混凝土樁基設(shè)計(jì)與施工常見(jiàn)問(wèn)題分析與處理

潘 志 芳

(中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461)

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混凝土樁基設(shè)計(jì)與施工常見(jiàn)問(wèn)題分析與處理

潘 志 芳

(中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461)

從樁基選型與施工工藝兩方面，介紹了鋼筋混凝土樁基設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題，探討了樁基施工中樁錘的選擇原則，并闡述了樁基裂縫的產(chǎn)生原因及處理措施，為樁基的設(shè)計(jì)與施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

樁基，樁錘，裂縫，承載力

水運(yùn)工程的鋼筋混凝土樁基運(yùn)用廣泛，先后出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土方樁、后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁(大管樁)、先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC樁)，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)近年來(lái)逐步推出并完善，工廠化生產(chǎn)能力也有了很大的提高，如PHC樁現(xiàn)在一次能預(yù)制50 m長(zhǎng)管節(jié)，在工廠拼接可達(dá)80 m，若樁架高度和起吊能力允許可拼接更長(zhǎng)。樁基實(shí)際運(yùn)用時(shí)，在設(shè)計(jì)選型上存在一些問(wèn)題，在施工中經(jīng)常發(fā)生不同程度的工程質(zhì)量問(wèn)題。本文通過(guò)一些工程實(shí)踐，從設(shè)計(jì)意圖、現(xiàn)場(chǎng)施工條件和施工措施，分析常見(jiàn)樁基問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求，供類(lèi)似工程參考，減少工程質(zhì)量問(wèn)題。

1 工程中常遇到的樁基問(wèn)題

在水運(yùn)工程實(shí)踐中，樁基的運(yùn)用受到各種條件、因素的制約，由此也帶來(lái)了從不同角度的選型爭(zhēng)議，如造價(jià)、施工方便優(yōu)先的PHC樁基，承載力適中、防腐、耐久、經(jīng)濟(jì)、方便的傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力方形樁基，在其運(yùn)用條件上北方的多家設(shè)計(jì)院還未完全統(tǒng)一。

在樁基現(xiàn)場(chǎng)施工中，有些樁基難以達(dá)到設(shè)計(jì)高程，有些樁頂破損，有的出現(xiàn)縱向裂縫、橫向裂縫，如有些工程樁損率高達(dá)30%以上，給業(yè)主、施工單位帶來(lái)不小損失，給設(shè)計(jì)人員也帶來(lái)很大困難和工作量。在使用過(guò)程中有的也因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔?，修?fù)檢測(cè)、設(shè)計(jì)、施工具有相當(dāng)大難度。

2 樁基設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題分析

2.1 鋼筋混凝土樁基選型問(wèn)題分析

在復(fù)雜地形區(qū)域，樁基根據(jù)各種條件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)完成后，往往又出現(xiàn)新的條件，有的甚至被要求徹底變更，給設(shè)計(jì)造成很大困難。在一些地域，如潮汐性河口、灘涂區(qū)域、強(qiáng)腐蝕性、有流冰水域，樁基選型要全面考慮各方面因素，做到結(jié)構(gòu)安全耐久、施工方便。在樁基主要承受豎向荷載時(shí)，做以下幾種樁型的簡(jiǎn)單分析。同截面的空心方樁與實(shí)心方樁相比，單位樁長(zhǎng)能節(jié)約20%～30%的混凝土用量，節(jié)約40%～50%的鋼材用量；等周長(zhǎng)的方樁與管樁相比，可以達(dá)到同樣的單樁摩阻力，對(duì)于多樁形成的承臺(tái)，當(dāng)以3倍樁徑布樁時(shí)，可減少樁距、承臺(tái)面積和承臺(tái)用鋼量。

根據(jù)《樁基規(guī)范》，抗彎要求較高時(shí)，貫入難度不大時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。等抗裂彎矩的管樁比方樁，主筋用量少約50%，混凝土用量少約25%，剛度小約10%。在工廠技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，PHC管樁的成本優(yōu)勢(shì)明顯，在南方運(yùn)用廣泛，在北方，生產(chǎn)廠家數(shù)量少，且樁基的運(yùn)輸、抗凍、防腐性能要求，在普通高樁碼頭中應(yīng)用較少，甚至有爭(zhēng)議。山東某入?？诖a頭工程，采用PHC樁，由于當(dāng)?shù)責(zé)o管樁生產(chǎn)廠，從上海購(gòu)買(mǎi)，單米樁的費(fèi)用已超過(guò)方樁，且施工時(shí)沉樁困難，大面積不能達(dá)到設(shè)計(jì)高程，工期延時(shí)。

方樁、管樁計(jì)算理論、方法已完善，在碼頭結(jié)構(gòu)中規(guī)范上都可以采用，在多數(shù)時(shí)候取決于施工條件、地質(zhì)條件、預(yù)制場(chǎng)及工廠化條件。在設(shè)計(jì)中也要注意安全、可靠、耐久及施工破損率因素，造價(jià)經(jīng)濟(jì)要排在安全之后。

2.2 施工工藝設(shè)計(jì)

1)水上施工和陸上施工。水運(yùn)工程中樁基碼頭一般由打樁船等在水上進(jìn)行施工。在一些潮汐性河口或?yàn)┩繀^(qū)域，航道未形成，建設(shè)碼頭時(shí)，是先開(kāi)挖港池、航道還是先施工碼頭再形成水域成為設(shè)計(jì)重要考慮因素，即要考慮碼頭是水上施工還是陸上施工。水上施工需要?jiǎng)佑么笮痛瑱C(jī)，樁基、縱橫梁、面板全部在水上施工；陸上施工在淺水區(qū)域形成圍堰，回填出施工平臺(tái)，陸上施工樁基及碼頭各種構(gòu)件，不受潮汐、波浪影響，非常便利。兩種方法形成的工程造價(jià)差異大，其中干施工法造價(jià)經(jīng)濟(jì)，施工方便。

現(xiàn)在陸上打樁設(shè)備越來(lái)越完善。以前比較麻煩的陸上打斜樁問(wèn)題現(xiàn)在已解決，斜樁施打設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量越來(lái)越多。環(huán)保條件允許、原地形水深淺的高樁碼頭建議采用陸上施工，降低造價(jià)，方便施工。

2)樁基來(lái)源。樁基來(lái)源也是設(shè)計(jì)中重要考慮因素。預(yù)制方樁需要較大型的預(yù)制基地，而預(yù)應(yīng)力管樁需要實(shí)力較強(qiáng)的工廠。擬建工程處是否有方樁預(yù)制廠、管樁生產(chǎn)廠家，是陸上運(yùn)輸還是水上運(yùn)輸，樁長(zhǎng)是否受限制等都要綜合考慮。如魯北地區(qū)碼頭從上海購(gòu)買(mǎi)管樁，和就近在渤海灣沿岸場(chǎng)地預(yù)制方樁，可以充分比選樁基來(lái)源方案。

水運(yùn)工程碼頭的樁基都比較長(zhǎng)，對(duì)于陸上施工的碼頭樁，陸上長(zhǎng)距離運(yùn)輸存在諸多困難，除在工程設(shè)臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)外，大多采用水上運(yùn)輸，在臨時(shí)碼頭或就近商港通用泊位碼頭卸貨后，拖車(chē)運(yùn)入工地。

3 樁基施工常見(jiàn)問(wèn)題分析

3.1 樁錘的選擇

在樁基設(shè)計(jì)中，一般不給出選錘的范圍，只提出貫入度、樁基承載力檢測(cè)要求。施工經(jīng)驗(yàn)豐富的水工企業(yè)可以通過(guò)試樁、研究地層參數(shù)快速準(zhǔn)確的選錘并施打樁，而施工能力欠缺的企業(yè)有時(shí)由于選錘不好造成很多問(wèn)題，如沉樁困難或樁易碎，影響工程進(jìn)度，甚至造成浪費(fèi)。選錘主要根據(jù)規(guī)范、地質(zhì)資料通過(guò)試樁、檢測(cè)確定錘重。也可通過(guò)附近工程以往資料，通過(guò)公式計(jì)算初步判定錘重，主要依據(jù)動(dòng)測(cè)承載力公式推導(dǎo)，采用英標(biāo)HILEY公式，公式變形后，以設(shè)計(jì)貫入度為已知條件，導(dǎo)出選錘的重量范圍值。

R(s+C/2)=ηWhh。

其中，s為貫入度；R為樁承載力；η為有效系數(shù)；h為錘跳高；Wh為錘重；Wp為樁重；e為與材料有關(guān)的樁帽與錘墊之間的恢復(fù)系數(shù)(0.25

上述公式變形也可通過(guò)特定錘重，求出貫入度，進(jìn)而求得樁身及土體的壓縮量；通過(guò)各特征值，也可算出承載力，與檢測(cè)值比較，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。根據(jù)該公式，在膠州灣防潮壩工程及壽光碼頭工程中的選錘預(yù)判值與實(shí)際選錘重量吻合度較好。

3.2 樁基裂縫問(wèn)題

3.2.1 預(yù)應(yīng)力方樁裂縫問(wèn)題分析及對(duì)策

1)樁頂擊碎。預(yù)應(yīng)力方樁在施工過(guò)程中，樁頂混凝土有時(shí)因某種原因抗錘擊能力弱，出現(xiàn)錘擊破損。方樁頂部目前有兩種端部處理方式，一為按規(guī)范伸出主筋錨固長(zhǎng)度，混凝土樁頂設(shè)5層鋼筋網(wǎng)片，樁頂為實(shí)心，箍筋加密；二為樁長(zhǎng)混凝土直接包住主筋錨固長(zhǎng)度，設(shè)鋼筋網(wǎng)片，箍筋加密，打至設(shè)計(jì)高程后，將混凝土鑿除露出錨固主筋。第一種方式在碼頭樁基中為傳統(tǒng)方式，運(yùn)用廣泛，第二種方式近年來(lái)在水工樁基中也逐步運(yùn)用。在施工過(guò)程中，部分工程樁頂仍然出現(xiàn)損壞。分析原因有多個(gè)方面：端頭的加固設(shè)計(jì)不夠，如箍筋強(qiáng)度及間距，鋼筋網(wǎng)片布置范圍等；樁頂?shù)膹椥詨|層材料厚度不夠或在錘擊中彈性損耗過(guò)大；風(fēng)荷載對(duì)樁架或波浪對(duì)打樁船影響，造成錘擊偏心致使樁頂破損。針對(duì)上述原因，為減少樁頂出現(xiàn)破損，改進(jìn)的方法主要有：a.對(duì)樁頭進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，加強(qiáng)箍筋及鋼筋網(wǎng)片，或增加錨筋；在樁頭頂面和側(cè)面設(shè)鋼板形成套箍保護(hù)；在樁頂加十字鋼箍。b.設(shè)置好樁頂?shù)膹椥圆牧?。彈性材料由兩部分組成，在樁與替打之間和錘與替打之間。樁頂與替打之間彈性材料可用橡膠板、膠合板、牛皮紙(紙殼)、麻繩，厚度不小于100 mm，在使用時(shí)要注意其彈性損耗，及時(shí)更換；錘與替打之間材料一般采用鋼絲繩，也需經(jīng)常更換。c.風(fēng)荷載對(duì)樁架或波浪引起的打樁船晃動(dòng)，應(yīng)盡量在好氣象條件下施工，若工期緊張，對(duì)于打樁船可以調(diào)整方向，使其軸線(xiàn)與波浪方向夾角盡量小，并在陸上設(shè)儀器進(jìn)行觀測(cè)輔助施工。

2)樁身縱向裂縫。預(yù)應(yīng)力方樁在錘擊過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫，比管樁出現(xiàn)的少。為此要采取一些加強(qiáng)措施，如加長(zhǎng)樁頂混凝土實(shí)心段長(zhǎng)度，加大樁頂下5 m～9 m段箍筋密度和強(qiáng)度，可以減少縱向裂縫的產(chǎn)生。

3)橫向裂縫。橫向裂縫，是在硬軟土層相間明顯的情況下樁長(zhǎng)度較大時(shí)發(fā)生，其機(jī)理是因?yàn)榇驑独瓚?yīng)力過(guò)大引起橫向裂縫。外力過(guò)大引起樁基橫向裂縫在此不做討論。在工程中經(jīng)常遇到上層為粉質(zhì)粘土或粉細(xì)砂、下層為深厚淤泥的地質(zhì)，此種地質(zhì)情況容易出現(xiàn)橫向裂縫，出現(xiàn)位置在軟硬交界處開(kāi)始至其下4 m處。錘擊過(guò)程中，樁身穿過(guò)好土層進(jìn)入淤泥一定深度后，上層好土提供較大側(cè)阻力，下層淤泥樁側(cè)阻力非常小。錘擊產(chǎn)生樁加速度，樁加速、減速，進(jìn)入淤泥一定距離，然后速度變?yōu)榱阃Ｖ?，在每擊后期階段樁下部由于加速度，慣性力需要淤泥提供的摩阻力來(lái)平衡，進(jìn)入淤泥樁身越長(zhǎng)需求越大，但能提供的平衡力有限，需要好土層的側(cè)摩阻力來(lái)拉住它，有的會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)溜樁，在壽光某碼頭樁基施工中就出現(xiàn)過(guò)。由此產(chǎn)生了最大樁拉應(yīng)力，若樁基不夠強(qiáng)大，就會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫。為避免出現(xiàn)橫向裂縫，改進(jìn)的措施有：進(jìn)入軟土層后，降低錘重或采用抵檔錘擊，中間有停歇；選用有效預(yù)應(yīng)力更大的樁型；在易出現(xiàn)最大拉應(yīng)力區(qū)段增配非預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力管樁裂縫問(wèn)題

預(yù)應(yīng)力管樁也容易出現(xiàn)樁頂擊碎現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力管節(jié)兩端有端板，側(cè)面有鋼板套箍，樁頂鋼板加固方面比預(yù)應(yīng)力方樁有所改善，但其混凝土及配筋、構(gòu)造加強(qiáng)等內(nèi)在方面與方樁相比有所欠缺，其特殊的生產(chǎn)工藝決定了：若在管樁頂加鋼筋網(wǎng)片，在車(chē)間生產(chǎn)時(shí)，離心澆筑混凝土只有小顆粒的石子和砂漿流入鋼筋網(wǎng)，大顆粒的石子進(jìn)不去，造成混凝土級(jí)配不合理，從而降低混凝土的強(qiáng)度；若在管樁內(nèi)摻鋼纖維，由于流動(dòng)性差，會(huì)造成生產(chǎn)時(shí)管壁厚度不均。只能在打樁時(shí)通過(guò)調(diào)整彈性墊層材料對(duì)樁頂加以保護(hù)，避免出現(xiàn)樁頂破損現(xiàn)象。

預(yù)應(yīng)力管樁在施工中出現(xiàn)的橫向裂縫和方樁的機(jī)理類(lèi)似，防止出現(xiàn)橫向裂縫的措施與方樁一致。

預(yù)應(yīng)力管樁沉樁時(shí)，樁身混凝土受壓，管壁混凝土外表面向外膨脹產(chǎn)生拉力，向內(nèi)膨脹使內(nèi)表面產(chǎn)生壓力，當(dāng)拉力超過(guò)混凝土的抗拉允許值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)豎向裂縫。其避免措施主要為在其易出現(xiàn)裂縫位置設(shè)置多道鋼抱箍，沉樁結(jié)束后拆除；調(diào)整錘擊荷載。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮工程在現(xiàn)場(chǎng)的施工條件、施工工藝，在結(jié)構(gòu)上采取措施防止樁基施工出現(xiàn)各種破損、裂縫情況，施工時(shí)各工序要精心組織防止樁基因?yàn)殄N擊沉樁而破壞。上述分析及總結(jié)可供類(lèi)似工程參考。

[1] 蔡小紅.大直徑PHC樁沉樁過(guò)程中常見(jiàn)工程質(zhì)量問(wèn)題及對(duì)策[J].水運(yùn)工程，2015(10)：177-181，187.

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Analysis and treatment of common problems in design and construction of concrete pile foundation

Pan Zhifang

(China Traffic Tianjin Harbor Engineering Design Institute Co.， Ltd， Tianjin 300461， China)

From the pile foundation selection and construction craft, the paper introduces the common problems in the reinforced concrete pile foundation design, explores the selection principle for the pile hammer in the pile foundation construction, and illustrates the reasons and treatment measures for the pile foundation cracks, so as to accumulate experience for the design and construction of the pile foundation.

pile foundation, pile hammer, crack, loading capacity

1009-6825(2016)12-0058-02

2016-02-17

潘志芳(1981- )，女，工程師

TU473.1

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