高樁碼頭剛接PHC管樁新型接樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張卓先，潘金霞，章立東，王飛朋

(1.浙江省海港投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.浙江海港海洋工程建設(shè)有限公司舟山分公司，浙江 舟山 316000；4.寧波中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 寧波 315000)

PHC管樁已在港口碼頭工程中被廣泛應(yīng)用，具有樁身混凝土強(qiáng)度高、抗彎能力強(qiáng)、防腐蝕性能好、工廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)質(zhì)量可靠、機(jī)械化施工程度高、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。一般而言，PHC管樁對(duì)工程地質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，但當(dāng)其以堅(jiān)硬黏土層、密實(shí)砂層或基巖作為持力層且上述土層起伏變化劇烈、無(wú)規(guī)律可循時(shí)，沉樁施工質(zhì)量極難控制，實(shí)際樁頂高程易高于或低于設(shè)計(jì)值，即沉樁施工存在打高或打低等異常樁問(wèn)題。對(duì)于打高樁而言，經(jīng)反復(fù)錘擊后其貫入度均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，若低應(yīng)變檢測(cè)樁身完好，則僅需人工或機(jī)械鑿除超高部分即可。對(duì)于打低樁而言，工況復(fù)雜且處理技術(shù)難度較大，措施不當(dāng)可能導(dǎo)致廢樁而需另外補(bǔ)樁，造成工期延長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)損失。為保證工程進(jìn)度和節(jié)省投資費(fèi)用，一般優(yōu)先考慮接樁。若貫入度或高應(yīng)變檢測(cè)承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、樁身完整且樁頂位于可施工潮位附近，常規(guī)可通過(guò)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)整體高度或局部增加樁帽與打低樁連接，但該種接樁措施會(huì)顯著增加結(jié)構(gòu)自質(zhì)量和施工難度，并影響外觀質(zhì)量，尤其當(dāng)樁基傾斜角較大時(shí)，為滿(mǎn)足外包寬度要求，往往使得上部結(jié)構(gòu)調(diào)整尺寸過(guò)大，造成施工材料和投資費(fèi)用浪費(fèi)。目前，不改變上部結(jié)構(gòu)尺度的接樁措施的相關(guān)研究和應(yīng)用較少，尚無(wú)完善的理論體系和指導(dǎo)方法。筆者探討了一種PHC管樁打低樁接樁方案，不需調(diào)整上部結(jié)構(gòu)尺度即能夠滿(mǎn)足樁基與上部結(jié)構(gòu)之間剛性連接的要求，為保證工程進(jìn)度和降低變更費(fèi)用提供了技術(shù)支撐，可應(yīng)用于類(lèi)似工程實(shí)踐。

1 PHC管樁樁頂受力分析

PHC管樁在高樁碼頭中承受壓力、拉力、剪力和彎矩作用，尤其在船舶撞擊和波浪作用下，樁基與上部結(jié)構(gòu)連接處的拉力和彎矩較大，易造成連接處上部結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂和剝離剝落，甚至導(dǎo)致樁基從上部結(jié)構(gòu)中被拔出。因此，當(dāng)抗拔和抗彎要求較高時(shí)，PHC管樁與上部結(jié)構(gòu)之間的連接設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，應(yīng)保證抗拔和抗彎承載力滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求。

PHC管樁與上部結(jié)構(gòu)連接處的抗拔承載力由樁身側(cè)面與上部結(jié)構(gòu)混凝土之間的黏結(jié)剪應(yīng)力以及管樁端部與上部結(jié)構(gòu)混凝土之間的黏結(jié)拉應(yīng)力組成，其中黏結(jié)強(qiáng)度與上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度、管樁樁徑、表面粗糙程度、伸入上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、界面黏結(jié)劑類(lèi)型、樁芯混凝土等有關(guān)[1-2]；連接處的抗彎承載力由管樁和樁芯混凝土構(gòu)成的復(fù)合截面共同發(fā)揮作用，抗彎能力與上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度、管樁樁徑、型號(hào)、壁厚和伸入上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、樁芯混凝土等有關(guān)[3-5]。當(dāng)樁芯縱向鋼筋伸出管樁樁頂并滿(mǎn)足錨固長(zhǎng)度要求時(shí)，能夠顯著提高連接處的抗拔和抗彎承載力并增加連接處發(fā)生破壞時(shí)的延性[6-7]，限制和延緩樁身裂縫開(kāi)展，有效改善管樁變形能力，避免脆性破壞。

根據(jù)上述樁頂受力分析，對(duì)于具體高樁碼頭工程而言，當(dāng)基礎(chǔ)采用PHC管樁且樁型確定后，一般可考慮通過(guò)調(diào)整管樁伸入上部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和樁芯混凝土配筋提高連接處抗拔和抗彎承載力。

2 剛接PHC管樁規(guī)范設(shè)計(jì)要求

根據(jù)JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，當(dāng)PHC管樁與樁帽或橫梁連接處抗彎要求較高、按剛性連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：1)管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度L應(yīng)滿(mǎn)足抗拔和受彎要求，且不小于0.75倍樁徑(≥0.75D)；2)樁芯混凝土伸入樁帽或橫梁底面以下的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足受力要求，且不小于1.5倍樁徑(≥1.5D)；3)樁帽或橫梁的外包寬度不小于0.4倍樁徑(≥0.4D)；4)樁芯縱向鋼筋伸出樁頂?shù)拈L(zhǎng)度L0應(yīng)滿(mǎn)足錨固要求。見(jiàn)圖1。

圖1 剛接PHC管樁與樁帽或橫梁連接結(jié)構(gòu)

2.1 管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度L的確定原則

當(dāng)按剛性連接設(shè)計(jì)時(shí)，抗拔試驗(yàn)要求PHC管樁伸入樁帽或橫梁的最小長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足0.75樁徑，而PHC管樁與樁帽或橫梁連接點(diǎn)(圖2)的受彎承載力可按下式驗(yàn)算：

圖2 PHC管樁與樁帽或橫梁連接計(jì)算

(1)

式中：M為作用于樁帽或橫梁底部、管樁中心位置處的彎矩設(shè)計(jì)值(N·mm)；L為管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度(mm)；V為作用于樁帽或橫梁底部的剪力設(shè)計(jì)值(N)；D為管樁外徑(mm)；a為樁帽或橫梁混凝土擠壓強(qiáng)度系數(shù)，取2.7；fc為樁帽或橫梁混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)。

由式(1)可得剛接PHC管樁在滿(mǎn)足受彎要求時(shí)其伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度L應(yīng)滿(mǎn)足：

(2)

由式(2)可得剛接PHC管樁在滿(mǎn)足受彎要求時(shí)其伸入樁帽或橫梁的最小長(zhǎng)度為：

(3)

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究成果，當(dāng)樁基受彎時(shí)，若管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度不小于0.5倍樁徑，則樁身最先產(chǎn)生破壞，而管樁與樁帽或橫梁連接處完好。由此判斷，剛接PHC管樁在滿(mǎn)足受彎要求時(shí)其伸入樁帽或橫梁的最小長(zhǎng)度Lmin一般不大于0.5倍樁徑。

綜上所述，剛接PHC管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度L在滿(mǎn)足抗拔要求時(shí)的最小值為0.75倍樁徑，在滿(mǎn)足受彎要求時(shí)的最小值為L(zhǎng)min，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取兩者之間的較大值0.75倍樁徑，即為規(guī)范要求的限值。

2.2 樁芯縱向鋼筋伸出樁頂?shù)拈L(zhǎng)度L0的確定原則

參照J(rèn)TS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]對(duì)受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度的要求，可按下式計(jì)算樁芯縱向鋼筋伸出管樁樁頂?shù)拈L(zhǎng)度L0：

(4)

式中：L0為受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度(mm)；α為鋼筋的外形系數(shù)；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；d為鋼筋直徑(mm)。

3 打低樁接樁條件

為盡可能降低變更費(fèi)用并減少對(duì)工程進(jìn)度的影響，在沉樁施工過(guò)程中，若PHC管樁實(shí)際樁頂高程低于設(shè)計(jì)值，一般優(yōu)先考慮采取接樁措施，但在接樁之前，應(yīng)確保打低樁滿(mǎn)足以下條件，否則應(yīng)按廢樁處理并選擇合適位置進(jìn)行額外補(bǔ)樁：1)貫入度(最終10擊的平均貫入度)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整或基本完整；2)貫入度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但高應(yīng)變檢測(cè)樁基軸向承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且樁身完整或基本完整；3)實(shí)際樁頂位置適宜，不至于過(guò)低，工程海域潮位條件可滿(mǎn)足接樁施工要求。

需特殊說(shuō)明的是若原設(shè)計(jì)PHC管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度留有一定富余，即大于0.75倍樁徑，則當(dāng)PHC管樁沉樁貫入度滿(mǎn)足要求、實(shí)際樁頂高程低于設(shè)計(jì)值但不小于0.75倍樁徑時(shí)，可不進(jìn)行接樁處理，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究成果，結(jié)構(gòu)可靠性能夠滿(mǎn)足要求。

4 接樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4.1 常規(guī)接樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

當(dāng)剛接PHC管樁沉樁實(shí)際樁頂高程低于設(shè)計(jì)值時(shí)，通常將上部結(jié)構(gòu)整體或局部降低，同時(shí)根據(jù)其外邊緣至樁基之間的距離考慮是否加寬，以滿(mǎn)足PHC管樁伸入長(zhǎng)度和外包寬度要求，達(dá)到PHC管樁與上部結(jié)構(gòu)之間剛性連接的要求。該種接樁結(jié)構(gòu)對(duì)于垂直或傾斜角較小的打低樁而言較為適用，上部結(jié)構(gòu)調(diào)整的尺度不大；但對(duì)于傾斜角較大的打低樁而言，特別是當(dāng)實(shí)際樁頂高程與設(shè)計(jì)值相差較大時(shí)，該種接樁結(jié)構(gòu)的弊端尤為突出，原因是為達(dá)到PHC管樁剛性連接要求，上部結(jié)構(gòu)尺度將顯著增大、施工麻煩、產(chǎn)生較大的額外自質(zhì)量，并影響整體外觀質(zhì)量。

4.2 新型接樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

新型接樁結(jié)構(gòu)的外包方向與樁體軸線(xiàn)一致，有效規(guī)避了常規(guī)接樁結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，不改變上部結(jié)構(gòu)尺度、額外自質(zhì)量增加較小、施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用較低，可適用于不同斜度的打低樁。根據(jù)PHC管樁打低樁實(shí)際樁頂高程偏差程度可分為兩種工況，對(duì)應(yīng)采用不同的接樁結(jié)構(gòu)。

4.2.1工況1：Lmin≤L′<0.75D

當(dāng)打低樁實(shí)際可伸入上部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L′不小于滿(mǎn)足受彎要求的最小長(zhǎng)度Lmin但小于0.75倍樁徑時(shí)，可采用樁芯槽鋼加強(qiáng)處理：管樁樁芯采用槽鋼加強(qiáng)，槽鋼沿管樁內(nèi)緣均勻布置，凈距不宜大于250 mm，伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度不宜小于0.75D+L0(樁芯縱向鋼筋錨固長(zhǎng)度)，下邊界至樁芯混凝土底模板處，其余結(jié)構(gòu)同原設(shè)計(jì)。見(jiàn)圖3。

圖3 工況1樁芯槽鋼加強(qiáng)打低樁接樁結(jié)構(gòu)

4.2.2工況2：0≤L′

當(dāng)打低樁實(shí)際可伸入上部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L′小于滿(mǎn)足受彎要求的最小長(zhǎng)度Lmin或低于樁帽或橫梁等上部結(jié)構(gòu)底面時(shí)，可采用樁芯槽鋼加強(qiáng)并外包圓柱形混凝土進(jìn)行接樁處理(圖4)，具體要求如下：

圖4 樁芯槽鋼加強(qiáng)并外包圓柱形混凝土進(jìn)行接樁處理

1)樁頂外包圓柱形混凝土。

①外包范圍根據(jù)實(shí)際樁頂位置確定：若樁頂高于上部結(jié)構(gòu)底面，外包范圍為上部結(jié)構(gòu)底面以上100 mm至上部結(jié)構(gòu)底面以下不小于1.5倍樁徑處；若樁頂?shù)陀谏喜拷Y(jié)構(gòu)底面，外包范圍為上部結(jié)構(gòu)底面以上100 mm至實(shí)際樁頂以下不小于1.5倍樁徑處。

②外包混凝土厚度不小于0.4倍樁徑。

③外包混凝土配筋可參照灌注樁設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)連接處荷載作用考慮全部由外包混凝土承受。在樁頂彎矩和軸力作用下，外包混凝土最大裂縫開(kāi)展寬度應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)不同腐蝕條件和腐蝕部位的限值要求。

④縱向主筋采用HRB400級(jí)鋼筋，數(shù)量不宜少于12根，直徑不宜小于16 mm，應(yīng)沿樁身周邊均勻布置。主筋伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度不宜小于40倍鋼筋直徑，凈保護(hù)層厚度為海港不應(yīng)小于70 mm、河港不應(yīng)小于50 mm。螺旋箍筋采用不宜小于直徑8 mm的HPB300級(jí)鋼筋，間距宜為100～150 mm。

⑤外包混凝土宜采用微膨脹混凝土，強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于樁帽或橫梁等上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)。打低樁在外包混凝土范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)樁身外表面進(jìn)行適當(dāng)鑿毛處理，并在新舊混凝土結(jié)合面之間涂刷界面黏結(jié)劑，以提高外包混凝土與管樁之間黏結(jié)強(qiáng)度。

⑥當(dāng)樁頂外包混凝土澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，應(yīng)及時(shí)拆除臨時(shí)施工用鋼護(hù)筒，避免因護(hù)筒銹蝕而影響結(jié)構(gòu)耐久性，并對(duì)樁身表面缺陷進(jìn)行修復(fù)。

2)樁芯混凝土。樁芯混凝土宜采用微膨脹混凝土，強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，澆筑邊界需根據(jù)管樁外包混凝土范圍確定，其下邊界應(yīng)位于外包混凝土底面以下不小于1.5倍樁徑處?？v向主筋采用HRB400級(jí)鋼筋并沿管樁內(nèi)緣均勻布置，伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度不宜小于0.75D+L0(L0為縱向鋼筋錨固長(zhǎng)度)。伸入樁帽或橫梁的縱向主筋可根據(jù)受力情況采用直筋伸入或喇叭形伸入方式，當(dāng)樁頂彎矩較大時(shí)宜采用直筋伸入，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)承受較大沖切力時(shí)宜采用喇叭形。螺旋箍筋采用直徑8～12 mm的HPB300級(jí)鋼筋，間距可取150～200 mm。

3)樁芯加強(qiáng)槽鋼。管樁樁芯采用槽鋼加強(qiáng)，槽鋼布置間距、長(zhǎng)度和范圍等要求同工況1。

4)樁頂加強(qiáng)鋼筋。若原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)底面樁頂加強(qiáng)鋼筋與外包混凝土外伸鋼筋沖突，可適當(dāng)調(diào)整其位置，或?qū)⑵渫庖浦镣獍炷镣馍熹摻钔鈧?cè)。若外移樁頂加強(qiáng)鋼筋位置，應(yīng)注意同步調(diào)整其長(zhǎng)度，保證搭接長(zhǎng)度不小于30倍鋼筋直徑。

5)環(huán)向粘貼高強(qiáng)度碳纖維布。當(dāng)外包混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，可在其外表面環(huán)向粘貼2～3層高強(qiáng)度碳纖維布，能夠?qū)ν獍炷恋臋M向變形起到約束作用，抑制裂縫開(kāi)展、混凝土剝離剝落和縱筋屈曲，從而提高外包混凝土的延性和抗剪能力。粘貼之前應(yīng)對(duì)外包混凝土表面進(jìn)行必要的處理，清除破損劣化部位并修補(bǔ)填平坑槽凹陷，確?；嫫秸?，使得碳纖維布在粘貼后與混凝土之間能夠牢固結(jié)合，防止碳纖維布起鼓、脫離和錯(cuò)位。

6)表面防腐涂層。外包混凝土底面以及碳纖維布外表面均涂刷防腐涂料進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)保護(hù)年限不小于10 a。涂刷防腐涂料之前，應(yīng)在碳纖維布外表面噴射厚度不小于20 mm的丙乳砂漿。

5 結(jié)論

1)若PHC管樁按剛接設(shè)計(jì)，則管樁伸入樁帽或橫梁的長(zhǎng)度、樁芯混凝土伸入樁帽或橫梁底面以下的長(zhǎng)度、樁帽或橫梁的外包寬度、樁芯縱向鋼筋伸出樁頂?shù)拈L(zhǎng)度均應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2)打低樁可接樁的前提條件為滿(mǎn)足沉樁貫入度或樁基軸向承載力、樁身完整性以及施工等要求，可通過(guò)高應(yīng)變或低應(yīng)變檢測(cè)確定樁基狀況。

3)針對(duì)剛接PHC管樁打低問(wèn)題，可根據(jù)實(shí)際樁頂高程偏差程度，采用樁芯槽鋼加強(qiáng)或聯(lián)合樁頂外包圓柱形混凝土進(jìn)行接樁處理，以達(dá)到樁基與上部結(jié)構(gòu)之間剛性連接的要求。該新型接樁結(jié)構(gòu)適用于不同斜度的打低樁，能夠有效規(guī)避常規(guī)通過(guò)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)行接樁所導(dǎo)致的額外結(jié)構(gòu)自質(zhì)量和施工難度增加偏大、整體外觀質(zhì)量較差等弊端。