
护套强度应足以防止施工操作中的损害，应防水，化学性质稳定，无脆化、无软化。护套墙的材料应遵循ASTM D-3350聚乙烯标准，第335520C条;ASTM D-1248, HDPE应遵照AASHTO No.M252标准，PVC应遵照ASTM D-1784 13464-B等级标准。

封装的材料应具备以下性能：
l 可将压力从预应力筋周围的水泥浆转移到粘合区域水泥浆上。
l 能够在调试过程以及停止后进行调节
l 抗化学腐蚀
l 抗紫外线老化
l 对预应力筋无害
l 能承受操作及安装过程中的 磨损、冲击、弯曲