沿海地區(qū)珊瑚巖地層預(yù)應(yīng)力管樁關(guān)鍵施工技術(shù)研究

郝 鵬

(中鐵十六局北京工程有限公司，北京 100018)

基礎(chǔ)穩(wěn)定性及承載力是建筑工程中的關(guān)鍵科學(xué)問題，直接影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性，地基承載力不足會導(dǎo)致建筑物不均勻沉降甚至整體塌陷、損毀。沿海地區(qū)地質(zhì)形成較復(fù)雜，多數(shù)沿海岸線地區(qū)遠(yuǎn)古時(shí)期處于海平面以下，由于珊瑚的不斷生長，地層中存在大量珊瑚巖礁盤及珊瑚巖碎石。珊瑚巖是珊瑚死后留下的石灰質(zhì)骨骼堆積而成的［1］，巖體強(qiáng)度很高，給基礎(chǔ)施工帶來不便，針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁作為一種預(yù)制樁，與其它樁型相比，有樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、強(qiáng)度高、穿透能力強(qiáng)、施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國沿海一帶得到了大量應(yīng)用。宋維金［2］研究了靜壓預(yù)應(yīng)力管樁施工過程所產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，提出了減小擠土效應(yīng)影響的具體措施;周健、陳小亮等［3］利用側(cè)面透明模型箱和鋁管半模樁模擬開口管樁在砂土中的沉樁過程，探明開口管樁沉樁過程中砂土的變形機(jī)制和土塞的形成機(jī)制;梁文成、韋蔓新等［4-5］通過分析蘇丹紅海沿岸的珊瑚巖土層的分布規(guī)律及工程特性，研究該地區(qū)的珊瑚巖土層地基承載力規(guī)律;馮小剛、陳尚勇［6-7］介紹PHC樁施工方法，分析樁身傾斜、樁身斷裂、爆樁頭及接樁處松脫開裂等異常情況。

參考國內(nèi)外文獻(xiàn)，目前大多數(shù)學(xué)者的研究主要集中在預(yù)應(yīng)力管樁在內(nèi)陸地基中的應(yīng)用，而對沿海地區(qū)珊瑚巖地層下施工力學(xué)行為及關(guān)鍵控制技術(shù)研究相對較少［8-9］。沿海地區(qū)珊瑚巖特殊地層的地基承載力，如果施工方法選擇不恰當(dāng)，使結(jié)構(gòu)安全性更差［10-12］。因此，對沿海地區(qū)珊瑚巖地層高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究具有重要理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

1 工程概況

工程場地位于三亞市鹿回頭公園南側(cè)，鹿回頭海灣與小東海海灣之間。場地東南約140 m為小東海，西北面約500 m為鹿回頭灣，由于場地臨近海邊，土層內(nèi)有大量珊瑚巖碎石及礁盤，是典型的沿海珊瑚巖地層。

采用的基礎(chǔ)樁類型為承壓樁和抗拔樁，其中PHCφ500×125(AB)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁樁數(shù)為3 030根，其中承壓樁分為ZH1和ZH2兩種，抗拔樁為ZH3型。ZH1型設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值為2 500 kN，共1 442根，設(shè)計(jì)有效樁長約35 m;ZH2型設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，共1 544根，設(shè)計(jì)有效樁長約27 m。ZH3型設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，單樁豎向抗拔承載力設(shè)計(jì)值750 kN，共44根，設(shè)計(jì)有效樁長約27 m，均為AB型樁。樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80，預(yù)應(yīng)力管樁采用62號柴油錘錘擊施工，現(xiàn)場照片如圖1所示。

2 施工工藝及參數(shù)

2.1 準(zhǔn)備工作

實(shí)行“三通一平”，打樁范圍內(nèi)場地平整，基坑內(nèi)水位在操作面以下50 cm，基坑周邊已做好坐標(biāo)控制點(diǎn)以便測定樁位。

預(yù)應(yīng)力管樁采用錘擊法施工，選擇HD62型樁機(jī)進(jìn)場施工，樁機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 珊瑚巖地層預(yù)應(yīng)力管樁現(xiàn)場施工

2.2 施工全過程工藝及參數(shù)

確定樁位和沉樁順序→打樁機(jī)就位→吊樁、喂樁→校正→錘擊沉樁→接第n根樁→錘擊第n根樁、沉樁、送樁→收錘→檢查驗(yàn)收→切割樁頭→移至下一樁位。

1)定位放線。現(xiàn)場控制坐標(biāo)點(diǎn)制作完畢并保證控制點(diǎn)在現(xiàn)場打樁施工時(shí)不受振動，確?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。根據(jù)打樁路線，利用控制坐標(biāo)將施工的樁位坐標(biāo)點(diǎn)放樣于施工場地，在每個(gè)樁位中心點(diǎn)上插入短鋼筋定位，扎上紅色塑料繩，再在鋼筋入地點(diǎn)撒生石灰做標(biāo)記，樁基施工順序見圖2。

表1 筒式柴油打樁錘參數(shù)

圖2 樁基施工順序由中部向邊沿打設(shè)

在沉樁施工期間，對控制網(wǎng)點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)定期復(fù)核和修正(7 d 1次)，以消除打樁振動及擠土效應(yīng)對控制點(diǎn)位的影響。樁機(jī)移位后應(yīng)盡快第二次復(fù)核，保證工程樁位偏差值＜10 mm。

2)吊樁及樁尖焊接。樁機(jī)移到指定樁位后，打樁前必須將樁臺調(diào)平，確保機(jī)身穩(wěn)固垂直。按樁身吊點(diǎn)位置固定吊索，穩(wěn)當(dāng)?shù)仄鸬豕軜?，待樁吊離地面至垂直后，提升到足夠高度，將樁頭放入樁機(jī)樁帽內(nèi)確保錘、帽、樁三心對正在一條垂線，帽與樁頂間確保有良好的接觸。在吊樁就位對中后，用二個(gè)吊線錘檢測樁身就位垂直度。樁的外邊線應(yīng)與經(jīng)緯儀十字絲縱線或吊錘線重合，否則應(yīng)調(diào)整到重合。

嚴(yán)格做到打樁錘(夾具中心)、樁帽、樁身中心線在同一鉛垂線，防止偏打使樁傾斜與損壞。在沉樁至樁身被土嵌固前必須跟蹤監(jiān)測保持樁身垂直，嚴(yán)禁在樁節(jié)下端已入土嵌固狀態(tài)下再度移動樁機(jī)或硬搬上樁端來校正樁的垂直，如發(fā)現(xiàn)已嵌固樁身不垂直，應(yīng)拔起該樁后調(diào)整樁機(jī)并在樁側(cè)面填木塊(條)等糾偏。

樁靴分為三種類型:A開口平底式、B封底十字刀刃式、C閉口鈍圓錐式，本工程選用C型樁靴施工，如圖3所示。

圖3 樁靴類型

3)沉樁及接樁。沉樁時(shí)要時(shí)刻校正樁身垂直度，邊沉樁邊校正，以保證樁身垂直度，樁垂直度偏差不得超過0.5%，避免由于樁身傾斜產(chǎn)生管樁損壞。設(shè)計(jì)有效樁長樓座下為35 m，車庫區(qū)域有效樁長為27 m，故在施工時(shí)需要進(jìn)行合理的配樁，并接樁。在第一節(jié)樁入土一定深度且樁身穩(wěn)定后按正常錘擊速度進(jìn)行錘擊沉樁，第一節(jié)樁身錘擊至外露長度為50～1 200 mm時(shí)停止錘擊。吊裝第二節(jié)樁，在接樁前將上下兩節(jié)樁端板上的泥土、油污、鐵銹用鋼絲刷清理干凈，坡口處露出金屬光澤。對接后若上、下樁接觸面不密實(shí)，可用不超過5 mm的鋼片嵌填，達(dá)到無縫為止并點(diǎn)焊牢固。固定定位鋼板，焊接前隨時(shí)校正樁身垂直度，上、下樁中心線偏差不大于5 mm，節(jié)點(diǎn)彎曲矢高不得大于樁身的0.1%。

焊條宜使用E43系列，焊接時(shí)應(yīng)先在坡口周圈對稱電焊4～6個(gè)焊點(diǎn)，待上下樁固定后再拆除固定板進(jìn)行焊接，確保焊縫可靠，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。焊接完畢后應(yīng)自然冷卻5～10 min后方可再錘擊，嚴(yán)禁澆水冷卻焊縫。

圖4 坡口焊接結(jié)構(gòu)

4)送樁。在樁基施工時(shí)施工作業(yè)面距設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底高程還有2 m的土層未開挖，故樁基施工時(shí)需要送樁。送樁使用鋼管送樁器，長度一般比施工面至樁頂設(shè)計(jì)高程距離長500 mm左右。送樁時(shí)，管樁樁頂露出地面高度控制在300～500 mm，在管樁頂部放置保護(hù)樁頂?shù)臉秹|，一般為硬木制作。送樁必須連續(xù)施打至樁頂設(shè)計(jì)高程，中途不得中斷。

5)截樁。在管樁施工完畢后，由于地質(zhì)原因或配樁原因部分管樁樁身高于設(shè)計(jì)高程，對于高出設(shè)計(jì)高程的部分應(yīng)進(jìn)行切除。切除樁頭前要在樁身上抄測出設(shè)計(jì)樁頂高程，切除樁頭要用專用切割機(jī)切割，嚴(yán)禁在管樁未切斷時(shí)使用大錘橫向敲斷或強(qiáng)行拉斷。

所有樁頭在施工完畢后要用沙袋蓋住，防止土或雜物掉入管樁內(nèi)。

3 施工關(guān)鍵控制技術(shù)

3.1 樁身垂直度控制及補(bǔ)樁方案

在施工過程中樁身垂直度控制十分重要，樁身不垂直容易導(dǎo)致施工中的斷樁，接樁時(shí)無法將兩節(jié)樁身有效緊密結(jié)合或成樁承載力下降。應(yīng)在施工前、施工中、施工后跟蹤檢查樁位及樁身的垂直度，確保樁身的垂直。在第一節(jié)樁身剛?cè)胪習(xí)r及時(shí)校正垂直度，在樁身進(jìn)入硬土層后嚴(yán)禁移動樁架強(qiáng)行將樁身掰正。

由于場區(qū)內(nèi)存在大量珊瑚巖礁盤，在錘擊過程中樁身很容易碰到地下的巖石。巖石質(zhì)地較堅(jiān)硬與旁邊的土質(zhì)密度不同，樁身容易出現(xiàn)傾斜、跑位的現(xiàn)象。提出具體補(bǔ)樁原則如下:兩樁承臺沿短邊平移超過150 mm或沿長邊平移200 mm以上的樁;三樁承臺沿短邊平移超過150 mm;四樁承臺的樁，由于每根樁均為角樁，偏移超過250 mm時(shí);整體樁筏中的樁，偏移250 mm以上的邊樁和偏移超過350 mm的中樁均需補(bǔ)樁。樁傾斜超過0.5%的須補(bǔ)樁，斷樁須補(bǔ)樁。

在施工中具體操作如下:

對于剛剛施打，樁身入土深度未超過樁長1/3的斜樁，使用吊車將樁身拔出，檢查樁身的完整性。如樁身完好無損(樁身未出現(xiàn)裂紋或斷裂現(xiàn)象)，則將樁再次置于原位，在樁身與土體的空隙放置木樁固定樁身的垂直度，輕捶慢打，邊錘擊邊校核垂直度，將樁身一點(diǎn)一點(diǎn)錘入土中，待樁頭穿過地下的巖石或礁盤再進(jìn)行正常的錘擊施工。

入土超過樁身長度1/3或無法拔出的樁位，無法在原樁位繼續(xù)進(jìn)行施打，需要設(shè)計(jì)對樁承臺受力重新進(jìn)行計(jì)算后，在承臺的其他位置進(jìn)行補(bǔ)樁處理。

3.2 樁承載力控制

樁身承載力直接影響到主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量及安全，對于樁身的承載力使用樁身設(shè)計(jì)有效長度和錘擊貫入度進(jìn)行雙控，主要操作如下:

當(dāng)樁端位于一般土層時(shí)，應(yīng)以控制樁端設(shè)計(jì)高程為主，貫入度為輔，在達(dá)到設(shè)計(jì)有效樁長后停止錘擊，需經(jīng)靜載試驗(yàn)檢測合格。以A26地塊第251#樁位為例，樁身達(dá)到設(shè)計(jì)要求的有效樁長，但是貫入度仍然很大，最后3陣貫入度達(dá)到4 cm左右，經(jīng)靜載試驗(yàn)檢測，樁身達(dá)到4 000 kN承載力，樁位合格。

當(dāng)樁端達(dá)到堅(jiān)硬、硬塑的黏性土、中密以上粉土、砂土、碎石類土及風(fēng)化巖、珊瑚巖礁盤時(shí)，樁身長度還未達(dá)到設(shè)計(jì)有效樁長，但樁身已經(jīng)明顯無法再向下錘擊，此時(shí)應(yīng)以貫入度控制為主，樁端高程為輔。沿海珊瑚巖地層預(yù)應(yīng)力管樁現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)，多數(shù)樁位遇到此種情況。在錘擊中密切注意錘擊深度，以1000 mm高度為標(biāo)準(zhǔn)，每10擊為1陣，檢測時(shí)連續(xù)3陣貫入度≤2.5～3.0 cm時(shí)，認(rèn)為達(dá)到承載力標(biāo)準(zhǔn)，可以停錘。施工完畢后通過靜載試驗(yàn)(500 t強(qiáng)壓)和低應(yīng)變檢測樁身承載力，如圖5所示。經(jīng)檢驗(yàn)樁身完整度全部達(dá)到Ⅱ類樁以上，經(jīng)抽檢全部合格。

圖5 靜載試驗(yàn)

3.3 珊瑚礁盤部位引孔技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場沿海地區(qū)實(shí)際情況及《三亞鹿回頭小東海A26，A26-1，A27，A27-1地塊項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告》，現(xiàn)場土質(zhì)為含珊瑚巖碎石深厚軟弱土層，土層中50%以上地區(qū)都存在珊瑚巖礁盤，在樁基施工過程中極易發(fā)生斜樁、斷樁、無法沉樁的現(xiàn)象。使用φ500長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行引孔作業(yè)，將樁位放樣于基礎(chǔ)操作面上，根據(jù)地質(zhì)情況及地勘報(bào)告，在有珊瑚巖的地區(qū)先使用鉆機(jī)在樁位上鉆孔5～6 m，將表層珊瑚巖進(jìn)行破碎、鉆孔，然后再進(jìn)行吊樁、沉樁施工。此方法有效地預(yù)防了樁在入土初期的偏位及斷樁的情況，大大節(jié)省了施工時(shí)間。

4 珊瑚巖施工質(zhì)量通病及工程對策

4.1 樁頂位移或上升涌起

樁入土后，遇到大塊孤石或堅(jiān)硬障礙物，把樁尖擠向一側(cè)。施工前用釬或洛陽鏟探明地下障礙物，較淺的挖除，深的用長螺旋鉆機(jī)鉆透或破碎。

樁身不正直，多節(jié)樁施工，相接的兩節(jié)樁不在同一軸線上，造成歪斜。施工時(shí)檢查樁身垂直度，對于樁身不正直的不能使用。

樁打不下或是樁向一側(cè)擠壓造成位移和涌起。研究結(jié)果是打樁順序不對，或是樁位排得太緊密造成的。施工時(shí)應(yīng)采用“插樁法”，減少土的擠密及孔隙水壓力的上升。

當(dāng)樁數(shù)過多，土體飽和密實(shí)，樁間距較小時(shí)，在沉樁時(shí)土被擠過密而向上隆起，有時(shí)使相鄰的樁一起涌起。施工中位移過大，應(yīng)拔除，移位再打;位移不大，可用木架頂正，再慢錘打入，障礙物不深，可挖去回填后再打;浮起量大的樁應(yīng)重新打入。

4.2 樁頭被擊碎

樁身在沉樁過程中碰到堅(jiān)硬的巖石或珊瑚礁盤，極易造成頂部破裂，應(yīng)進(jìn)行引孔施工，鉆透或破碎巖石，使樁身通過。

設(shè)計(jì)樁頂?shù)幕炷翉?qiáng)度等級不夠，預(yù)制樁時(shí)混凝土配合比不準(zhǔn)確，振搗不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不良，應(yīng)加強(qiáng)樁身混凝土質(zhì)量控制。

施工機(jī)具不當(dāng)，樁錘選用過大或過小，錘擊次數(shù)過多;樁頂與樁帽接觸不密實(shí)，應(yīng)合理選用施工機(jī)械，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況施工。

另外，沉樁時(shí)未加緩沖樁或樁墊不合，落錘太高等原因造成。

4.3 樁急劇下沉

樁身斷裂、遇到地下空洞導(dǎo)致樁身急劇下沉。遇水洞或淤泥層，應(yīng)試探該地質(zhì)區(qū)域有多大，區(qū)域不大時(shí)和設(shè)計(jì)溝通在周圍進(jìn)行補(bǔ)樁。樁身斷裂應(yīng)查明樁是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，樁身是否有缺陷。

5 結(jié)語

針對沿海地區(qū)珊瑚巖地層典型工程力學(xué)特性，分析該地層與高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁相互作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出全過程控制技術(shù)和補(bǔ)樁方案，確保樁身的垂直度和承載力。對珊瑚巖施工質(zhì)量通病進(jìn)行分類，提出實(shí)用的工程對策，總結(jié)出一套沿海地區(qū)珊瑚巖地層高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁關(guān)鍵施工技術(shù)。施工完畢后通過500 t強(qiáng)壓靜載試驗(yàn)和低應(yīng)變檢測樁身承載力、樁身完整度全部達(dá)到Ⅱ類樁以上，驗(yàn)證了施工技術(shù)的合理性。研究成果有效地指導(dǎo)了三亞鹿回頭小東海工程順利進(jìn)行，也可為今后沿海地區(qū)類似珊瑚巖地層預(yù)應(yīng)力管樁施工提供參考。

［1］ 江西地質(zhì)工程勘察院海南分院．三亞鹿回頭小東海A26，A26-1，A27，A27-1地塊項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告［R］．海南:江西地質(zhì)工程勘察院海南分院，2008．

［2］ 宋維金．靜壓預(yù)應(yīng)力管樁擠土效應(yīng)試驗(yàn)［J］．鐵道建筑，2011(5):96-99．

［3］ 周健，陳小亮，周凱敏，等．靜壓開口管樁沉樁過程模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增2):3839-3846．

［4］ 梁文成．蘇丹紅海沿岸珊瑚巖土層地基承載力探討［J］．港工技術(shù)，2010，47(3):52-53．

［5］ 韋蔓新，賴廷和．潿洲島水域生物理化環(huán)境特征及其相互關(guān)系［J］．海洋科學(xué)，2003，27(2):67-71．

［6］ 馮小剛．預(yù)應(yīng)力管樁在復(fù)合地基工程中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2010(9):78-80．

［7］ 陳尚勇．管樁樁筏基礎(chǔ)在宿州站地基處理中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2009(7):108-111．

［8］ 張國華，陳禮彪，錢師雄，等．大斷面小凈距大帽山隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測及分析［J］．巖土力學(xué)，2010(2):489-496．

［9］ 鄧德義．灰土擠密樁在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2011(10):78-80．

［10］ 徐至鈞，李智宇，張亦農(nóng)．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計(jì)施工及應(yīng)用實(shí)例［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［11］ 中華人民共和國建設(shè)部．JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［12］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50202—2002 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2002．