鋼筋混凝土錨樁在振沖密實區(qū)施工的探討

周偉，周維，王福強

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014）

1 工程概況

QICT二期項目[1-2]位于巴基斯坦卡拉奇市QASIM港，為現(xiàn)有QASIM港國際集裝箱一期碼頭的擴(kuò)建工程。碼頭前軌基礎(chǔ)為鋼管樁與鋼板樁鎖口聯(lián)接的連片式結(jié)構(gòu)，每根鋼管樁內(nèi)采用2根錨桿分別與后方的錨碇系統(tǒng)相連，錨桿通過錨梁將力傳遞到連片式錨樁上，形成連續(xù)受力體；碼頭后軌基礎(chǔ)為灌注樁基礎(chǔ)。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

碼頭后方的錨錠系統(tǒng)采用鋼筋混凝土錨樁，該錨樁為非預(yù)應(yīng)力C50混凝土實心樁，樁長9.0 m，截面尺寸1.09 m×0.8 m，單根樁質(zhì)量約20 t。錨樁沉樁完成后樁頂標(biāo)高為+3.5 m、底標(biāo)高為-5.5 m，結(jié)構(gòu)尺寸詳見圖2。錨樁間為陰陽榫互鎖結(jié)構(gòu)，兩樁間隙允許偏差50 mm，垂直度控制在1∶75以內(nèi)。

錨樁施工區(qū)域全為推填施工的粉細(xì)砂，振沖前粉細(xì)砂的標(biāo)貫擊數(shù)為6～11擊。為了提高粉細(xì)砂的抗液化能力，在錨樁施工前，按照設(shè)計要求對粉細(xì)砂進(jìn)行了加中粗砂的振沖施工。振沖施工后，錨樁施工區(qū)域的標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到20～50擊。

2 施工機具性能

根據(jù)前述地質(zhì)特性、設(shè)計要求和相關(guān)施工經(jīng)驗，選用JB160全液壓步履式打樁機掛D80柴油錘施打非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土錨樁，施工設(shè)備性能參數(shù)見表1～表3[3]。

3 試樁施工

試樁施工利用JB160步履式打樁機配備D80柴油錘進(jìn)行。施工方法采用單獨插打法，即定位1根，施打1根。為盡可能地避免打壞樁頭，施工過程中采用“重錘輕打”，即一般情況下采用D80柴油錘的二檔進(jìn)行施工（三檔以上沉樁對樁頂部混凝土存在破壞），為了控制錨樁墻的軸線位置，保證樁的垂直度，減小樁的平面扭曲和提高定位的效率，施工時采用導(dǎo)向架進(jìn)行限位，如圖3所示。

施工過程中采用導(dǎo)向架控制錨樁平面位置，1臺全站儀和1臺經(jīng)緯儀交匯控制錨樁垂直度。

圖1 碼頭典型斷面圖

圖2 錨樁結(jié)構(gòu)圖

圖3 導(dǎo)向架示意圖

表1 JB160全液壓步履式打樁機主要參數(shù)

表2 D80柴油錘技術(shù)參數(shù)表

表3 錨樁定位及垂直度測量控制設(shè)備

打樁施工見圖4。第1根錨樁（AW19）施工時，利用已經(jīng)施工的AW12錨碇鉆孔樁作為安裝導(dǎo)向架的支撐樁，同時，由于本錨樁為單劈式樁尖，樁尖陰榫的倒角部分在沉樁時將受到較大的水平推緊力，使樁尖緊貼鄰近的錨樁。

圖4 錨樁施工示意圖

為了限制第1根樁在沉樁水平推力作用下發(fā)生偏位，AW19樁施工前在AW12錨碇鉆孔樁西側(cè)利用振動錘打入了長度超過9 m的H型鋼作為HN700定位鋼樁，利用HN700和AW12鉆孔樁共同抵擋這個水平推緊力，見圖3示。后續(xù)的錨樁施工就利用前1根錨樁的陰榫、左右的導(dǎo)向架滾輪和錨樁后側(cè)限位型鋼共同作用來控制錨樁的平面位置。

4 試樁施工存在的問題

本項目于2009年9月6日開始錨樁試樁施工，截至2009年10月12日，共施工錨樁11根。詳細(xì)情況見表4。

表4 試樁施工情況一覽表

錨樁施工后平面位置偏位較大，如圖5所示。

根據(jù)目前這11根試樁施工情況，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

（1）沉樁貫入度小，總錘擊數(shù)高；

（2）錨樁定位困難，沉樁過程中錨樁偏位嚴(yán)重；

（3）施工過程中樁頭破碎嚴(yán)重，樁身局部存在裂縫。

圖5 錨樁施工平面位置對比圖

5 問題分析和解決

5.1 沉樁貫入度小，總錘擊數(shù)高

通過表4可以發(fā)現(xiàn)錨樁沉樁過程中除了AW19樁沉樁貫入度稍大以外，其余的錨樁貫入度都很小，平均在2 mm左右，最小貫入度低于2 mm；且低于2 mm貫入度的錘擊數(shù)較多，持續(xù)時間較長。這對于D80柴油錘造成的損傷較大，同時也對錨樁樁頭和樁身混凝土造成一定的破壞。

分析原因，主要有以下幾點：

（1）振沖施工后，砂體密實，標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到了20擊以上，最高達(dá)到51擊，這是造成錨樁總錘擊數(shù)過多的直接原因。對普通非預(yù)應(yīng)力混凝土樁而言，標(biāo)貫擊數(shù)在18～20擊，打樁困難的概率就已經(jīng)很大了。

（2）粉細(xì)砂層在受打樁振動的影響下，錨樁附近的砂土顆粒重新分布而更加密實，吸收了大量能量。同時，錨樁沉樁過程中將等同于錨樁體積的土體擠入了周邊砂土中，使已經(jīng)振沖密實的砂土更加密實了。由于錨樁是依次緊挨施打的，土體相繼被加密，因而更增加了后續(xù)沉樁施工難度。

（3）錨樁樁尖截面尺寸過大，為660 mm×500 mm的矩形體，不利于沉樁過程中的樁尖擠土。

（4）后錨樁樁尖與前錨樁樁身在水平擠土推力作用下產(chǎn)生的摩擦或陰陽榫相互擠壓摩擦，消耗了錘擊能量，增加錘擊次數(shù)，造成沉樁困難。

采取的施工措施：

（1）增加鋼樁尖度：通過增加鋼樁尖度，增加錨樁擠土能力，減少端阻力以減少總錘擊數(shù)。試驗樁分別為AW27和AW29樁。樁尖形式如圖6所示。

圖6 AW27、AW29錨樁鋼樁尖結(jié)構(gòu)

經(jīng)試驗，AW27和AW29樁鋼樁尖施工效果相對較好，能夠有效減小入土阻力，減少錘擊數(shù)。

（2）減小穿透密實砂體的厚度：由于AW24樁總錘擊數(shù)達(dá)到了4 247錘，對于長度只有9 m的樁來說，錘擊數(shù)明顯過高。為此，在錨樁施工前將錨樁施工區(qū)域開挖到-0.5 m再進(jìn)行沉樁施工，開挖后，錨樁穿透砂體的實際厚度只有5 m左右。

從AW25樁開始，現(xiàn)場按照此方法進(jìn)行施工。由于減少了錨樁穿透硬層的深度，所以錘擊數(shù)有所減少。但是相對的貫入度仍然很小。

（3）利用旋挖鉆機將施工區(qū)域旋挖后沉樁，見圖7。

圖7 錨樁施工位置旋挖

在AW28沉樁區(qū)域，施工前利用旋挖鉆機配直徑800 mm的螺旋鉆對錨樁沉樁區(qū)域進(jìn)行了旋挖，旋挖深度8 m。旋挖完成后定位沉樁，定位時，周邊砂體坍塌到+0.5 m標(biāo)高，壓樁后，樁尖壓到-0.2 m標(biāo)高，開始沉樁。在樁尖從-0.2 m施工到-2.5 m的過程中貫入度較大，-1.5 m到-2.5 m的平均貫入度為2.72 mm，但是從-2.5 m到-5.5 m標(biāo)高的沉樁平均貫入度為1.4 mm左右，仍不理想。

（4）控制沉樁的偏位，減少錨樁間摩擦或陰陽榫相互擠壓摩擦。具體的偏位控制后面有詳述。而且為避免出現(xiàn)陽榫被陰榫內(nèi)的密實砂體擠出效應(yīng)，在錨樁施打前要清理前1根錨樁陰榫內(nèi)的密實砂體。

通過以上措施，在后續(xù)的沉樁施工中貫入度有了明顯改善，錘擊數(shù)也有了明顯的降低?；旧掀骄炄攵榷荚? mm以上，錘擊數(shù)在2 000擊以內(nèi)。

5.2 錨樁定位困難，沉樁過程中錨樁偏位嚴(yán)重

錨樁初定位中，由于受導(dǎo)向架的約束，可以很精確地進(jìn)行初定位。然而一旦開始響錘后，由于海側(cè)土體容易被擠壓及樁尖水平推力共同作用下，接觸并擠動導(dǎo)向架定位滾輪和陰榫側(cè)的定位型鋼，造成導(dǎo)向架定位滾輪支座被剪切破壞，陰榫側(cè)定位型鋼發(fā)生形變，錨樁與導(dǎo)向架架體直接接觸。這導(dǎo)致了單根錨樁往往要經(jīng)過定位→沉樁→拔樁（或挖樁）→再定位→再沉樁……才能開始正常沉樁施工，這個過程最長達(dá)到了3 h，沉樁拔樁4次。

錨樁定位導(dǎo)向架在錨樁定位的時候可以輔助錨樁快速定位，但是在錘擊的過程中，導(dǎo)向架無法限制住錨樁在水平推力作用下產(chǎn)生傾斜。

另外，由于側(cè)向限位不夠理想，沉樁阻力大，發(fā)生以陰榫槽為支撐點的旋轉(zhuǎn)。且旋轉(zhuǎn)發(fā)生有隨機性，導(dǎo)致樁軸線不在一條直線上。

根據(jù)以上實驗和分析，施工中采取如下改進(jìn)措施：

（1）安裝混凝土定位梁：先將錨樁施工區(qū)域開挖約1 m，然后在錨樁區(qū)兩側(cè)整平各安裝1根混凝土定位梁，該梁長11.11 m，斷面為0.8 m×0.8 m，重約18 t，安裝如圖8所示。定位完成后，將混凝土定位梁兩側(cè)土體回填，形成一定壓力差，且重約160 t的打樁架在岸側(cè)直接壓在混凝土定位梁上施工，限制定位梁的位移，從而有效減少錨樁的偏位。

混凝土定位梁上采用植筋法安裝鋼梁，通過鋼梁上的雙 35對定位架安裝固定。

（2）安裝定位架：以混凝土定位梁為根基，鋼梁為銜接，在錨樁的西側(cè)固定2套定位架，高約1.9 m，具體如圖9所示。通過這兩個定位架可以有效限制錨樁向圖9中的左側(cè)位移，使得錨樁陽榫和前樁陰榫較好接觸，從而限制錨樁陽榫的側(cè)位移，有效避免錨樁扭轉(zhuǎn)。

圖8 定位梁安裝圖

圖9 定位架安裝圖

（3）改進(jìn)替打：根據(jù)錨樁的截面尺寸加工替打，錨樁套入替打后，錨樁與替打間僅有1 cm間隙。將原有的3面封閉，1面開口的替打（為防止替打啃樁，在陽榫側(cè)，無替打擋裙），加工為4面封閉的替打（在陽榫側(cè)增加一個用螺栓連接的可拆卸擋裙，當(dāng)錨樁快沉入設(shè)計標(biāo)高后，拆除陽榫擋裙）。具體尺寸見圖10。

通過以上措施，后續(xù)的沉樁中偏位情況明顯改善，兩樁間隙基本控制在50 mm以內(nèi)，垂直度控制在1∶75以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5.3 施工過程中樁頭破碎嚴(yán)重，樁身局部存在裂縫

由于錨樁錘擊貫入度極小，并且錨樁在錘擊過程中的位移導(dǎo)致樁身傾斜，產(chǎn)生偏心錘擊，從而導(dǎo)致樁頭破壞嚴(yán)重，甚至樁身出現(xiàn)裂紋[4]。

根據(jù)以上情況，采取施工措施如下：

（1）改進(jìn)樁墊：原有樁墊為2層5 cm厚模板，改進(jìn)為1層5 cm厚模板+2層3 cm麻繩。

（2）為了進(jìn)一步摸清錨樁施工過程中的阻力情況和裂縫影響，對錨樁用CAPWAPC法進(jìn)行了檢測分析，試驗結(jié)果如表5所示。

從表5可知，錨樁的完整性良好。

圖10 改進(jìn)后的替打圖

表5 AW26樁高應(yīng)變試驗結(jié)果

（3）從表觀質(zhì)量和耐久性考慮，對樁頭進(jìn)行修補。將原樁頭破損區(qū)域松散混凝土鑿除干凈，利用角磨機加鋼絲球?qū)︿摻钸M(jìn)行打磨處理，安裝模板，涂抹環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，澆筑C50不收縮砂漿。

6 今后施工的建議

實施本項目，混凝土錨樁在振沖密實區(qū)的施工難度較大，而且每個錨樁的鎖口之間要有效地連接起來，定位難度相當(dāng)大。為此，提出以下幾點建議，供類似工程參考：

（1）在設(shè)計允許的條件下調(diào)整振沖和打樁的施工順序，以盡量減少打樁施工的難度。

（2）錨樁的樁尖形狀要對稱，并核算樁的重心與樁尖著地面的中心及樁頂?shù)闹行脑谕淮咕€上，可以有效減少定位難度和避免偏心受力。

（3）錨樁的鎖口形狀在設(shè)計受力允許條件下可以改成圓弧形，且鎖口接觸面可以考慮其他材料，以有效減少鎖口間的摩擦力，減少沉樁阻力。

（4）錨樁樁頭可增加護(hù)面鋼板保護(hù)，同時盡量采用大型液壓錘施工，以減少柴油錘沖擊速度對樁頭的破壞。

[1]巴基斯坦QASIM港QICT二期項目圖紙[Z].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院.

[2]巴基斯坦QASIM港QICT二期項目技術(shù)規(guī)格書[Z].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院.

[3]BS 8004：1986，Code of Practice for Foundations[S].

[4]徐群哲，廖宜勤.美國PIT低應(yīng)變動測儀和高應(yīng)變CAPWAPC法在基樁質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].江西建材，2000，（3）.