PHC管樁穿越復(fù)雜卵石巖層的施工技術(shù)研究

宋 順

中交三航局興安基建筑工程有限公司 上海 201315

1 工程概況

寧德金馬小區(qū)保障性安居工程位于寧德市學(xué)院路以南、溫福高鐵以西、擬建金馬路以東和擬建萬(wàn)廣路以北地塊，總用地面積為58 067 m2，總建筑面積為195 328 m2，由5 棟18 層、5 棟30 層高層住宅樓及其他多層公建配套設(shè)施組成，其中5 棟18 層住宅樓采用PHC管樁基礎(chǔ)，上部為剪力墻結(jié)構(gòu)。本次研究對(duì)象為5#樓、7#樓，共18 層，層高2.8 m，PHC管樁基礎(chǔ)，采用錘擊施工法沉樁。

2 樁基設(shè)計(jì)

樁基設(shè)計(jì)為：5#樓共127 根，7#樓共112 根，樁型為PHC 600AB 110，樁徑600 mm，樁長(zhǎng)30～37 m，樁尖持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。單樁豎向抗壓承載力2 200 kN。沉樁方式為錘擊樁，接樁方式為焊接，沉樁控制以貫入度為主[1]，最后貫入度為20～40 mm/10 擊，輔以標(biāo)高控制。

3 地層狀況

《寧德市金馬小區(qū)保障性安居工程二期巖土工程勘察報(bào)告》顯示，整個(gè)擬建場(chǎng)地均分布有中砂卵石，其厚度、強(qiáng)度變化較大，且中砂卵石層主要由粒徑20～120 mm的卵石組成，局部巖性為漂石，粒徑高達(dá)500 mm。該層厚度變化較大，揭露層厚為1.90～16.90 m，平均厚度為9.42 m，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N63.5為2.0～79.0 擊/10 cm，修正錘擊數(shù)N'63.5為1.4～46.2 擊/10 cm，該層強(qiáng)度變化很大。同時(shí)該層呈稍密-密實(shí)狀態(tài)，沉樁時(shí)可能產(chǎn)生嚴(yán)重的擠密效應(yīng)。上述因素對(duì)錘擊樁順利穿越卵石層帶來(lái)極大的不確定性。

在殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖中局部有孤石存在。

4 研究方法

該項(xiàng)目5#樓與7#樓樁基設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，僅在管樁的數(shù)量上有所區(qū)別，且在地理位置上相鄰較近。通過(guò)比對(duì)2 棟樓所處位置的地質(zhì)勘查報(bào)告，筆者發(fā)現(xiàn)二者的地質(zhì)特征較為接近?；谏鲜鲆蛩?，5#樓沉樁施工中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及其處理經(jīng)驗(yàn)可用于指導(dǎo)7#樓的沉樁施工，以提高7#樓的沉樁成功率，盡量避免發(fā)生補(bǔ)樁、樁身破壞等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、工期、成本的“三贏”。

5 5#樓管樁施工中的沉樁異常表現(xiàn)

5.1 樁頂無(wú)法穿透④層土層中砂卵石層

5#樓共有20 根樁無(wú)法穿透中砂卵石層，這10 根樁的平均錘擊數(shù)在近2 000 錘，最后3 陣樁錘采用3擋能量，停錘貫入度為每擊3 mm左右，且樁基反彈顯著，難以繼續(xù)打入，樁尖絕對(duì)標(biāo)高分布在－30.38～－18.65 m的范圍內(nèi)，根據(jù)地勘報(bào)告測(cè)算，均停留在中砂卵石層中。無(wú)法成功穿透的管樁比率為15.7%。

5.2 樁頭破碎

沉樁中，共有8 根樁發(fā)生樁頭破碎現(xiàn)象，一般破碎之初僅1 個(gè)棱角先破壞，隨后發(fā)展為2 面、3 面，遂停止施工。樁頭破碎的管樁比率為6.3%。

5.3 引孔后沉樁施工貫入度突然加大

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)法穿透卵石層的樁進(jìn)行了引孔補(bǔ)樁。引孔后，在錘擊施打時(shí)，出現(xiàn)有6 根管樁貫入度突然加大現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)打樁工人認(rèn)為是樁身發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，因此收錘不再施打，后經(jīng)小應(yīng)變檢測(cè)，有4 根管樁樁身并未斷裂，繼續(xù)復(fù)打后達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)。其間，有2 根發(fā)生斷樁，引孔后錘擊施工發(fā)生斷樁比率為10%。

6 沉樁異常分析與處理措施

6.1 增強(qiáng)穿層能力

原設(shè)計(jì)提出“樁進(jìn)入持力層有困難時(shí)，可考慮樁尖處采用錐形”，針對(duì)工程項(xiàng)目所處區(qū)域中砂卵石層較厚的地質(zhì)特征，施工單位經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)管樁的多方比選，發(fā)現(xiàn)一種名為“帶錐形樁尖的打頭管樁”的產(chǎn)品，是先將錐形樁尖預(yù)制成型，再將其與樁身澆筑為一體，極大強(qiáng)化了錐形樁尖與管樁的整體連接，比之傳統(tǒng)錐形鋼樁尖，其穿透力強(qiáng)、整體性好。

6.2 增加沖擊能量

5#樓施工采用的是DF62型打樁錘，但發(fā)現(xiàn)沉樁施工中穿過(guò)卵石層的成功率較少?！额A(yù)應(yīng)力管樁圖集》中提到：管樁直徑為600 mm的可選用柴油錘型號(hào)包括60～62、72。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，與各方溝通后，在7#樓施工中決定采用DF72型筒式柴油打樁錘并采用重錘輕打的方式，以適當(dāng)增加錘擊能量[2]。現(xiàn)場(chǎng)在采用DF72型打樁錘后，因錘型較重，一般在施打的時(shí)候僅采用2 擋能量，確保實(shí)現(xiàn)重錘輕打。

6.3 加密勘察點(diǎn)

本樓原始地下勘察點(diǎn)較少，僅有8 個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)間的平均距離約為15 m，較為稀疏。勘察單位認(rèn)為本場(chǎng)地工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，各持力層層面起伏較大，為進(jìn)一步摸清中砂卵石層的厚度，經(jīng)各方溝通后決定現(xiàn)場(chǎng)加密勘察點(diǎn)，共均勻布置了另外4 個(gè)勘察點(diǎn)。根據(jù)勘察報(bào)告，12 個(gè)點(diǎn)中測(cè)出中砂卵石層厚度共有5 處超過(guò)10 m，其余7 處低于10 m。

6.4 根據(jù)卵石層厚度選不同的沉樁方案[3-6]

根據(jù)5#樓的沉樁經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地勘報(bào)告的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)決定對(duì)中砂卵石層厚度超過(guò)10 m的區(qū)域進(jìn)行先引孔后沉樁，對(duì)于卵石層厚度小于10 m的區(qū)域采取直接錘擊施打的方法，如無(wú)法穿透則在附近位置再進(jìn)行引孔補(bǔ)樁。

6.5 采取引孔措施

本項(xiàng)目中砂卵石層厚度超過(guò)10 m的區(qū)域共有10 根樁，另外也有直接錘擊施打已達(dá)到貫入度20～40 mm/陣的停錘標(biāo)準(zhǔn)，錘擊數(shù)均接近2 000 錘，仍無(wú)法穿透中砂卵石層的10 根樁，經(jīng)施工方與設(shè)計(jì)單位等四方溝通，決定對(duì)這20 根樁進(jìn)行引孔補(bǔ)樁。

（a）基本工藝[7]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用1 臺(tái)GPS-15型工程鉆機(jī)進(jìn)行引孔施工，鉆頭采用合金鉆頭，鉆頭Φ450 mm，成孔后鉆孔Φ470 mm，為防止引孔直徑偏大影響管樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，采用了泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，引孔深度以穿透④層土層中砂卵石層為限，再進(jìn)行錘擊樁施工。

（b）由于中砂卵石層中局部含有漂石，粒徑 500 mm，故在引孔設(shè)備的選用上，再備選GPS-18型鉆機(jī)、GPS-20型鉆機(jī)各1 臺(tái)。

（c）防止引孔后因孔斜出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。引孔后沉樁施工發(fā)生斷樁的常見(jiàn)原因是引孔時(shí)垂直度控制不良。故在引孔施工過(guò)程中即要緊密關(guān)注鉆桿是否垂直，及時(shí)進(jìn)行校核，同時(shí)應(yīng)用線錘配合鋼尺檢驗(yàn)成孔的垂直度，將引孔垂直度偏差控制在1%。

6.6 防止樁頭破碎措施

（a）查看樁身是否有裂縫及樁頭法蘭盤(pán)下是否有空鼓。樁身質(zhì)量存在缺陷也會(huì)造成樁頭的破碎，故現(xiàn)場(chǎng)很注重對(duì)樁身質(zhì)量的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，發(fā)現(xiàn)裂紋則立即聯(lián)系管樁供應(yīng)單位進(jìn)行退換[8]。樁頭法蘭盤(pán)下的混凝土是否密實(shí)也直接關(guān)系到樁頭的受力性能，現(xiàn)場(chǎng)采用敲擊法對(duì)樁頭法蘭盤(pán)下鐵皮部位的混凝土進(jìn)行空鼓檢查，發(fā)現(xiàn)有空鼓者立即替換，從樁身裂紋和樁頭空鼓2 方面杜絕樁頭破碎的發(fā)生。

（b）合理選擇樁墊，經(jīng)常檢查樁墊的完整性。樁頭如果和樁帽直接“硬碰硬”接觸、不設(shè)減震彈性材料，樁頭則極容易被打碎。現(xiàn)場(chǎng)采用硬紙板作為樁墊減震材料，經(jīng)錘擊壓實(shí)后其厚度控制在12 cm左右。由于錘頭的沖擊力很大，樁墊很容易被打碎，如果長(zhǎng)期不更換，樁墊就會(huì)結(jié)塊變形、高低不均、失去彈性。因此，施工管理人員經(jīng)常會(huì)在樁錘被放到鄰近地面處時(shí)，查看樁帽內(nèi)的樁墊材料是否完好，不允許樁墊帶“病”工作。

（c）嚴(yán)格把控沉樁的垂直度控制，高度重視第1節(jié)樁的垂直度。樁身垂直度如果存在偏差，樁頂端面與打樁錘的接觸面積就會(huì)減少，錘擊偏心會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，樁頭僅有1 個(gè)點(diǎn)受力，樁頭就容易被打碎，因此樁身傾斜也是造成樁頭破碎的重要原因。為此，施工單位特別關(guān)注第1節(jié)樁的垂直度，采用2 臺(tái)視線成90°的經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直度控制。

7 處理結(jié)果

（a）沉樁的施工表現(xiàn)。7#樓對(duì)中砂卵石層厚度在10 m以內(nèi)所在區(qū)域的樁直接進(jìn)行錘擊施工，共90 根，其中共3 根無(wú)法穿透卵石層，后進(jìn)行引孔補(bǔ)樁；對(duì)中砂卵石層厚度在10 m以上所在區(qū)域的樁先引孔后錘擊沉樁，共22 根，其中有2 根貫入度發(fā)生突變，經(jīng)小應(yīng)變檢測(cè)后，樁身并未斷裂，繼續(xù)復(fù)打后最終達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)[9]。綜上，無(wú)法穿透卵石層的樁在總樁數(shù)中所占比率從15.7%降至2.68%，樁頭發(fā)生破碎的樁在總樁數(shù)所占比率從6.3%降至0.09%，引孔后錘擊沉樁發(fā)生樁身斷裂的樁在引孔樁數(shù)中所占比率從10%降至0。

（b）試驗(yàn)結(jié)果。樁基完成之后，共4 根樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，其中1 根為引孔后進(jìn)行錘擊施工的樁（A型），1 根為引孔后貫入度突變后經(jīng)復(fù)打后達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)的樁（B型），另外2 根為直接進(jìn)行錘擊沉樁施工的樁（C型），經(jīng)靜載試驗(yàn)該4 根樁均能夠符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)最終加載極限值3 800 kN，在最大荷載作用下樁頂沉降小于40 mm，且沒(méi)有明顯沉降增大的現(xiàn)象。

8 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)在PHC管樁沉樁施工中遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)情況時(shí)，應(yīng)綜合分析地質(zhì)勘察報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)沉樁施工表現(xiàn)，針對(duì)不同類型的異常情形，提出相應(yīng)的解決方案，“一把鑰匙開(kāi)一把鎖”，才能使問(wèn)題得到有效解決。本工程因地下中砂卵石層較為復(fù)雜，前期施工中發(fā)生多種類型的沉樁異常，后通過(guò)具有較強(qiáng)針對(duì)性的技術(shù)措施，使沉樁成功率有效提升，樁身破碎率顯著下降，實(shí)現(xiàn)了在面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)成本、質(zhì)量、工期的“三贏”。