PHC管樁沉設(shè)樁身破損原因及施工對(duì)策

陳俊海，胡偉

（渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司，天津 300452）

1 工程概況

某27萬(wàn)t/a脂肪酸甲酯項(xiàng)目碼頭工程，位于江蘇省南通市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)江海港區(qū)老通常汽渡碼頭與江山農(nóng)化碼頭之間，由碼頭、引橋和引道三部分構(gòu)成，為高樁梁板式結(jié)構(gòu)。

碼頭總長(zhǎng)215m、寬25m，共分3個(gè)分段，碼頭排架間距8.3m，每個(gè)排架設(shè)3根直樁、4根斜樁，斜率采用5∶1或7∶1，樁頂標(biāo)高3.20m，樁長(zhǎng)46～51m不等。兩座引橋自上游起分別為1號(hào)引橋、2號(hào)引橋，長(zhǎng)度分別為176.373m、188.339m，寬12m；靠碼頭端設(shè)喇叭口，引橋排架間距16m，近岸側(cè)部分受水位影響，采用φ1 000灌注樁，其余部分全部采用PHC管樁，其中斜樁斜率采用5∶1或6∶1，樁頂標(biāo)高5.34～6.34m，樁長(zhǎng)為50m、41m兩種。碼頭及引橋管樁全部采用φ800C+B混合型PHC管樁（上管節(jié)C型，長(zhǎng)30m），共計(jì)298根。

2 地質(zhì)情況

工程所在地區(qū)地貌類(lèi)型屬長(zhǎng)江三角洲平原長(zhǎng)江潮間帶，江堤外為長(zhǎng)江現(xiàn)代河床，泥面向江心傾斜，岸側(cè)至碼頭前沿高程從+1.60m漸變?yōu)?10.0m。根據(jù)勘探情況本工程揭露土層自上而下劃分為5個(gè)大層，及分屬不同層次的14個(gè)亞層，各土層的工程地質(zhì)特征[1]如下：

Ⅰ1素填土：主要分布在擬建引橋根部的長(zhǎng)江大堤邊，為黏性土，厚度為0.6～0.9m。N63.5=4擊左右。

Ⅰ2沖填土（粉砂性）：分布在擬建碼頭引橋根部長(zhǎng)江大堤的陸域側(cè)，頂面標(biāo)高為+7.59～+7.12m，厚度為4.9～5.4 m。N63.5=8～11擊。

Ⅲ2灰色粉細(xì)砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：該層和Ⅲ1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂呈相變關(guān)系，分布比較零散。頂面標(biāo)高為－3.0～－13.7m，厚度為 1.4～6.5m，N63.5=3～7擊。

Ⅳ1灰色粉細(xì)砂：飽和，稍密～中密。該層頂面標(biāo)高為－5.0～－17.0m，厚度為 4.0～12.0m。N63.5=10～20擊。

Ⅳ1t灰色粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：飽和，松散～稍密。該層以透鏡體狀零星分布在Ⅳ1層中，分布比較零散。頂面標(biāo)高為－16.0～－24.0m，厚度為 1.3～4.0m，N63.5=7～12擊。

Ⅳ2灰色粉細(xì)砂：飽和，中密，局部為密實(shí)狀。該土層在勘探區(qū)內(nèi)均有分布，頂面標(biāo)高為－13.0～－27.0m，厚度為4.0～18.0m。N63.5=17～33擊。

Ⅳ2t灰色粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：飽和，稍密（局部為中密狀）。該層以透鏡體狀零星地分布在Ⅳ2灰色粉細(xì)砂層中，分布也較為零散。頂面標(biāo)高一般為－22.0～－40.0m，厚度為 2.0～3.2m，N63.5=11～15擊。

Ⅳ3灰色粉質(zhì)黏土：飽和，可塑偏軟～可塑。1號(hào)引橋區(qū)頂面標(biāo)高為－23.70～－29.50m，厚度為6.0～13.7m，而其它區(qū)域頂面標(biāo)高為－33.0～－40.0 m，厚度為 2.0～5.0 m。N63.5=4～9擊。

由于企業(yè)資質(zhì)審核不嚴(yán)，造成長(zhǎng)三角地區(qū)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸環(huán)境呈現(xiàn)出小、散、亂的特點(diǎn)，安全管理不達(dá)標(biāo)。所以，要通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外成熟的行業(yè)規(guī)章，制定與我國(guó)國(guó)情相符合的危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸行業(yè)市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制，提高企業(yè)的市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻，例如：要求相關(guān)人員獲得從業(yè)資格證并定期進(jìn)行資質(zhì)考核。與此同時(shí)，控制危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸企業(yè)數(shù)量的增長(zhǎng)，并以此進(jìn)行行業(yè)內(nèi)的適度壟斷，遏制惡性?xún)r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的蔓延，促進(jìn)符合安全管理標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)在良好的外部環(huán)境中發(fā)展，并且要徹底查處掛戶(hù)經(jīng)營(yíng)行為，規(guī)制行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)亂象，以促進(jìn)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸行業(yè)的有序發(fā)展。

Ⅳ3t灰色粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：飽和，稍密～中密。該層頂面標(biāo)高為－31.5～－44.0m，厚度為2.0～8.6m不等。N63.5=12～20擊。

Ⅴ1灰色粉細(xì)砂：飽和，中密～密實(shí)。該土層在勘探區(qū)內(nèi)均有分布，頂面標(biāo)高為－35.9～－49.0m，厚度為4.6～13.6 m。N63.5=20～40擊。

Ⅴ1t灰色粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：飽和，稍密～中密。該土層在擬建區(qū)域以透鏡體狀零星分布于Ⅴ1層中，頂面標(biāo)高為－43.7～－47.3m，厚度為 1.7～2.0m。N63.5=15擊。

Ⅴ2灰色粉質(zhì)黏土：飽和，可塑（局部近可塑偏軟）。該土層僅在勘探孔Y5和MZK2孔中有揭示，該層頂面標(biāo)高為－41.3～－44.1m，厚度為 5.0～6.0m。

Ⅵ灰色細(xì)砂：飽和，密實(shí)（局部為中密狀）。該層分布較廣，頂面標(biāo)高為－43.6～－53.2m，厚度均未揭穿。N63.5=30～48擊。

3 PHC管樁沉設(shè)狀況

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[2]，結(jié)合設(shè)計(jì)文件要求及地質(zhì)勘查報(bào)告，選用“三航樁6號(hào)”、“奔騰樁1號(hào)”打樁船，分別配備D100、D128柴油錘進(jìn)行PHC管樁水上沉設(shè)；沉樁采用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量定位，輔之以陸上全站儀進(jìn)行測(cè)量校核。

管樁沉設(shè)施工按照先引橋后碼頭的總體沉樁順序，開(kāi)始時(shí)沉樁施工進(jìn)展順利，樁頂標(biāo)高均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但在隨后的碼頭區(qū)D7、D8、C7、C7補(bǔ)、C8、B5樁施工過(guò)程中，連續(xù)出現(xiàn)突然錘擊聲音及沉樁貫入度異常情況，經(jīng)檢測(cè)為樁身破損，破損位置1根位于B型（下節(jié)）與C型（上節(jié)）樁接頭以上20 cm左右，其余5根均斷在接頭以下20 cm處；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉樁記錄及地質(zhì)勘察報(bào)告，發(fā)生樁身破損時(shí)管樁接頭除D7、C7補(bǔ)樁外，其余樁均位于泥面附近+2m位置，見(jiàn)表1。

表1 異常樁沉樁記錄表

研究分析后，采用更換D128錘為D100錘、增加樁墊厚度至30 cm，以及“停停打打”的沉樁方法，選擇下游段15G、16G、17G樁位進(jìn)行試樁，但沉樁完畢經(jīng)低應(yīng)變檢測(cè)，樁體存在嚴(yán)重裂紋，判定為斷樁。

4 斷樁原因分析

參照沉樁記錄及地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)樁身破損原因進(jìn)行分析。

1）1號(hào)引橋與碼頭雖然位置臨近、樁長(zhǎng)相近，但地質(zhì)情況差異較大，引橋區(qū)域的河床標(biāo)高為+0左右，砂層相對(duì)較薄，標(biāo)貫擊數(shù)較低；而碼頭區(qū)域河床標(biāo)高普遍為-9m左右，砂層較厚，標(biāo)貫擊數(shù)較大，且埋深較淺。

2）碼頭泊位區(qū)域IV2層（灰色粉細(xì)砂）層位較高、標(biāo)貫大，且自上游到下游厚度逐漸加大，對(duì)于上游IV2層不太厚時(shí)，該樁基本能輕松穿過(guò)去，一旦IV2層較厚時(shí)，沉樁阻力加大，錘擊數(shù)及打樁應(yīng)力必將同時(shí)增大。

3）碼頭5～7排架是樁身破損集中區(qū)域，最近的地質(zhì)勘察鉆孔Y3距該區(qū)域約23m，雖然現(xiàn)有勘察報(bào)告不能完全反映該異常區(qū)域地質(zhì)情況，但根據(jù)對(duì)樁身破損沉樁過(guò)程分析，也可初步判斷該區(qū)域的砂層較周邊埋深較淺，厚度大。

4）相關(guān)研究資料[3-4]表明：沉樁過(guò)程中，在樁的承載力較小的情況下，錘擊能量越大，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力也越大；如錘擊能量一定，則阻力越大，壓應(yīng)力越大，拉應(yīng)力也越大；在樁的承載力較大的情況下，錘擊能量的變化對(duì)樁身產(chǎn)生的拉應(yīng)力大小沒(méi)有明顯的影響。本工程沉樁開(kāi)始后，樁尖快速穿透上部承載力較弱的土層，由標(biāo)貫N63.5約10擊左右的土層進(jìn)入標(biāo)貫N63.5達(dá)20擊以上的IV2灰色粉細(xì)砂層，而此時(shí)上、下節(jié)管樁設(shè)計(jì)的接縫正處于泥面附近，樁身入泥深度較淺。眾所周知，樁的承載力是由樁端承載力和樁側(cè)負(fù)摩阻力構(gòu)成的，樁周土體為樁身提供了橫向約束，但由于樁身入土淺，樁身的長(zhǎng)細(xì)比和自由度大，再加上由軟弱土層突然進(jìn)入硬持力層，沒(méi)有過(guò)渡層，樁端阻力的突變，使樁的壓應(yīng)力及拉應(yīng)力突然加大，最終導(dǎo)致整個(gè)樁體韌性最差的接頭，正處于晃動(dòng)彎矩最大處附近，從而引起樁身破損。

5 措施及效果

1）第一、二分段剩余60根φ800mm C+B混合型PHC管樁調(diào)整為C型φ1 000mm PHC管樁，第三分段調(diào)整為通長(zhǎng)C型φ800mm PHC管樁，樁長(zhǎng)均縮短8～9m。

2）根據(jù)試樁確定最終方案和樁錘型號(hào)，采用“重錘輕擊”的方式調(diào)整D100錘為D128錘，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后對(duì)試樁進(jìn)行高應(yīng)變測(cè)試，確保承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求和樁身完整性。

3）更換替打內(nèi)的緩沖鋼絲繩，調(diào)整樁墊厚度為30 cm。

4）嚴(yán)格控制沉樁速度，當(dāng)樁尖進(jìn)入IV2灰色粉細(xì)砂層，貫入度突然變小時(shí)，及時(shí)調(diào)整油量避免錘體回跳過(guò)高，降低沖擊體沖擊能對(duì)樁身應(yīng)力的影響。

5）調(diào)整樁長(zhǎng)、樁徑，并經(jīng)試樁確定最終設(shè)計(jì)和沉樁工藝方案，使樁基施工得以順利進(jìn)行，確保了沉樁質(zhì)量和工期。

6 承載力理論驗(yàn)算與檢測(cè)

6.1 承載力理論驗(yàn)算

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[2]按承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式：

式中：Qd為單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值，kN；γR為單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.45，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜或永久作用所占比重較大時(shí)取1.55；U為樁身截面周長(zhǎng)，m；qfi為單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m；qR為單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；A為樁身截面面積，m2。

結(jié)合《27萬(wàn)t/a脂肪酸甲酯項(xiàng)目碼頭工程巖土工程勘察報(bào)告》的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值（見(jiàn)表2），經(jīng)驗(yàn)算，如調(diào)整原設(shè)計(jì)持力層Ⅴ1灰色粉細(xì)砂層為Ⅳ2灰色粉細(xì)砂層中下部作為樁基持力層（樁尖置于標(biāo)高－26.0～－35.0m），則：當(dāng)采用φ800mmPHC管樁時(shí)，單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)4 290～5 730 kN；當(dāng)采用φ1 000mmPHC管樁時(shí)，單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)5 300～7 090 kN左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求。

表2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值

6.2 承載力檢測(cè)及結(jié)論

沉樁全部完成后，對(duì)未檢測(cè)的剩余樁基進(jìn)行檢測(cè)，包括高應(yīng)變檢測(cè)10根、低應(yīng)變檢測(cè)41根，所有異常樁均進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示剩余樁基除1根樁判定為II類(lèi)樁外，其余均為I類(lèi)樁，樁身完整，樁基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

PHC管樁具有混凝土強(qiáng)度高、剛性大以及便于施工等特點(diǎn)，但脆性較大，為避免PHC管樁在打樁過(guò)程中因地質(zhì)條件復(fù)雜，或錘型選擇與打樁應(yīng)力控制不當(dāng)造成樁身破損，應(yīng)做好以下工作：

1）管樁基礎(chǔ)施工前，應(yīng)充分了解周邊類(lèi)似工程的施工情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，選擇確定合理的施工設(shè)備和施工方案。

2）勘探點(diǎn)的設(shè)計(jì)間距應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，以保證設(shè)計(jì)和施工的順利進(jìn)行。

3）當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，需要穿越具有一定厚度、中密狀以上的砂層或硬土層時(shí)，應(yīng)充分考慮其對(duì)PHC管樁樁徑、壁厚等參數(shù)的影響，盡量選用通長(zhǎng)樁，以減小沉樁過(guò)程中樁身接頭對(duì)沉樁質(zhì)量的影響。

4）根據(jù)管樁的成樁機(jī)理結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)確定的收錘標(biāo)準(zhǔn)——最后貫入度進(jìn)行合理控制，避免在地質(zhì)條件復(fù)雜的場(chǎng)地施工導(dǎo)致管樁破損率增大。

[1] 中交三航院勘察工程有限公司.27萬(wàn)噸/年脂肪酸甲酯項(xiàng)目碼頭工程巖土工程勘察報(bào)告[R].上海：中交三航院勘察工程有限公司，2005.

[2] JTJ254—98，港口工程樁基規(guī)范[S].

[3] 史吉新.對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中打樁應(yīng)力影響的分析[J].施工技術(shù)，1993（9）：19-21.

[4] 賀明.PDA動(dòng)力測(cè)樁技術(shù)在打樁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2004（4）：16-19.