灌注樁樁頭快速整體破除法研究及應用實踐

張楊洋，孔令貴，李忠祥

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

灌注樁基礎作為建、構筑物基礎的一種形式，因其承載可靠、施工靈活、工藝成熟、地層適應能力強等特點，目前廣泛應用于土建施工領域。由于水下澆筑時樁頂會存在浮漿沉淀，故需進行超灌以保證設計樁身段的混凝土強度。因此完成樁身澆筑后，需對樁頭超灌混凝土進行破除，剝離出主筋再施做承臺、系梁等，以形成整體受力結構。樁頭破除質(zhì)量好壞直接影響到樁基承載能力的發(fā)揮，針對樁基當前廣泛使用的行業(yè)背景，如何提高樁頭破除技術在質(zhì)量保證、進度、經(jīng)濟及環(huán)保方面的水平，此項工作具有較大的研究意義。

1 樁頭質(zhì)量控制重要性分析

限于目前灌注樁施工技術及工藝水平，樁基澆筑完均需要對樁頭部分進行處理，破除超灌部分混凝土，剝出主筋以進行上部承臺、連系梁、墩柱等施做。樁頭錨固部分同上部結構的連接質(zhì)量直接影響到樁基承載性能的發(fā)揮，主要關系如下[1-3]。

(1) 受力：盡管樁基的受力同地層特征、樁長、樁身強度等因素有關，但樁基承載能力的發(fā)揮不論在何種邊界條件下，都建立在樁頭同上部結構形成有效連接的基礎上。一般情況下，樁頭部分同上部結構體的連接形式介乎于剛接和絞接之間，而連接處的受力通常是豎向壓/拉、彎矩、剪力的綜合，結合處剛性的差異將直接影響力矩分配，此效應在群樁中更為明顯。在同等受力下，樁頭連接處的變形會因剛度不同而產(chǎn)生差異，當變形差達到限值時，也會產(chǎn)生混凝土開裂。

(2) 變形：不論是上部結構的變形向下傳遞或是地層移動造成樁身變形自下向上傳遞，樁頭的連接處均是位移的突變部位，而承臺、連系梁等在此起到變形協(xié)調(diào)的作用。同樣，由于連接處剛度的不同，在聯(lián)系體發(fā)生同等位移下，不同連接處將產(chǎn)生不同的抵抗力，當應力達到對應的強度值時將發(fā)生結構破壞。

(3) 工序：樁頭鋼筋剝出后需與上部結構體鋼筋進行接長或布設水平鋼筋網(wǎng)片，此時樁頭鋼筋成型的好壞將直接影響后續(xù)鋼筋安裝的質(zhì)量及難易程度。

(4) 不同樁頭破除方法所形成的樁頭混凝土表面效果不同，而在采用應變法進行樁身成型質(zhì)量檢測中，需要自樁頂敲擊從而形成應變波，此時樁頭混凝土質(zhì)量的好快將對波形產(chǎn)生直接影響，進而影響檢測結果的準確性[4-5]。

2 樁頭破除方法分類及優(yōu)劣分析

依據(jù)樁頭破除所采用的主要設備不同，目前破除方法主要有液壓破碎錘法、人工風鎬破除法、環(huán)切法、機械擠壓破碎法以及整體破除法，具體工藝及優(yōu)劣如下[6-13]。

2.1 工藝簡介

(1) 液壓破碎錘法

將液壓破碎錘安裝于挖機臂前端，依靠破碎頭的沖擊力將樁頭鑿碎清除。

(2) 人工風鎬破除法

空壓機提供動力，人工手持風鎬進行破除。當樁徑較小時，一般采用全部破除法；當樁徑較大時，多先將主筋外保護層進行破除撥出主筋，后于樁頂處打水平鉆孔，插入鋼楔并配合風鎬沖擊，利用素混凝土抗拉強度低的特征，使鉆孔處混凝土產(chǎn)生水平向貫通裂縫，進而配合吊車等將樁頭整體吊出。

(3) 環(huán)切法

根據(jù)樁頂設計高程，于樁身外側標出環(huán)向切割線，測出該處鋼筋保護層厚度，確定環(huán)切深度。采用附著式切割機(或手持式)沿標記線以事先測定的保護層厚度進行切割，見圖1。之后于切割線上部采用人工風鎬鑿出寬約10 cm的環(huán)槽，接著進行保護層破除，后續(xù)施工同人工風鎬法。

(4) 機械擠壓破碎法

此方法也稱為Mr Cropper法，需配備專門的破碎設備，具體方法：根據(jù)樁徑不同選擇相匹配的環(huán)向液壓破碎裝置，該裝置特征在于剛性環(huán)內(nèi)側安裝有數(shù)組帶破碎齒的液壓千斤頂，在截樁設計高程處安裝設備，通過多組千斤頂對樁側面加壓，實現(xiàn)樁頭混凝土的破碎切斷目標。

圖1 擠壓破碎刀頭圖

(5) 整體破除法

整體破除法的技術核心在于澆筑時采取一定的方法將鋼筋和混凝土進行隔絕，消除混凝土凝固后對鋼筋的握裹力，從而省去保護層的破除時間，同時顯著提高鋼筋成型質(zhì)量。在樁頭水平截斷工序上，依據(jù)施力方式不同分為膨脹劑致裂整體破除法(也稱Recepieux法)和機械致裂整體破除法(也稱Elliott法)。

圖2 膨脹劑致裂整體破除

圖2為膨脹劑致裂整體破除法原理示意圖[7]。本技術要點在于澆筑前，預先在樁頭鋼筋上安裝有膨脹裝置，破除樁頭時通過向裝置內(nèi)注入膨脹劑以實現(xiàn)設定位置處的致裂目的。經(jīng)驗參數(shù)：膨脹裝置沿樁周間距約0.4～0.5 m進行布置，膨脹劑注入約2 h后膨脹力可達30 MPa以上。

機械致裂法主要包含鋼楔頂進致裂及液壓擴張致裂，工藝較為簡單，此處不再贅述。在消除混凝土握裹力上，主要通過澆筑前事先加裝隔離套管來實現(xiàn)，目前常用的有PVC套管、PE管、橡塑發(fā)泡管等，管材的主要技術要求是隔離漿液及具有一定的受壓抗變形能力?？紤]到混凝土澆筑時水泥漿沿套管內(nèi)上升，未實現(xiàn)消除混凝土握裹力的目的，因此安裝套管時應注意上下口的封堵。另一方面，套管安裝后，應采取定位措施，防止混凝土澆筑時管體串動脫落。

2.2 優(yōu)缺點對比

樁頭不同破除方法的選擇主要依據(jù)樁徑、進度、經(jīng)濟性、質(zhì)量控制、職業(yè)健康要求等方面綜合比選。具體對比如表1。

表1 樁頭破除方法對比表

對比可知，對于中小直徑樁，整體破除法在質(zhì)量保證、施工速度以及健康環(huán)保方面均優(yōu)勢顯著；以破碎錘、人工風鎬以及需較多輔助人工風鎬的方法在質(zhì)量控制及健康環(huán)保方面均存在劣勢，綜合處理速度因樁徑不同而存在一定差異?，F(xiàn)場破樁工藝選擇，應遵循以質(zhì)量、進度為主控目標，在文明施工符合業(yè)主及監(jiān)管部門要求下，盡可能選取綜合成本較低的方式，并盡可能采用新技術。

3 樁頭整體破除法實踐

3.1 工程概況

漢中市興漢新區(qū)梁中路24號橋，橋梁全長142 m、寬44 m。拱跨采用30 m+50 m+30 m現(xiàn)澆上承式鋼筋混凝土空腹式拱橋。采用鉆孔灌注樁基礎，標號C30，樁徑1.5 m、樁長31 m(承臺錨固深度1 m)，樁基總數(shù)168根。樁基下穿地質(zhì)土層依次為粉質(zhì)黏土-粉土-卵石-圓礫。樁基主筋設計采用Φ28三級鋼，上部20 m采用雙排筋布置(34×2根)，下部11 m采用單排筋布置，主筋環(huán)向間距12.2 cm。

3.2 破除方案分析比選

3.2.1 情況分析

最初在采用人工風鎬進行樁頭破除時，情況如下：

(1) 樁徑較大，加之樁頭部分為雙排筋，主筋撥除工程量較大。

(2) 主筋撥出后，彎曲變形嚴重，部分主筋不得已采用局部加熱進行校直，造成鋼材強度受損。

(3) 為保證樁頭螺旋筋的安設質(zhì)量，樁頭主筋需保證順直及統(tǒng)一角度，鋼筋校正工作量大。

(4) 風鎬破除時，噪聲大、粉塵多、震動強，施工人員健康威脅大，勞動強度高。

(5) 破除速度慢，以3人1組配2個風鎬進行配備，速度快時1 d僅能破除2個樁頭，影響關鍵線路施工進度。在布承臺筋和螺旋筋時，主筋需要校直，由于彎曲變形嚴重加之強度高，平均處理每個樁頭需要近1.5 h(以3人1組統(tǒng)計)，費工費時。

現(xiàn)場施工環(huán)境及破樁效果見圖3。

3.2.2 方案比選

為提高施工質(zhì)量、加快進度、提高綜合效益，項目部決定對破樁方案進行優(yōu)化。經(jīng)分析，限制本工程破樁速度和質(zhì)量的關鍵在于：大直徑雙排筋的客觀條件，造成保護層破除工序耗時顯著增加，也是造成樁頭鋼筋成型質(zhì)量差彎曲嚴重的重要主因；保護層破除以及后續(xù)的鋼筋校直占用了破樁工序用時約60%，如何縮短此部分耗時，是提高速度的關鍵。

通過參考已有文獻及經(jīng)驗交流，項目部結合自身技術、質(zhì)量、進度及成本目標，最終確定采用PVC套管鋼筋隔離+機械致裂的整體破除法。

圖3 風鎬破除效果及鋼筋校直圖

3.3 工藝流程

本次制定的整體破除法主要工藝流程如下：樁基鉆孔施工→下放鋼筋籠→安裝PVC套管→套管端頭封堵并固定→樁基澆筑→樁間土挖除→放樁頂標記線→打水平鉆孔→安裝鋼楔→風鎬頂進、樁頭截斷→挖機或吊車整體吊出。

具體操作如下：

(1) 鋼筋籠制作時，考慮到高程控制誤差，為確保樁頭錨固長度不低于設計標準，樁頭部分長度比設計多預留20 cm。

(2) 套管長度按照設計樁頭制作，即套管底部距離樁頂加強筋約10 cm，用扎絲固定好，防止?jié)仓r管體脫落錯位。應當注意聲測管及吊筋處同樣需要安裝套管進行隔離。

(3) 端頭封堵。上端頭可購買成品保護蓋，下端口采用塞堵配合填縫劑進行封堵。

(4) 水平鉆孔打設時，沿截斷線每25～30 cm打1孔，鉆孔周向范圍約占樁周1/3，鉆孔深度約30 cm左右，本次實施按照周向打8個孔設計。

(5) 樁頭混凝土劈裂截斷后，形成樁頭起吊單元。采用挖機或吊車，完成樁頭分離。

圖4 完成套管安裝圖

4 實踐效果評價及總結

4.1 效果評價

采用整體破除法后，對樁基破除的效果進行評價：

(1) 鋼筋成型質(zhì)量

圖5為人工風鎬與整體破除法的鋼筋成型效果對比?？梢钥吹剑涸诓捎锰坠芨綦x及整體破除方法后，鋼筋成型效果非常好，表觀無機械損傷，喇叭口成型美觀，螺旋箍筋綁扎可靠。

圖5 人工風鎬法與整體破除法鋼筋成型效果對比圖

(2) 職業(yè)健康環(huán)保

整體破除法僅在打水平鉆孔及進行頂楔施工時會產(chǎn)生一定噪聲、粉塵及振動，相比人工風鎬法，其省去了總用時近40%的保護層破除環(huán)節(jié)，工人勞動強度及粉塵產(chǎn)生量均大大降低。

(3) 破樁速度

破樁耗時應包括鋼筋撥出以及校正兩部分時間，人工破除時正常情況下每根樁需6 h左右(4.5 h+1.5 h)，而在采用整體破除法(工人操作熟練后)，平均速度可達3 h左右(2.5 h+0.5 h)，施工速度提高顯著，縮短關鍵線路工期。

(4) 直接經(jīng)濟效益估算

選取人工費、材料費、電費、易損件及設備損耗4方面做經(jīng)濟分析。

1) 人工費：每根樁人工用時從6 h縮短至3 h(3人)，節(jié)約1個工日，約200元。

2) 材料費：PVC套管費=(34+3+2)×7=273元。

3) 電費：1.5 m樁徑，28雙排筋情況下人工風鎬法每根電費約120元，新工藝實施后，電費可節(jié)約按60元計算。

4) 易損件及設備損耗：每根樁節(jié)約按照20元計算。

綜合以上，每根樁成本節(jié)約=200-273+60+20=7元

4.2 總 結

(1) 綜合效益方面

新方案實施后，樁頭鋼筋質(zhì)量、施工速度均有大幅提高，職業(yè)健康環(huán)保方面有明顯改善；直接成本基本與人工風鎬法持平，PVC管材成本占比較高，但在分析管材質(zhì)量、可替代管材(如PE管、橡塑管)后，此部分成本可進一步降低。綜合分析：在新工藝實施后，質(zhì)量保證、進度、外觀、健康環(huán)保均有較明顯提高，雖未獲得顯著的直接經(jīng)濟成本節(jié)約，但質(zhì)量提升、進度提速所帶來的潛在社會及經(jīng)濟效益不可忽視。

(2) 技術要點方面

1) 套管安裝：為節(jié)約下鋼筋籠及澆筑時間，下籠前可提前安裝不受起吊時吊繩拖拽的大部分套管。

2) 聲測管、吊筋：安裝套管時聲測管和吊筋同樣需要進行隔絕保護，其中吊筋套管安裝時，需先將套管套入吊筋，完成吊筋焊接后，進行套管定位及端頭封堵。

3) 樁基高程控制：澆筑過程中務必做好樁頂高程控制，以保證在后期樁頭截斷時，套管部分樁體能整體吊出。

5 結論及建議

5.1 結 論

(1) 樁頭破除質(zhì)量的好壞將直接影響螺旋箍筋安裝以及同承臺等聯(lián)系體的連接剛度，進而對樁基的受力變形、承載性能發(fā)揮及上部結構穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(2) 從破樁設備上，目前主要的方法有液壓破碎錘法、人工風鎬破除法、環(huán)切法、機械擠壓破碎法以及整體破除法，不同方法的適用條件主要與樁徑、樁數(shù)量、進度要求以及健康環(huán)保要求有關，具體破樁方案還應結合現(xiàn)場條件進行綜合制定。

(3) 梁中路24號橋樁基破除，在采用PVC套管鋼筋隔離+機械致裂的方法后，樁頭成型質(zhì)量、施工速度、職業(yè)健康環(huán)保方面均有顯著提升，同時在一定程度上獲得了經(jīng)濟效益，成效顯著，可為類似工程提供借鑒參考。

5.2 建 議

目前JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》尚未對樁頭破除后鋼筋、截斷面混凝土外觀質(zhì)量進行規(guī)定，造成不同項目樁頭破除施工質(zhì)量參差不齊，先進的工藝設備難以推廣應用，職業(yè)健康環(huán)保的要求更是難以落實。因此，建議將樁頭破除的質(zhì)量要求細化到規(guī)范標準，以加大先進、綠色破樁法的推廣力度，提質(zhì)增效。

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