樁靴形式對PHC樁穿透性能的影響

馮光華，任 麟

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

先張法預(yù)應(yīng)力離心高強(qiáng)混凝土管樁(簡稱PHC樁)在港口中的應(yīng)用日漸增多[1]，國內(nèi)外學(xué)者對PHC樁的沉樁機(jī)理及質(zhì)量控制，做出了大量的研究[2-6]。

PHC樁為部分?jǐn)D土樁，其穿透性能較同直徑的鋼管樁弱，通常需要設(shè)置樁尖，常用PHC樁樁尖形式包括純鋼護(hù)筒樁靴、內(nèi)嵌十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴、加端板的十字樁尖和外突十字樁尖鋼護(hù)筒樁靴等形式，楊緒軍等[7]分析了樁靴鋼板厚度及端板外側(cè)增加鋼箍對于基樁穿透性能的影響；宋杰[8]分析了PHC混凝土管樁結(jié)合超長鋼樁靴的混合樁型方案,能較好地達(dá)到目標(biāo)持力層。而對于不同樁尖形式PHC樁的穿透性能對比的研究鮮見報(bào)道。本文通過對不同樁尖形式、不同樁靴長度以及鋼樁靴與PHC樁法蘭盤焊接是否采用斜角坡板的PHC樁穿透性能進(jìn)行對比分析，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

工程地處坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆港，為東非第二大港口。施工內(nèi)容包括新建1個滾裝泊位和升級改造1#～7#泊位，施工岸線總長約1.7 km，樁基采用直徑800、1 000 mm的PHC樁，數(shù)量分別為320、694根，總計(jì)1 014根，含有直樁以及傾斜度為8:1、6:1、4:1、3:1的斜樁，鋼樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0 和7.0 m，斜樁扭角為12°，滾裝泊位單個結(jié)構(gòu)段內(nèi)部平行于碼頭岸線方向軸之間的PHC 樁間距為8 m，共7排。1#～7#泊位每個排架布置3根PHC樁，排架樁間距5.5～7.2 m。PHC樁參數(shù)見表1，單個結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

表1 坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆港PHC樁參數(shù)

圖1 滾裝泊位基樁平面布置 (單位：m)

2 不同樁靴形式的PHC樁沉樁規(guī)律分析

珊瑚礁礫砂層廣泛分布在坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆港，在每個地質(zhì)鉆孔中均發(fā)現(xiàn)，埋藏較淺?；谠摰刭|(zhì)條件，分析不同樁靴形式的PHC樁沉樁規(guī)律。

2.1 沉樁停錘標(biāo)準(zhǔn)

基于永安YC-30液壓錘、錘芯跳高30 cm工況下，滿足以下條件之一，即可停錘：

1)最后3陣，每陣10 擊，平均貫入度≤7 mm且達(dá)到設(shè)計(jì)高程，可以停錘；如果貫入度大于7 mm，應(yīng)繼續(xù)錘擊直至貫入度小于7 mm。

2)未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，平均貫入度≤5 mm(最后3陣，每陣10 擊)且樁尖距設(shè)計(jì)高程≤1.0 m，可以停錘。

3)其他異常情況應(yīng)停錘；檢查樁身質(zhì)量，綜合評估總錘擊數(shù)、地質(zhì)和貫入度的情況，并及時反饋設(shè)計(jì)。

2.2 PHC樁的樁靴類型

項(xiàng)目采用的樁尖形式有3種：純鋼護(hù)筒樁靴、內(nèi)嵌十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴、外突十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴，材質(zhì)為Q345B鋼，鋼樁靴樁尖0.5 m范圍內(nèi)外貼18 mm厚加強(qiáng)箍，分為兩瓣，樁靴頂部側(cè)端肋板之間焊接有縱向肋板，縱向肋板分為矩形和梯形兩段，樁靴和PHC段由樁頭端板連接。樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0、7.0 m；鋼樁靴與基樁法蘭盤連接方式有帶和不帶斜角坡板。外突十字樁尖鋼樁靴和帶斜角坡板的鋼樁靴見圖2。

圖2 外突十字樁尖和帶斜角坡板的鋼樁靴(單位:mm)

2.3 基樁總錘擊數(shù)

2.3.1不同樁尖形式基樁總錘擊數(shù)

針對不同樁尖形式基樁，分別選取100根樁進(jìn)行總錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)，見圖3。純鋼護(hù)筒樁靴基樁總錘擊數(shù)平均值為1 768擊；內(nèi)嵌十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴基樁的總錘擊數(shù)平均值為1 564擊；外突十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴基樁的總錘擊數(shù)平均值為1 387擊?？傚N擊數(shù)最高的為純鋼護(hù)筒樁靴基樁，平均值比內(nèi)嵌十字樁尖的鋼護(hù)筒基樁高13.0%、比外突十字樁尖的鋼護(hù)筒樁靴基樁高27.5%。

圖3 不同樁尖形式基樁的總錘擊數(shù)

2.3.2不同樁靴長度基樁總錘擊數(shù)

不同樁靴長度基樁總錘擊數(shù)見圖4。樁靴長度為1.5、5.0、6.0、7.0 m基樁的總錘擊平均值分別為1 883、1 665、1 564、1 466擊。樁靴長度越長，平均總錘擊數(shù)越少。1.5 m長樁靴的總錘擊數(shù)明顯比其他長度樁靴基樁總錘擊數(shù)大。

圖4 不同樁靴長度基樁的總錘擊數(shù)

2.3.3不帶與帶斜角坡板基樁總錘擊數(shù)

不帶與帶斜角坡板基樁總錘擊數(shù)見圖5。不帶斜角坡板的基樁總錘擊數(shù)平均值為1 452擊；帶斜角坡板的基樁的總錘擊數(shù)平均值為1 316擊；帶斜板的基樁平均總錘擊數(shù)更少，約少10.3%。

圖5 不帶與帶斜角坡板基樁的總錘擊數(shù)

2.4 不同樁靴形式基樁的停錘規(guī)律

2.4.1不同樁尖形式的樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

針對不同樁尖形式基樁，分別選取100根進(jìn)行實(shí)際樁尖高程與設(shè)計(jì)值對比，并統(tǒng)計(jì)其貫入度，見圖6～8。純鋼護(hù)筒樁靴基樁實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.72 m,大于1 m的有7根，大于5 m的有2根且補(bǔ)樁，終錘平均貫入度2.9 mm/擊；內(nèi)嵌十字樁尖基樁的實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.55 m,大于1 m的樁有5根，終錘平均貫入度3.5 mm/擊；外突十字樁尖基樁樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.31 m,大于1 m的樁有3根，終錘平均貫入度4.2 mm/擊。

圖6 鋼護(hù)筒樁靴基樁樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

圖7 內(nèi)嵌十字樁尖基樁樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

圖8 外突十字樁尖基樁樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

2.4.2不同樁靴長度基樁樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

不同樁靴長度樁尖高程及終錘貫入度見圖9～12。樁靴長1.5 m基樁實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.75 m,大于1 m有8根，大于5 m有1根且須補(bǔ)樁，終錘貫入度平均值為2.8 mm/擊；樁靴長度5.0 m 基樁的實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.61 m,大于1 m有8根，終錘貫入度平均值為3.4 mm/擊；樁靴長度6.0 m 基樁設(shè)計(jì)樁尖比設(shè)計(jì)值平均高出0.54 m,大于1 m有5根，終錘貫入度平均值為3.6 mm/擊；樁靴長度7.0 m 基樁實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.46 m,大于1 m基樁有4根，終錘貫入度平均值為3.8 mm/擊。

圖10 5.0 m樁靴長度樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

圖11 6.0 m樁靴長度樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

圖12 7.0 m樁靴長度樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

2.4.3不帶與帶斜角坡板基樁樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

不帶與帶斜角坡板基的實(shí)際樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度見圖13、14。不帶斜角坡板的基樁實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值高出0.48 m,大于1 m的有6根，終錘貫入度平均值為3.9 mm/擊；帶斜角坡板的基樁的實(shí)際樁尖高程比設(shè)計(jì)值平均高出0.27 m,大于1 m的樁有1根，終錘貫入度平均值為4.4 mm/擊。

圖13 不帶斜角坡板實(shí)際樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

圖14 帶斜角坡板實(shí)際樁尖高程與設(shè)計(jì)值差距及終錘貫入度

3 不同樁靴形式的基樁穿透性能對比

3.1 試驗(yàn)樁樁位地質(zhì)樁孔情況

針對不同樁尖形式、不同樁靴長度以及帶與不帶斜角坡板，選取SGR06和SGB07這兩個鉆孔分別選取3根基樁進(jìn)行沉樁試驗(yàn)，對穿透性能進(jìn)行對比分析。SGR06地質(zhì)鉆孔見表2，持力層為珊瑚礁砂礫。

表2 SGR06鉆孔地層情況

注：50/190、50/210表示50 cm/190擊、50 cm/210擊。

3.2 不同樁尖形式基樁穿透性能對比

根據(jù)純鋼護(hù)筒樁靴基樁、內(nèi)嵌十字樁尖基樁和外突十字樁尖基樁3種不同的樁尖形式，在SGB06鉆孔附近選取3根樁沉樁，樁靴長度均為5.0 m，樁徑均為1.0 m，對不同土層的貫入度、樁身最大能量、樁身壓應(yīng)力、拉應(yīng)力進(jìn)行對比分析，見圖15。

圖15 不同樁尖形式相同樁靴長度基樁的貫入度及相關(guān)參數(shù)變化

由圖15可知，純鋼護(hù)筒樁靴、內(nèi)嵌十字樁尖、外突十字樁尖基樁的沉樁貫入度依次增加，樁身拉、壓應(yīng)力依次減少，而能量并無顯著差異，因此上述3種樁尖形式的基樁穿透能力依次增強(qiáng)。

3.3 不同樁靴長度基樁穿透性能對比

在SGB07鉆孔附近選取4根基樁，持力層為粉性砂質(zhì)黏土，鉆孔地層情況見表3，基樁的樁徑均為1.0 m，均采用帶斜角坡板形式，樁尖形式為內(nèi)嵌十字樁尖，樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0和7.0 m，對不同土層貫入度進(jìn)行對比分析。4根樁不同土層貫入度變化見圖16。

表3 SGB07鉆孔地層情況

注：50/200、50/250表示50 cm/200擊、50 cm/250擊。

圖16 不同樁靴長度貫入度變化

由圖16可知，1.5 m長鋼樁靴的沉樁過程貫入度值明顯比其他長度貫入度小，而5.0～7.0 m長鋼樁靴貫入度依次增大，但變化并不明顯，因此隨著樁靴長度增加，基樁穿透性能增加，且1.5 m長樁靴其基樁穿透能力明顯要比5.0～7.0 m樁靴基樁弱。

3.4 不帶與帶斜角坡板基樁穿透性能

在SGR07鉆孔附近選取不帶與帶斜角坡板的樁靴形式的2根基樁進(jìn)行沉樁試驗(yàn)，對不同土層貫入度進(jìn)行對比分析。見圖17。帶斜角坡板基樁的貫入度較大，主要是斜角坡板在沉樁過程中起緩沖作用，減少側(cè)阻力，更有利于基樁穿透硬層，達(dá)到設(shè)計(jì)高程，貫入度較大。

圖17 樁靴帶坡板與不帶坡板貫入度變化

4 結(jié)論

1)在相同的地質(zhì)條件下，外突十字樁尖的PHC樁的穿透性能最強(qiáng)，純鋼護(hù)筒樁靴的PHC樁穿透能力最弱。

2)在相同的地質(zhì)條件下，樁靴長度越長，其基樁穿透能力越強(qiáng)，但樁靴長度大于5 m時，基樁穿透性能增強(qiáng)并不明顯。

3)在相同的地質(zhì)條件下，帶斜角坡板能減少基樁沉樁過程的土阻力，PHC樁貫入度較大，穿透性能較強(qiáng)。

4)基于總錘擊數(shù)、貫入度、樁身壓應(yīng)力和拉應(yīng)力等參數(shù)考慮，從樁尖形式、樁靴長度及是否帶斜角坡板這3方面靈活選取不同樁靴形式的PHC樁，使PHC樁沉樁至設(shè)計(jì)高程，保證沉樁質(zhì)量。