超長(zhǎng)、細(xì)、深PHC混凝土管樁施工研究及應(yīng)用

李華安，沈霞，王宏，衛(wèi)云昌

(中國(guó)五冶集團(tuán)上海有限公司，上海200940)

1 研發(fā)背景

寶鋼不銹鋼項(xiàng)目設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年生產(chǎn)鋼水265.6×104t，熱軋板卷239.9×104t。該項(xiàng)目采用當(dāng)今世界上先進(jìn)、成熟、可靠的工藝裝備，設(shè)備荷重大、安裝精度高，對(duì)基礎(chǔ)沉降量有嚴(yán)格的要求。

寶鋼以往類似工程都采用鋼管樁或鋼管混凝土樁(設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)大都在70m以上)，但具有造價(jià)高的缺點(diǎn)。自上世紀(jì)90年代后期以來(lái)，PHC混凝土管樁在上海鋼鐵企業(yè)建設(shè)工程中逐步使用后，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，但都用在上部荷載不大、對(duì)沉降要求不高的工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)一般都為45 mm左右，施工難度不大。工程之初，寶鋼提出以PHC混凝土管樁代替鋼管樁應(yīng)用于該項(xiàng)目。本工程如采用混凝土管樁，根據(jù)上海的地質(zhì)情況，必須保證樁順利穿透70～80 m土層而到達(dá)持力層。較之于鋼管樁，混凝土管樁在較大錘擊應(yīng)力作用下，樁頭及樁身容易破損，加之無(wú)類似工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，對(duì)施工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

主要施工技術(shù)性能指標(biāo):

(1)施工長(zhǎng)度達(dá)62～80 m、長(zhǎng)細(xì)比最大達(dá)187;

(2)樁頭及樁身?yè)p耗率控制在3%以下。樁身及樁頭在較大錘擊應(yīng)力作用下容易破碎，質(zhì)量不易保證;

(3)垂直度控制在0.3%以下。長(zhǎng)樁施工中對(duì)樁的垂直度控制也提出了較高要求，否則，樁基開(kāi)挖后樁頂平面位移很難滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求;

(4)樁材質(zhì)量控制。樁材混凝土等級(jí)為C60以上;

(5)超深送樁工藝控制。最深送樁深度14.4 m。

針對(duì)上述困難，公司成立了課題小組，對(duì)超長(zhǎng)、細(xì)、深PHC混凝土管樁施工進(jìn)行攻關(guān)，以保證該項(xiàng)任務(wù)順利完成。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本課題主要研究PHCφ400、PHCφ500、PHCφ600混凝土管樁在施工長(zhǎng)度達(dá)62～80 m、長(zhǎng)細(xì)比最高達(dá)187、送樁深度達(dá)14.4 m的施工技術(shù)。該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)及國(guó)外均無(wú)前例可參照，研發(fā)主要通過(guò)解決施工中存在的問(wèn)題，在工藝上、設(shè)備上進(jìn)行了一系列改進(jìn)，以保證該項(xiàng)目順利實(shí)施，達(dá)到工期和質(zhì)量要求。

課題組從樁材研究與改進(jìn)、沉樁工機(jī)具研究與改進(jìn)、超深送樁研究與改進(jìn)、“封閉樁”施工措施、形成長(zhǎng)樁施工工藝等方面進(jìn)行了研發(fā)，形成了該成果的關(guān)鍵技術(shù)及施工工藝，成功地在寶鋼不銹鋼、寶鋼ERW、寶鋼UOE項(xiàng)目中應(yīng)用，保證PHC混凝土管樁順利穿透62～80 m土層而到達(dá)持力層，保證所施工樁的完好性，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，也滿足了工期要求。

課題研究的“超長(zhǎng)深預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土離心管樁施工方法”、“預(yù)制混凝土樁超深送樁器”“透氣的樁帽”已陸續(xù)申請(qǐng)發(fā)明和實(shí)用新型專利，并已被國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理(申請(qǐng)?zhí)柗謩e為:200810200463.7、200920077666.1、20092007776 67.6)。

3 研發(fā)過(guò)程

3.1 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1.1 材料改進(jìn)與創(chuàng)新

(1)樁尖結(jié)構(gòu)研究及改進(jìn):為增加樁在硬土層的穿透力，將混凝土樁尖改成鋼樁尖，以增強(qiáng)其穿透硬土層的能力(圖1)。其工作機(jī)理為:加焊了環(huán)板的樁尖直徑略大于樁身直徑，減小沉樁過(guò)程中樁側(cè)的摩擦阻力。

圖1 改進(jìn)后的樁尖結(jié)構(gòu)形式

(2)PHCφ400AB型樁的壁厚向設(shè)計(jì)建議由85 mm改為95 mm，以降低樁單位截面受力，提高樁抗錘擊應(yīng)力的能力。

(3)樁頭加固:施工實(shí)踐表明，樁頂所承受的錘擊應(yīng)力最大，樁頭破損是施工中樁最主要的損壞形式。在該工程中，樁制作時(shí)，設(shè)計(jì)在最頂端樁節(jié)的上部2 m長(zhǎng)范圍內(nèi)，每m3混凝土內(nèi)添加RC－65/35－BN型鋼纖維20 kg，以增加樁頂?shù)哪痛驌袅?。這一措施極大地降低了施工中樁頭的破損率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，添加了鋼纖維的樁的抗破裂能力提高了10%～30%。

3.1.2 樁機(jī)的改進(jìn)與創(chuàng)新(實(shí)用新型專利——“透氣的樁帽”)

改進(jìn)樁帽結(jié)構(gòu):傳統(tǒng)樁帽如下圖2(a)所示，由于樁帽沒(méi)有開(kāi)設(shè)排氣孔，隨著樁入土深度的增加，樁中的土芯高度隨之升高，樁中的空氣無(wú)法排出，樁中的空氣逐漸受到壓縮，形成壓縮空氣，高壓氣體容易使樁身產(chǎn)生豎向裂紋。改進(jìn)后的樁帽如圖2(b)所示，增加了排氣孔，有效地避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 樁帽

3.1.3 超深送樁技術(shù)研究與創(chuàng)新(實(shí)用新型專利—“預(yù)制混凝土樁超深送樁器”)

工程中送樁深度最深為14.4 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)施工送樁深度，主要難點(diǎn)是送樁器不易拔出。一旦遇到這種情況，常規(guī)施工方法是將樁送至常規(guī)送樁深度，待樁基開(kāi)挖時(shí)再將樁切割至設(shè)計(jì)標(biāo)高。而本項(xiàng)目由于施工樁量大，采用常規(guī)方法割樁將造成樁材的巨大浪費(fèi)，影響工程造價(jià)及施工工期。課題組通過(guò)對(duì)送樁器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，有效解決了超深送樁送樁器不易拔出的難題。

傳統(tǒng)送樁器結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，送樁器頭部有臺(tái)肩，由于土體反作用力F作用在臺(tái)肩上，拔出時(shí)較困難。改進(jìn)后的送樁器如圖3(b)和圖3(c)所示。兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下:圖3(b)方案是在原有送樁器頭部增設(shè)減阻板，減小拔出時(shí)土的阻力，每施工4套樁需更換一個(gè)緩沖墊，但由于拔出時(shí)土的阻力比圖3(c)要大些，故在常規(guī)送樁時(shí)采用;圖3(c)方案是用與樁同直徑的鋼管制作而成，投入較大，拔送樁器時(shí)，緩沖墊會(huì)從送樁器中脫落，基本施工1套樁需更換一個(gè)緩沖墊，增加了緩沖墊的消耗量，但送樁器拔出時(shí)的阻力比圖3(b)方案小，故一般送深樁時(shí)才采用。圖4為送樁器及緩沖樁照片。

3.1.4 長(zhǎng)樁施工工藝研究與創(chuàng)新

與常規(guī)的樁基施工工藝相比，超長(zhǎng)、細(xì)、深PHC混凝土管樁的施工工藝要求更高，課題組對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研發(fā)。

圖3 送樁器結(jié)構(gòu)形式

圖4 送樁器及緩沖墊

3.1.4.1 施工機(jī)械

(1)機(jī)械設(shè)備的選擇。該工程配備了先進(jìn)的全液壓履帶式打樁機(jī)及經(jīng)工程實(shí)踐證明性能良好的德馬克D8.0 t、D6.2 t、D4.6 t樁錘。其中，D8.0 t樁錘施打PHCφ600AB、PHCφ500AB長(zhǎng)樁，D6.2 t樁錘施打PHCφ400AB長(zhǎng)樁;

(2)用D6.2 t樁錘施打PHCφ400AB長(zhǎng)樁的可行性和必要性。根據(jù)規(guī)范和以前的施工經(jīng)驗(yàn)，PHCφ400AB型樁宜選用4.6 t樁錘施打，但是該工程PHCφ400AB樁長(zhǎng)達(dá)60～80 m，要求樁尖穿透⑧3層進(jìn)入⑨1－2層，顯然選用4.6 t樁錘是不適宜的，樁是難于達(dá)到設(shè)計(jì)深度的，故選用6.2 t樁錘施打。選用D6.2 t錘施打有以下優(yōu)點(diǎn):①減少?zèng)_擊疲勞，避免樁頭和樁身的損壞。沖擊疲勞對(duì)打入式長(zhǎng)樁的損壞是很大的，每錘擊一次，樁身受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的交替作用，容易使混凝土內(nèi)砂漿和粗骨料粘結(jié)面上已存在的微裂縫逐漸擴(kuò)展，繼而強(qiáng)度隨之降低，即使錘擊應(yīng)力未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度，仍可能導(dǎo)致樁的損壞。選用較大的6.2 t柴油錘施打較之4.6 t柴油錘，反而會(huì)因打擊次數(shù)少且打擊能量迅速轉(zhuǎn)化為樁的貫入，從而降低樁身?yè)p壞的可能性。②重錘施打也可縮短打樁的時(shí)間，有利于作業(yè)效率的提高，可以加快施工進(jìn)度，充分發(fā)揮規(guī)范要求的重錘輕擊效果。

3.1.4.2 施工工藝

(1)單節(jié)樁長(zhǎng)度控制:打樁施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制單節(jié)樁長(zhǎng)度在10 m以內(nèi)，可避免錘擊時(shí)樁身中部產(chǎn)生較大的顫動(dòng)，避免樁身?yè)p壞;

(2)垂直度控制:一是嚴(yán)格控制單節(jié)樁材的垂直度，避免樁身彎曲變形。二是嚴(yán)格控制樁入土?xí)r的垂直度，避免樁在錘擊時(shí)偏心受壓(圖5);

(3)樁墊選用:做到一樁一墊，樁墊厚度大于100 mm，材料選用蜂窩紙。樁墊的作用可以緩沖樁的錘擊應(yīng)力，使打樁應(yīng)力分布均勻，延緩撞擊時(shí)間以利于樁的貫入。傳統(tǒng)上樁墊用木墊或紙墊，在本工程中的實(shí)踐表明，紙墊的效果比木墊好，因?yàn)槟緣|易板結(jié)，失去緩沖作用;

圖5 垂直度控制

(4)打樁作業(yè)中斷時(shí)間:一套樁從開(kāi)始施打到結(jié)束施打這一段時(shí)間里，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間中斷。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，樁周?chē)耐馏w應(yīng)力就會(huì)恢復(fù)，這樣打樁就會(huì)比較困難。施工中一旦發(fā)生這種情況(如設(shè)備壞、樁破損等)，一定要先用小檔位施打，待樁周?chē)耐了蓜?dòng)后再根據(jù)情況慢慢加大檔位。本工程采用CO2氣體保護(hù)焊也是為了避免因焊接時(shí)間較長(zhǎng)而長(zhǎng)時(shí)間中斷打樁作業(yè)，用CO2氣體保護(hù)焊每道焊縫只需7～8 min(至少2道以上)，而手工焊則需25～30 min以上;

(5)小樣樁定位:每次所施放的小樣樁數(shù)量?jī)H滿足每臺(tái)機(jī)組一天作業(yè)量為限，從而避免打樁排土對(duì)小樣樁擠壓而造成平面位移。同時(shí)，班組測(cè)量人員在沉樁之前還應(yīng)對(duì)小樣樁進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)糾正小樣樁的平面位移;

(6)樁頂標(biāo)高控制:由于群樁施工擠土量大，造成整個(gè)樁基現(xiàn)場(chǎng)土體上涌，從而造成已施工樁上浮，所以對(duì)于群樁送樁一般控制在超送樁20～40 mm。

3.1.5 “封閉樁”施工研究及創(chuàng)新

由于該工程邊設(shè)計(jì)邊施工，所以造成112套PHCφ400AB*90*72 m地坪樁在周?chē)鷺逗突A(chǔ)已施工完畢的情況下施打。如何保證周?chē)咽┕せA(chǔ)不受擠壓是施工難點(diǎn)。經(jīng)設(shè)計(jì)院同意，采取了如下措施并取得了良好效果。

(1)采用復(fù)合樁:靠近已施工基礎(chǔ)的樁全部改成開(kāi)口鋼管樁，其余樁由于考慮投資費(fèi)用，改成復(fù)合樁(圖6)，即下面35 m采用鋼管樁，上面37 m仍用混凝土管樁。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，72m鋼管樁土芯高度達(dá)35m左右，而混凝土管樁土芯高度僅20 m左右。該結(jié)果表明鋼管樁的排土量比較小。施工時(shí)對(duì)周?chē)A(chǔ)及已施工的樁的影響較小;

(2)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、減緩施工速度。

3.2 施工結(jié)果

該工程共施工PHC長(zhǎng)樁2 000套，總長(zhǎng)14.8×104m。平均長(zhǎng)度為74 m，采用多臺(tái)樁機(jī)同時(shí)施工(圖7)。最長(zhǎng)樁打入深度最長(zhǎng)為80 m。送樁最深為14.4 m。施工中共損壞樁26套，其中有樁材質(zhì)量原因、施工原因、地質(zhì)條件等因素，破損率及補(bǔ)樁率為1.3%，低于常規(guī)的混凝土樁施工的破損率3%。施工結(jié)果表明，本項(xiàng)目長(zhǎng)樁施工工藝是成功的。

圖6 復(fù)合樁施工

圖7 多臺(tái)樁機(jī)同時(shí)施工

4 與國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平對(duì)比

大量、集中施打長(zhǎng)度為62m至80m的PHC混凝土管樁在國(guó)內(nèi)外未有類似先例，經(jīng)過(guò)上海市科學(xué)技術(shù)查新:該技術(shù)成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。其先進(jìn)性主要體現(xiàn)在:

(1)PHC單樁打入深度達(dá)80 m，長(zhǎng)細(xì)比最大達(dá)187，尚無(wú)類似工程先例;

(2)通過(guò)用PHC混凝土管樁代替鋼管樁或鋼管混凝土樁，極大地降低了工程投資;

(3)施工中長(zhǎng)樁的破損率為1.3%，低于常規(guī)的一般混凝土樁3%的破損率;

(4)超深送樁:本工程最深送樁深度14.4 m。傳統(tǒng)方法將樁送至常規(guī)送樁深度(4～5 m)，待樁基開(kāi)挖后再將樁切割至設(shè)計(jì)標(biāo)高，本技術(shù)將樁直接送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，不需割樁，節(jié)約樁材、工期及機(jī)械臺(tái)班。

5 經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用前景

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

本工程共采用混凝土管樁2 000套，總長(zhǎng)達(dá)14×104m左右。由于采用了超長(zhǎng)PHC混凝土管樁代替鋼管樁，節(jié)省樁材費(fèi)用5 780萬(wàn)元;由于超深送樁技術(shù)的運(yùn)用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益29.9萬(wàn)元;復(fù)合樁技術(shù)的運(yùn)用，節(jié)約φ406.4×10鋼管樁5 376 m產(chǎn)生效益206萬(wàn)元。該工程總計(jì)節(jié)省費(fèi)用6 015.9萬(wàn)元。

5.2 應(yīng)用前景

與鋼管樁相比，預(yù)應(yīng)力混凝土管由于受樁穿透土層能力差、擠土量大、打樁時(shí)樁身不能承受較大錘擊應(yīng)力等缺點(diǎn)限制，目前在上部載荷較大、單樁設(shè)計(jì)較深的工程項(xiàng)目中的應(yīng)用受到一定的限制。本研究結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用于上部載荷較大、單樁設(shè)計(jì)較深的大型工業(yè)與民用建筑是可行的。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有優(yōu)良的受壓特性及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于大型工業(yè)與民用建筑必將成為樁基工程研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 寶鋼UOE樁基工程

該工程共施工PHC管樁5 500余套，單樁長(zhǎng)度為66 m至75 m。該工程施工效果良好。開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果為:全部合格，其中一類樁89%。

6.2 一鋼不銹鋼帶鋼(后續(xù))5標(biāo)樁基工程

該工程3 000套PHC管樁，其中有2 000套長(zhǎng)樁，長(zhǎng)樁單樁長(zhǎng)度為65 m～75 m，該工程施工效果良好，一次成優(yōu)。開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果為:全部合格，其中一類樁91%(圖8)。

圖8 一鋼不銹鋼帶鋼長(zhǎng)樁施工