水上施打PHC樁樁頂破損分析與對策

劉慧波 陳勃 徐鳴

摘 要：PHC樁沉樁時(shí)常會出現(xiàn)樁頂破損或縱向裂縫等現(xiàn)象，給施工帶了諸多不便。本文通過對其破損原理的分析，提出相

應(yīng)對策，并在實(shí)際工程中對PHC樁的制作和施工過程采取相應(yīng)措施，以驗(yàn)證對策的實(shí)際效果，使其更好地指導(dǎo)施工。

關(guān)鍵詞：PHC樁 縱向裂縫 環(huán)向膨脹應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡稱PHC樁），由于其在單樁承載力、抗彎性能、質(zhì)量穩(wěn)定性及施工方便程度等方面體現(xiàn)了良好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，故其在港口工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛。但PHC樁在沉樁施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)樁頂破損或縱向裂縫等現(xiàn)象，如不及時(shí)處理，會給工程留下諸多質(zhì)量隱患。針對這些問題，本文結(jié)合蘇州港太倉港區(qū)美錦碼頭工程施工實(shí)際，分析了PHC樁樁頂破損及樁頂以下1m范圍局部砼破碎兩種重要破損情況，并經(jīng)過理論分析，提出了從鋼管樁制作及沉樁施工兩方面減少PHC樁破損的措施，并在工程實(shí)踐中加以驗(yàn)證，以便更好地指導(dǎo)施工。

工程概況

蘇州港太倉港區(qū)美錦碼頭工程共有PHC樁1999根，其中Φ800PHC樁816根，樁長44～50m；Φ1000PHC樁1183根，樁長46m～52m。根據(jù)地質(zhì)資料分析，Φ800PHC樁尖進(jìn)入Ⅶ1灰色粉砂，Φ1000PHC樁尖進(jìn)入Ⅶ層灰色粉砂層，該層中密-密實(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)為31～48擊，個(gè)別≥50擊。

土含量高，為砂質(zhì)粉土。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)一般為20～45擊，局部擊數(shù)較大，大于50擊。靜力觸探比貫入阻力Ps加權(quán)平均值為8.79MPa。

PHC樁樁頂破損實(shí)例調(diào)查

通過對中交第三航務(wù)工程局南京分公司所屬的8個(gè)項(xiàng)目1750根PHC進(jìn)行匯總，共有66根樁存在樁頂破碎缺陷，樁頂沉樁破損率： 66/1750=3.77%，破損情況統(tǒng)計(jì)如下表：

表1 ：PHC樁樁身破損情況統(tǒng)計(jì)表

由上述調(diào)查可知，PHC樁在沉樁中出現(xiàn)的質(zhì)量問題以樁身破碎和開裂的現(xiàn)象較為常見，主要部位在樁頂以下1m范圍內(nèi)。

PHC樁樁頂破損分析

1、縱向裂紋的產(chǎn)生

PHC樁在沉樁過程中樁身混凝土除了會產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力外，同樣會產(chǎn)生環(huán)向膨脹應(yīng)力。錘擊應(yīng)力過大會導(dǎo)致樁頂混凝土受擠壓而破碎，環(huán)向膨脹應(yīng)力過大則會引起管樁出現(xiàn)縱向裂縫。

環(huán)向拉力的產(chǎn)生和作用可以做如下理解：試想在PHC樁沉樁中，從樁身上截出一個(gè)“典型段”做受力分析（如圖1）。當(dāng)錘擊，時(shí)該典型段的上方受到向下的壓力Fa（錘擊力），典型段的下方就有一個(gè)向上的反力Fb（作用力與反作用力），貫入度越小時(shí)，反力越大。當(dāng)?shù)湫投问艿缴舷碌膴A擊力時(shí)，圓柱體就會向內(nèi)外兩側(cè)方向膨脹，產(chǎn)生內(nèi)外側(cè)的環(huán)向膨脹應(yīng)力（Fd1和Fd2）。PHC樁的內(nèi)側(cè)由于空氣壓力Fc的存在，相當(dāng)于受到極大約束，無法變形突破（即Fd1與Fc力基本相抵消）。故“典型段”在向外側(cè)的環(huán)向膨脹應(yīng)力Fd2作用下，有向外側(cè)膨脹的趨勢。向外膨脹意味著表面的擴(kuò)張，也就是在樁的表面出現(xiàn)拉力，混凝土是脆性材料，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度小于拉力時(shí)，只能以裂縫的形式滿足它的膨脹，于是出現(xiàn)初步的表面裂縫，隨著繼續(xù)錘擊，裂縫繼續(xù)發(fā)展，直至形成樁頂出現(xiàn)縱向可見裂紋。

2、“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的產(chǎn)生

“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的現(xiàn)象的出現(xiàn)有兩種原因，第一種為樁身自身質(zhì)量缺陷。主要表現(xiàn)在：制樁原材料差，端板和裙板加工精度不高，造成樁頂平整度、傾斜度不符合要求；管樁制作時(shí)，樁頭嚴(yán)重跑漿，形成空洞，裙板不能和混凝土嚴(yán)格錨固。在這種情況下，當(dāng)PHC樁正常沉樁時(shí)，樁頂混凝土因?yàn)槠秸炔缓眯纬刹痪鶆蚴芰Γ诰薮蟮腻N擊力下，不均勻受力點(diǎn)容易破損，造成樁頂局部砼破碎；當(dāng)端板、裙板和混凝土錨固不合格，樁頭有空洞等情況下， 沉樁時(shí)裙板與混凝土容易脫落，造成樁頂破損。

“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的第二種原因?yàn)槌翗妒┕ぴ?。主要表現(xiàn)在偏心施打沉樁，造成樁頂發(fā)生破損。偏心打樁可能因?yàn)榇驑洞蛩?、風(fēng)力等因素發(fā)生移位；或者因?yàn)榇驑跺N選取不當(dāng)，施打時(shí)樁錘、替打和樁身軸線未始終保持在同一中心線上，發(fā)生偏心錘擊；或者因?yàn)樘娲蚺c樁頭不匹配、樁墊材料太薄或未加襯墊等原因。當(dāng)偏心打樁后，錘擊力集中在偏心部位，該區(qū)域的環(huán)向膨脹應(yīng)力遠(yuǎn)大于樁身混凝土的抗拉力，形成裂縫密集區(qū)，當(dāng)裂縫向里發(fā)展至PHC樁身鋼筋時(shí)，PHC樁的抗拉力改由鋼筋承擔(dān)，抗拉強(qiáng)度頓時(shí)增至很大，裂縫停止向里發(fā)展，改為沿著鋼筋外側(cè)環(huán)向發(fā)展，造成樁身混凝土與鋼筋脫離，形成樁身混凝土破碎情況。因?yàn)闃俄斒鞘苠N擊力最大最直接的區(qū)域，故砼破碎情況一般發(fā)生在樁頂區(qū)域。

減少PHC樁樁頂破損的措施

為了防止和減少PHC樁在沉樁過程中出現(xiàn)樁頂破損和開裂，必須從PHC樁的生產(chǎn)制作和沉樁施工兩方面來控制，根據(jù)上述分析，我們在本工程PHC樁生產(chǎn)制作和沉樁施工中采取了如下幾種措施：

1、樁頂鋼筋加密

混凝土結(jié)構(gòu)減少裂縫的通常做法就是增加鋼筋抗拉，但參考類似工程，加密PHC樁樁頂鋼筋籠的箍筋，并不能有效減少樁頂裂縫出現(xiàn)的概率。我們分析，因?yàn)楣拷钣玫膱A鋼，延伸率較大，但混凝土是脆性材料，當(dāng)環(huán)向膨脹應(yīng)力增大時(shí)，箍筋受拉延長，但混凝土無法延長只能產(chǎn)生裂縫。且根據(jù)上面典型段的受力分析，PHC樁在錘擊應(yīng)力下可能外壁受拉內(nèi)壁受壓，而箍筋在中和軸，故箍筋對增加管樁外壁的抗拉能力幫助不大。但增加樁頂非預(yù)應(yīng)力筋和加密箍筋，能有效提高樁頂?shù)目勾驌裟芰?，使樁頂混凝土不會因受擠壓而破碎。針對上述情況，我們在樁頂40cm范圍內(nèi)加密非預(yù)應(yīng)力筋和加密箍筋，并提高樁頂端板和裙板的加工精度，且對樁頂端板裙板的錨固筋進(jìn)行加密加強(qiáng)的方法。端板和加密的鋼筋對錘擊力的傳遞和樁頂混凝土的抗打擊能力有明顯提高；裙板的抱箍作用對樁頂混凝土抵抗環(huán)形膨脹應(yīng)力有直接作用。

2、提高樁身混凝土密實(shí)度

混凝土的抗拉能力與混凝土強(qiáng)度及密實(shí)度有很大關(guān)系，強(qiáng)度和密實(shí)度越差，混凝土的耐錘擊抗拉能力越低，出現(xiàn)縱向裂縫的幾率越大。PHC 樁已經(jīng)采用的是高強(qiáng)度混凝土（C80），無法從提高強(qiáng)度上入手。關(guān)于混凝土的密實(shí)度方面，PHC樁采用離心的方法使混凝土密實(shí)，密實(shí)度較差，但無法改變其制造工藝。于是我們從減少混凝土坍損量入手，通過選型合適外加劑，提高混凝土運(yùn)送速度，采取砼攪拌用水二次投放的方法，增強(qiáng)PHC樁樁身混凝土性能。

3、樁尖加焊環(huán)形鋼筋

眾所周知，PHC摩擦樁在沉樁時(shí)，沉樁反力主要來源于樁尖端承力和樁身的側(cè)摩擦力。隨著樁身的入土深度越大，側(cè)摩擦力就大，直至最后，反力主要來源于側(cè)摩擦力，樁尖的端承力幾乎可以忽略不計(jì)。為了有效減少樁身的側(cè)摩擦力，我們將PHC樁的樁尖外側(cè)加焊一根Φ20的圓鋼，即樁尖截面半徑比樁身半徑大2cm，大大減少了沉樁時(shí)的樁身側(cè)摩擦力。

4、改善施工工藝

選擇合適的錘擊能量。當(dāng)貫入度較小時(shí)，錘擊能力越大，樁身的反力就越大，造成的環(huán)向膨脹應(yīng)力越大，故越容易造成樁身破壞。本工程我們選用三航局“三航樁7#”和“三航樁11#”打樁船，分別配DELMAG-100和DELMAG-128型柴油錘進(jìn)行施工。

在施工中，基本上采用DELMAG-100型柴油錘開3擋，DELMAG-128型柴油錘開2擋，采用重錘輕打的方法進(jìn)行施工。沉樁情況表明，該能量能滿足Φ800和Φ1000PHC樁的沉樁要求，能沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，未產(chǎn)生貫入度異?，F(xiàn)象。

選用合適的樁墊木，本工程第一批樁采用的樁墊木厚度為10cm，在受力壓縮后變薄，未能有效起到緩沖效果，后將樁墊厚度增加到了15cm，實(shí)踐證明能有效降低施打應(yīng)力。

喂樁時(shí)要校準(zhǔn)樁、替打與錘心位于同一軸線。替打的大小與樁徑要配套，在沉樁過程中保障打樁船的穩(wěn)定，結(jié)合各種方法，確保不出現(xiàn)偏心沉樁。

實(shí)施效果

樁頂破損情況：在實(shí)施上述改進(jìn)措施后的約1600余樁中，破損12根，破損率0.75%，大大低于未采取措施時(shí)的3.77%，檢測報(bào)告顯示樁身質(zhì)量完整，全部符合Ⅰ類樁的標(biāo)準(zhǔn)。

沉樁效率：在加焊了樁尖環(huán)形鋼筋后，因樁身側(cè)摩擦力減少，有效減少了錘擊數(shù)。在未采取該項(xiàng)措施前，同等條件下錘擊數(shù)約為1800～2200；采取該措施后錘擊數(shù)普遍降低至1200～1500錘，沉樁效率明顯提高。

沉樁承載力：PHC樁的承載力主要靠樁身側(cè)摩擦力，當(dāng)我們擴(kuò)大樁尖截面半徑時(shí)，部分技術(shù)人員質(zhì)疑是否會減少樁基承載力。擴(kuò)大樁尖截面半徑只是暫時(shí)減少了沉樁時(shí)的樁身側(cè)摩擦力，當(dāng)沉樁完成后，土層會重新固結(jié)恢復(fù)其側(cè)摩擦力。通過檢測機(jī)構(gòu)對現(xiàn)場樁基承載力的檢測結(jié)果顯示：高應(yīng)變復(fù)打時(shí)，加焊了樁尖環(huán)形鋼筋后的樁基承載力與不加焊鋼筋的樁基承載力幾乎一致，且樁身質(zhì)量完整，全部符合Ⅰ類樁的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)證明，稍微擴(kuò)大樁尖截面半徑完全不影響樁基的承載力。

結(jié)論

目前PHC樁在水運(yùn)工程中發(fā)展迅速，但因各種原因，樁頂在沉樁過程中容易破損，這已經(jīng)嚴(yán)重影響到PHC 樁尤其是大直徑樁的應(yīng)用。事實(shí)證明，在不改變PHC樁制作和施工工藝原則的方法下，能夠通過對樁頂鋼筋加密、提高樁身混凝土密實(shí)度及樁尖加焊環(huán)形鋼筋等方面改善PHC樁的預(yù)制質(zhì)量；以及通過選擇合適的錘擊能量、合適的樁墊木和喂樁時(shí)要校準(zhǔn)樁、替打與錘心位于同一軸線等方面加強(qiáng)PHC樁沉樁施工工藝。預(yù)制和施工方面的改善是完全有效的減少了樁頂破損情況，提高了沉樁施工效率。但在采取相應(yīng)改善措施時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

擴(kuò)大樁尖截面半徑的方法應(yīng)參考當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，當(dāng)沉樁區(qū)域地質(zhì)資料顯示標(biāo)貫擊數(shù)很大的土層有較厚時(shí)，慎用該方法。

沉樁停錘標(biāo)準(zhǔn)中的貫入度應(yīng)合理確定，避免在地質(zhì)條件復(fù)雜的水域施工時(shí)，低貫入度情況下仍持續(xù)錘擊，造成樁頂環(huán)向環(huán)向膨脹應(yīng)力過大，樁頂破損。