淺談灌注樁替代PHC管樁在高樁碼頭斷樁修復(fù)中的應(yīng)用

許懷彪 楊仕強(qiáng)

中交一航局第二工程有限公司 山東青島 266071

PHC管樁作為高樁碼頭樁基已在設(shè)計、施工中得到非常普遍的應(yīng)用，具有強(qiáng)度高，承載力好，抗拔力大，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。但是PHC管樁也具有抗彎強(qiáng)度低的特點(diǎn)，成樁后保護(hù)不當(dāng)極易受外界因素影響造成斷樁現(xiàn)象。本文以濰坊港某液化品碼頭工程PHC管樁在越冬期遭遇不明船舶撞擊，導(dǎo)致成樁區(qū)出現(xiàn)5根PHC管樁斷樁的情況，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況經(jīng)與設(shè)計溝通，提出采用灌注樁替代PHC管樁修復(fù)技術(shù)及施工工藝進(jìn)行了探討。

1 PHC管樁斷樁現(xiàn)狀分析及補(bǔ)樁方案的確定

1.1 PHC管樁斷樁現(xiàn)狀分析

濰坊港某液化品碼頭工程為高樁裝配式梁板結(jié)構(gòu)，碼頭主體共分七個結(jié)構(gòu)段，PHC管樁打設(shè)分6軸43個排架，共288根。PHC管樁于2015年5月份全部完成，年底時樁帽與預(yù)制梁安裝自南向北已完成到第五結(jié)構(gòu)段。臨近春節(jié)放假時，第34軸PHC管樁夜間受不明船舶撞擊造成損壞。經(jīng)潛水員探查PHC管樁損壞第A-E軸共5根，斷樁部位均在泥面以下約3m位置。

結(jié)合PHC管樁斷樁探摸報告分析，PHC管樁受機(jī)動艇外力撞擊造成硬土層以上部分受較大彎矩作用而折斷。樁體基本全部向后沿傾斜，與垂直方向夾角約50度。斷樁除E軸管樁外均為斜樁，斷樁位置及狀態(tài)如圖1示。

1.2 斷樁修復(fù)方案的確定

斷樁位置圖確認(rèn)，PHC管樁自前沿線向左后方依次倒伏，兩側(cè)及后面均有成樁，排架中心距10m，兩個根據(jù)排架的凈空不足20m，打樁船已無法進(jìn)入補(bǔ)樁，斷樁位置在泥面以下，且深度約-15m，無法對斷樁處進(jìn)行清理，采用原PHC樁接樁或補(bǔ)樁方案已不可行。如采用鋼管樁等其它打入樁，同樣需要較大的船機(jī)設(shè)備進(jìn)入樁區(qū)補(bǔ)樁，現(xiàn)場條件已無法滿足。綜合考慮擬采用搭設(shè)鋼平臺，水上打設(shè)灌注樁替代PHC管樁工藝進(jìn)行補(bǔ)樁。

⑴樁基承載力校核．根據(jù)原設(shè)計技術(shù)規(guī)格書文件，試樁PHC管樁單樁極限承載力為7000KN。故所補(bǔ)灌注樁極限承載力不小于7000KN。根據(jù)設(shè)計圖紙及地質(zhì)資料及《港口工程樁基規(guī)范》，擬選用與引橋灌注樁一致的Ф1500mm灌注樁進(jìn)行單樁軸向抗壓承載力設(shè)計值核算，鉆孔資料參照表一M9。

灌注樁單樁軸向承載力設(shè)計值按下式計算。

式中Qd為單樁軸向承載力設(shè)計值（KN）；

γr承載力分項系數(shù)，本工程取大值1.55；

U為樁周長工（m）；

Ψsi樁側(cè)阻力效應(yīng)系數(shù)，粉土?。?.8/d）1/5；

Qfi單樁第i層土側(cè)摩阻力值(KPa)；

Li樁身穿過第i層土的長度(m)；

Ψp樁端土阻力效應(yīng)系數(shù),粉土取(0.8/d ) 1/4；

qR單樁單位面積樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值（KPa）；

A是樁端截面面積；

表1 M9鉆孔地質(zhì)資料

其中qfi第i層土樁側(cè)極限側(cè)阻力值及qR樁端單位面積極限阻力值見地質(zhì)資料表2

表2 各土層樁基設(shè)計參數(shù)表

灌注樁入水標(biāo)高按-45m計算。

灌注樁單樁極限承載力Qk=QdγR=10067.92KN大于7000KN?？紤]灌注樁承載力折減系數(shù)0.8，能夠滿足設(shè)計單樁承載力要求。

⑵不同剛度樁承載力均衡考慮。鑒于PHC管樁與灌注樁的成樁原理不同，樁身剛度不同，故在結(jié)構(gòu)段受力分析時，出現(xiàn)了承載力不均衡的現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)樁基承載力分析圖

考慮不同樁基間的剛度不同，對灌注樁樁位進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，將D軸樁位置調(diào)整，與E軸樁并用，以平衡各樁受力。經(jīng)設(shè)計復(fù)核，方案可行，可以采用直徑1500mm灌注樁替代PHC管樁進(jìn)行補(bǔ)樁施工。灌注樁樁位布置插在原PHC樁之間。

圖3 第六結(jié)構(gòu)段34軸補(bǔ)樁樁位圖

補(bǔ)樁位置與數(shù)量確定原則；在滿足承載力要求的前提下，盡量不增加樁的數(shù)量，補(bǔ)樁樁位在避開原來結(jié)構(gòu)樁的同時還要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，具體布置如圖3示。

2 斷樁修復(fù)工藝的實(shí)施情況

2.1 損壞PHC管樁的拆移

損壞的PHC樁采用200噸起重船吊除，潛水水下配合割除，起重船在碼頭前沿駐位完成后，先由潛水員在傾倒樁的樁頭位置綁扎鋼絲繩，鋼絲繩掛至起重船大勾上，起重工指揮大勾慢慢帶勁，吊扶樁頭露出水面，恢復(fù)原有狀態(tài)。潛水員水下對斷樁進(jìn)行割除處理，從而吊除斷樁。

2.2 灌注樁施工平臺設(shè)計

依據(jù)本工程樁布置特點(diǎn)和場地條件，本次采用鋼管樁施工平臺，平臺面積約261m2，平臺頂面高程+4.80m，其由Φ1520mm、δ=8mm、L=28m的鋼護(hù)筒,單根重約8.4t，Φ630mm、δ=8mm L=28m的鋼管樁,單根重約4.3t和I40a主梁、I25a分配梁、剪刀撐以及防滑鋼板組成，見施工平臺設(shè)計圖4。

圖4 灌注樁施工平臺立面圖

平臺穩(wěn)定性檢算

⑴荷載取值

施工中考慮所需設(shè)備機(jī)械設(shè)備自重及震動荷載，最不利荷載綜合按8噸考慮。

⑵結(jié)構(gòu)驗算

①面板檢算：鋼面板（t=6mm），取下部受力最大處1m寬為計算單元，豎楞楞間距1000mm。

計算荷載：荷載折算為78.4kN/m

鋼面板（t=6mm），取下部受力最大處1m寬為計算單元，豎楞楞間距300mm。

計算荷載：F=232.2kN/m2

強(qiáng)度驗算：

最大彎矩根據(jù)公式計算：

強(qiáng)度符合要求。

剛度驗算：

跨度l0=300mm

則撓度

剛度符合要求.

②小次梁驗算

小次梁采取[10的槽鋼，間距300mm。

計算承載力荷載：q=78.4kN/m

驗算剛度荷載：q` =78.4kN/m

強(qiáng)度驗算：

最大彎矩根據(jù)公式計算：

強(qiáng)度符合要求。

剛度驗算：

計算跨度l0=300mm

則撓度

剛度符合要求。

剪力計算：

最大剪力：Qmax=0.6ql=0.6×78.4×0.3=14.11kN

最大剪應(yīng)力：

符合要求。

③主梁驗算：

主梁采取I40a（Q345）工字鋼，間距4800mm。

計算承載力集中力：

驗算剛度集中力：

強(qiáng)度驗算：

最大彎矩根據(jù)公式計算：

σ＜[σ]=345MPa ，強(qiáng)度符合要求。

剛度驗算：

計算跨度l0=4800mm

剛度符合要求。

④樁基承載力驗算

取φ630×8mm螺旋焊鋼管材料進(jìn)行驗算，壁厚按δ=7mm進(jìn)行計算，其鋼管截面特性如下：

單根φ630mm，δ=7mm鋼管截面承受的允許壓力[N]：

由于鋼管墩為壓桿，要考慮壓彎失穩(wěn)，故進(jìn)行穩(wěn)定性校核。按兩端鉸支計算鋼管穩(wěn)定容許應(yīng)力，該處鋼管最大自由長度為L＝10m。按照路橋施工計算手冊表12-2公式，則鋼管穩(wěn)定容許應(yīng)力：

式中：φ——壓桿穩(wěn)定系數(shù)；

λ＝νL/i＝1×10/0.22027=45.40＜80；

ν——壓桿的長度系數(shù)，該處取ν＝1；

L——壓桿的自由長度，該處L=10m；

i——壓桿對軸的慣性半徑，該處i＝0.22027；

[σ]——壓桿材料的容許應(yīng)力，鋼管＝140MPa。

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》得，φ＝0.810。

單根鋼管的穩(wěn)定容許壓力：

式中：[σ]ω——鋼管的穩(wěn)定容許應(yīng)力（由上式求得）；

A——鋼管壁的橫截面面積（直徑0.630m，壁厚0.007m）

故單根鋼管穩(wěn)定允許承載力[P]= 1553.64kN，所以后續(xù)檢算鋼管的豎向荷載必須小于[P]＝1553.64kN。

鋼管樁的豎向荷載計算：

有以上計算可知，單排鋼管樁中間的鋼管樁受力最大：RL=107.77KN

鋼管樁等自重計算：鋼管樁長度按28m計算，鋼管樁為直徑630mm的標(biāo)準(zhǔn)螺旋焊接管，則鋼管樁自重為：W=28×1.07=29.26KN,鋼管樁受力P=107.7+29.26=136.96N。

鋼管樁的豎向承載力計算：

本棧橋所有樁基均支撐在粉質(zhì)粘土層上，按摩擦樁計算其容許承載力。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）中的沉樁的承載力容許值公式，則樁的容許承載力為：

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值（kN），樁身自重與置換土重（當(dāng)自重記入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；

u ——樁身周長（m）；

n ——土的層數(shù)；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

端承載力的影響系數(shù)對于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

按15m計算：

按13m計算：

即打樁時須根據(jù)地質(zhì)情況入土深度必須大于13m才能滿足設(shè)計要求。

2.3 主要工藝流程

測量定位→打設(shè)鋼管樁→安裝I40a主梁→安裝I25a分配梁施→焊接剪刀撐→鋪裝防滑鋼板→測量定位、安裝定位框→打設(shè)鋼護(hù)筒→鉆機(jī)就位→成孔→安放鋼筋籠→清孔→灌注→鋼平臺拆除。

2.4 主要施工方法

（1）鋼平臺搭設(shè)。吊機(jī)上自航平板駁就位于第34軸PHC管樁前沿，利用吊機(jī)吊振動錘夾鋼管樁進(jìn)行沉設(shè)，沉設(shè)過程中控制好鋼管樁的樁位，振沉深度滿足設(shè)計要求，依次完成所有鋼管樁的沉設(shè)，如因吊機(jī)跨距不足無法振沉內(nèi)部鋼管樁時，先將外部已振沉鋼管樁按設(shè)計要求連接成整體，焊接下部連系梁及剪刀撐，焊接上部縱橫主梁，鋪裝分配梁及面板等。然后將吊機(jī)移到平臺上繼續(xù)施工內(nèi)部的鋼管樁平臺，直到所有平臺全部完成。

（2）護(hù)筒施工。鋼護(hù)筒為定制的螺旋管，規(guī)格為Φ1520mm，δ=8mm；護(hù)筒頂標(biāo)高+5.00m，長度28.00m，并以護(hù)筒底部不漏漿為護(hù)筒長度確定的原則；護(hù)筒安裝平面偏差不得＞200mm，垂直度不得＞1%；

在施工平臺上精確定位，安裝導(dǎo)向架，在導(dǎo)向架的引導(dǎo)下，采用ZD-60振動樁機(jī)沉管，打設(shè)過程使用經(jīng)緯儀隨時監(jiān)控及修正鋼護(hù)筒的垂直度。

（3）鉆進(jìn)成孔。鋼護(hù)筒安裝完畢后，回旋鉆機(jī)就位，采用正循環(huán)、泥漿護(hù)壁工藝鉆進(jìn)至設(shè)計樁底標(biāo)高，回旋鉆機(jī)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：孔位偏差＜20cm，垂直度偏差＜1%。

回旋鉆進(jìn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速48-90（轉(zhuǎn)/分），泥漿比重1.2-1.3。

樁孔鉆至設(shè)計深度后需采用探孔器對孔徑、孔深、傾斜度進(jìn)行檢測。根據(jù)規(guī)范要求，探孔器外徑應(yīng)為鉆孔樁鋼筋籠直徑加100mm(不得大于鉆頭直徑)，長度為4-6倍外徑的鋼筋籠。本工程樁徑為1.5m，凈保護(hù)層為75mm，故探孔器外徑為1.45m，長度為5m，兩端做成錐形。探孔器主筋采用15根φ25螺紋鋼筋，加強(qiáng)筋采用φ25螺紋鋼筋，間距為2m，每道加強(qiáng)筋的位置焊接2根φ25的十字內(nèi)撐，探孔器兩端做成錐形。探孔器應(yīng)使用吊機(jī)垂直、平穩(wěn)放入孔內(nèi)，避免破壞孔壁。在進(jìn)行探孔器檢孔過程中，需監(jiān)理和現(xiàn)場技術(shù)人員到場監(jiān)督。

終孔檢查合格后，應(yīng)迅速清孔，使孔底沉渣、泥漿相對密度、泥漿中含渣量和孔壁厚度等指標(biāo)符合規(guī)范要求，為混凝土灌注創(chuàng)造良好條件。本工程清孔采用換漿法，清孔將鉆頭提離孔底10-20cm，以中速壓入比重1.2-1.4的純泥漿，把孔底沉渣和濃度較大的泥漿換出。在清孔排渣時，必須注意保持孔內(nèi)水頭，防止塌孔，不得用加深鉆孔深度的方式代替清孔。

（4）鋼筋籠制安。鋼筋籠必須在加工現(xiàn)場經(jīng)驗收合格后方可運(yùn)送到安裝現(xiàn)場。鋼筋籠在運(yùn)輸和吊裝時，需做好保護(hù)措施避免鋼筋籠變形。吊裝采用履帶吊，吊點(diǎn)設(shè)兩個，在吊裝過程中要輕吊輕放。運(yùn)輸采用平板車運(yùn)輸至工點(diǎn)，用吊機(jī)將鋼筋籠吊入孔中。

鋼筋籠分節(jié)安放過程中要嚴(yán)格控制鋼筋籠接頭的連接質(zhì)量。在護(hù)筒頂端插入橫撐（鋼管或型鋼），可將底節(jié)鋼筋籠吊掛于護(hù)筒頂端便于接長，上下兩節(jié)鋼筋籠對中使其成為一條直線后，找正主筋位置并利用吊墜在前后左右控制垂直度，調(diào)整完成后進(jìn)行鋼筋籠和聲測管連接。根據(jù)設(shè)計圖紙要求，鋼筋籠各節(jié)主筋采用單面焊接，單面焊的長度為10d。兩節(jié)鋼筋籠連接時，50%的鋼筋接頭需錯開，錯開長度不小于1.3L（焊縫搭接長度），并不小于50cm。焊接完成后，按要求補(bǔ)焊螺旋箍筋使其形成整體。上下兩節(jié)對接完成后，拔掉承托用的鋼管或型鋼，繼續(xù)沉放鋼筋籠，為避免鋼筋籠撞孔壁，要緩慢沉放，并將吊索置于鋼筋籠軸線上，不使其搖晃。下放過程中，要觀察孔內(nèi)水位變化，如下插困難，必須查明原因，不得強(qiáng)行插下。

（5）水下混凝土灌注。本工程水下混凝土灌注采用外徑Ф300mm，壁厚8mm鋼導(dǎo)管進(jìn)行施工。按樁孔深度準(zhǔn)備足夠長度的剛性導(dǎo)管，其底管長度為4m，中間節(jié)長度一般為2.5m。第二次清孔采用泵吸反循環(huán)法清孔。泵吸反循環(huán)是通過泥漿泵的抽吸作用，在導(dǎo)管內(nèi)腔形成負(fù)壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環(huán)狀空間的泥漿流向孔底，將沉渣帶進(jìn)導(dǎo)管內(nèi)腔，再經(jīng)過泥漿泵排至地面沉淀池內(nèi)；沉淀鉆渣后，泥漿流向孔內(nèi)，形成反循環(huán)。經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗，清孔達(dá)到規(guī)范要求后，即可進(jìn)行混凝土灌注施工。清孔后泥漿指標(biāo)：相對密度1.10-1.20，粘度20-22s，含砂率4%-6%，沉渣厚度≤50mm。

灌注水下混凝土是樁基工程施工的重要工序，應(yīng)特別注意。本工程灌注樁樁頂以下3m范圍內(nèi)混凝土標(biāo)號為C40F300，其余部分標(biāo)號為C40。由強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合，陸上裝載機(jī)運(yùn)輸，吊車吊罐入管。灌注樁采用剪球法灌注首批水下混凝土，首批灌注混凝土的數(shù)量應(yīng)能滿足導(dǎo)管首次埋置深度1.0m以上的需要，所需混凝土數(shù)量可按下式計算：

式中：V ——灌注首批混凝土所需數(shù)量(m3)；

D ——樁孔直徑(m)；d ——導(dǎo)管內(nèi)徑(m)；

H1——樁孔底至導(dǎo)管底端間距，一般為0.4m；

H2——導(dǎo)管初次埋置深度(m)；

Hw——井孔內(nèi)水或泥漿的深度(m)；

h1——樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度 時，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外(或泥漿)壓力所需的高度(m)，即；

γc——混凝土拌和物的重度(kN/m3)；γw——井孔內(nèi)水或泥漿的重度(kN/m3)，取1.2。

本工程首次混凝土灌注量為3.99m3。

（6）鋼平臺拆除。鋼平臺拆除在混凝土灌注樁達(dá)到強(qiáng)度要求并檢驗合格后進(jìn)行，拆除順序與搭設(shè)順序相反進(jìn)行，可將上部縱橫梁等分片整體吊移，最后用振動錘振拔所有鋼管樁完成拆除。

3 工藝的實(shí)施效果及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過采用灌注樁替代原PHC管樁，有效解決了斷樁位置空間狹小，打樁船無法進(jìn)入補(bǔ)打原樁的難題。

（2）克服不同剛度樁基在同一結(jié)構(gòu)段內(nèi)承載力不均衡的現(xiàn)象，在滿足設(shè)計承載力的前提下，通過調(diào)整樁位來均衡樁間受力，保證了樁基受力均衡。利用垂直灌注樁替代PHC斜樁，避免了補(bǔ)樁與即有PHC管樁的碰樁現(xiàn)象，解決了打樁船無法補(bǔ)樁的難題。

（3）核算水上灌注樁平臺受力，平臺搭設(shè)采用釣魚法施工，逐步打設(shè)鋼管樁，減少船機(jī)配置，有效完成群樁內(nèi)的補(bǔ)樁施工。

4 結(jié)語

本工程通過采用搭設(shè)平臺施工灌注樁替代損壞的PHC管樁，成功解決了打樁設(shè)備無法進(jìn)入樁區(qū)補(bǔ)樁的施工難題，能過適當(dāng)調(diào)整樁位協(xié)調(diào)不同剛度樁基間的受力均衡，利用大直徑灌注樁替代PHC管樁，成功解決了PHC管樁斷樁修復(fù)問題，為今后類似工程施工提供了經(jīng)驗借鑒。