南昌地區(qū)典型厚密砂層PHC 管樁施工技術(shù)研究

鄧美成 蔡 智 劉 濤 田建成 魏海濤

（中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

自《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476—92）正式實施以來，先張法預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC管樁）憑借施工效率快、單樁承載力高、質(zhì)量易保證等優(yōu)勢[1]，廣泛應(yīng)用于東南沿海地區(qū)，且近年來已逐步向內(nèi)陸地區(qū)推廣。南昌地區(qū)江西省奧林匹克體育中心主體育場工程、昌北紅谷灘新區(qū)紅谷凱旋商業(yè)住宅工程等項目應(yīng)用PHC 管樁取得較好的工程效果。

南昌位于贛江沖積平原區(qū)，第四系出露范圍最為廣泛，各時期沖積層由上至下，呈顆粒粒度由細至粗的上軟下硬“二元”結(jié)構(gòu)[2]，其中上部為黏性土和粉土，局部夾淤泥質(zhì)黏性土透鏡體，下部為砂及礫砂層。

南昌某工程采用樁基方案，通過工程地質(zhì)條件分析和靜力觸探試驗，結(jié)合當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件及經(jīng)驗，對樁基方案進行了經(jīng)濟技術(shù)比選分析；通過不同樁長的單樁靜載試驗，對比分析PHC 管樁在不同持力層的承載力及沉降特性；總結(jié)南昌地區(qū)典型厚密砂層地質(zhì)條件下錘擊管樁的常見問題及處理措施，為類似地區(qū)推廣使用該工藝提供設(shè)計與施工經(jīng)驗。

1 工程概況及地質(zhì)條件

本工程主要由主廠房和輔助用房組成，總用地面積約2.6×104m2，總建筑面積約3.4×104m2，建筑最大高度為14.6 m，采用框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)。

工程場地屬贛江河漫灘，屬全新統(tǒng)，具有完整的松散沖積層，場地地層自上而下為：①強夯回填砂，中密；②1粉質(zhì)黏土，可塑；②粉質(zhì)黏土，可塑—硬塑；③中粗砂，中密；④中砂夾粉質(zhì)黏土；⑤礫砂，中密—密實。場地典型地質(zhì)剖面見圖1。地基土主要物理力學(xué)指標見表1。

表1 地層土體主要物理力學(xué)指標表

2 樁基方案比選

本工程設(shè)計樁徑為500 mm，單樁承載力特征值約為1100 kN。根據(jù)工程地質(zhì)特點及工程設(shè)計要求，選取反循環(huán)鉆孔灌注樁、長螺旋鉆孔壓灌樁及PHC管樁三種樁基方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選。

2.1 樁基類型比選

（1）泥漿護壁鉆孔灌注樁

泥漿護壁鉆孔灌注樁工藝成熟，能穿透厚密砂層，以礫砂層為樁端持力層，但場地水系發(fā)達，砂礫層中粗顆粒間孔隙是這類潛隙水的流動通道，泥漿護壁難度較大，易產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，孔底沉渣厚，成樁質(zhì)量難以保證，施工速度慢，故該方案不予采用。

（2）長螺旋鉆孔壓灌樁

長螺旋鉆孔壓灌樁先鉆至樁底標高，提升鉆頭同時壓灌混凝土，后振動插入鋼筋籠，形成樁體。該工藝無需泥漿護壁，施工速度快，造價低，但是該區(qū)域地下水系發(fā)達，樁間土為砂層，且同一承臺樁間距較小，施工過程中容易出現(xiàn)串孔、樁身縮頸、后插鋼筋籠籠底難以振動到位等現(xiàn)象，工程質(zhì)量難以保證，該方案不予采用。

（3）PHC 管樁

PHC 管樁采用靜壓或錘擊的方式貫入土體，PHC 管樁的每延米造價介于泥漿護壁鉆孔灌注樁與長螺旋鉆孔壓灌樁之間；該樁為預(yù)制樁，單樁承載力高，現(xiàn)場施工步驟較簡易，施工效率高，且該區(qū)域地質(zhì)條件以黏土和砂層為主，無孤石等地下障礙物，因此樁身質(zhì)量能夠保證。

通過上述方案比選，PHC 管樁的成樁質(zhì)量較易保證，且價格居中，本工程選擇PHC 管樁作為樁基較適宜。

2.2 沉樁方式選擇

靜壓法在軟土地基樁基施工中應(yīng)用較為普遍，靜壓機自重及附加配重提供壓樁反力，液壓加壓樁頂或樁身，使靜壓力與沉樁阻力呈動態(tài)平衡壓樁入土，在厚密砂層地質(zhì)中，常佐以樁端射水，沖散樁端砂層，使樁端穿過厚密砂層。射水需保持樁端開口，且射水后使樁端土擾動，會對樁端承載力有一定折減。對于單樁承載力較大的樁基，靜壓機壓樁反力相應(yīng)增大，附加配重隨之增加，這對于需頻繁移機的工程，顯得尤為笨重，施工效率低。

錘擊法適用于較硬地層，通過樁錘下落沖擊力錘擊樁頂，打破樁土靜力平衡，使樁身下沉。在南昌典型厚密砂層地層中，選擇合適的樁機型號，錘擊管樁施工工藝能讓樁端嵌入砂層持力層，樁端承載力得以保證，且錘擊管樁設(shè)備輕便，對場地條件要求相對較低，機械運走方便，施工效率高。

因此在以厚密砂層做為樁端持力層的情況下，PHC 管樁采用錘擊法較為適宜。

3 錘擊沉樁阻力計算及選錘

錘擊過程中，沖擊動荷載克服錘擊沉樁過程中的動態(tài)側(cè)摩阻及端阻，沉樁入土。根據(jù)地質(zhì)、施工經(jīng)驗及沉樁阻力分布規(guī)律，采用靜力觸探指標估算沉樁阻力較為方便可信。靜力觸探試驗作為常規(guī)的原位測試方法，對砂層原位測試適用性較好[3]。所選試沉樁區(qū)地層柱狀圖及對應(yīng)靜力觸探試驗曲線見圖2。

圖2 試樁點區(qū)地層柱狀圖及靜力觸探曲線圖

試樁區(qū)中粗砂③層厚7.0 m，礫砂⑤層厚4.6 m，均可作為樁端持力層，分別對應(yīng)兩種工況[4]：工況1，以中粗砂③層為樁端持力層，樁長12.5 m；工況2，以礫砂⑤層為樁端持力層，樁長21.0 m。

錘擊沉樁過程中，根據(jù)阻力分布，可將樁側(cè)動摩阻力分為柱穴區(qū)、滑移區(qū)及擠壓區(qū)，其中柱穴區(qū)即為樁周上部晃動產(chǎn)生空隙，該部分不提供摩阻力。靜力觸探指標估算沉樁阻力公式見式（1）[5]。

式中：Pu為總沉樁阻力，含動態(tài)樁周及樁端阻力，kN；Ph、Pj、Pd分別為樁周中部滑移區(qū)動摩阻力、樁周下部擠壓區(qū)動摩阻力及樁端動摩阻力，kN；u為管樁外壁周長，m；lh為滑移區(qū)土層厚度，m，取0.5～0.6 倍樁長；fs為 靜力觸探探頭單位側(cè)摩阻力，kPa；lj為擠壓區(qū)土層厚度，m，取5～8 倍樁徑；ni為擠壓區(qū)土層樁周沖擊系數(shù)，黏性土取2.5～3.5，砂性土取2～3；ρ為樁尖尺寸效應(yīng)折算系數(shù)，取0.4～0.6；m為樁尖土層沖擊系數(shù)，砂性土取1.2～1.5；Ap為樁端面積，m2；qs為靜力觸探探頭單位端阻力，kPa，取2.5 倍樁徑范圍內(nèi)土層平均值。式（1）考慮了靜力觸探的尺寸效應(yīng)及錘擊施工沖擊效應(yīng)。

樁錘沖擊力需大于沉樁阻力，各錘型沖擊力如表2 所示。取經(jīng)驗參數(shù)最大值計算沉樁阻力（見表3），工況1 沉樁阻力為5080.5 kN，工況2 沉樁阻力為6807.5 kN。根據(jù)沉樁阻力計算，可選用D60 錘型，實際選錘可結(jié)合現(xiàn)場沉樁施工情況，根據(jù)“重錘輕擊”原則將錘重等級上調(diào)。

表2 樁錘沖擊力參數(shù)[6]

表3 沉樁阻力計算成果

4 沉樁后單樁承載力分析

4.1 靜力觸探指標計算單樁承載力

采用靜力觸探指標計算單樁豎向極限承載力標準值，按式（2）計算[6]：

式中：Quk為 單樁豎向極限承載力標準值，kN；Qsk、Qpk分 別為總極限側(cè)阻力、端阻力標準值，kN；fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa；li為樁周第i層土厚度，m；βi為 第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土 βi=10.04(fsi)-0.55，砂土 βi=5.05(fsi)-0.45；α為樁端阻力修正系數(shù)，黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；qc為樁端平面上、下探頭端阻力，取樁端平面以上4d（d為樁的直徑或邊長）范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進行平均，kPa。

由式（2）計算兩種工況下單樁豎向極限承載力標準值，計算結(jié)果見表4。

表4 靜力觸探指標計算單樁承載力成果

4.2 單樁靜載試驗

靜載試驗是確定單樁豎向極限承載力的最可靠方法。在兩種樁端持力層工況下，經(jīng)休止期后對PHC 管樁進行單樁靜載試驗，采用壓重反力裝置，慢速維持荷載法分級加載，所得靜載荷試驗成果見表5，Q-s曲線見圖3。

表5 靜載荷試驗成果

圖3 單樁靜載試驗Q-s 曲線圖

對比表4、表5 數(shù)據(jù)可知，靜力觸探指標計算結(jié)果較為保守[7]。根據(jù)靜載試驗，以中粗砂③層為樁端持力層（工況1）滿足設(shè)計提出的單樁承載力要求。以中粗砂③層作為樁端持力層，在保證工程安全、質(zhì)量可靠的前提下，有效地降低了工程施工難度，減少了樁頭破損和截樁的數(shù)量，降低工程造價。項目建成使用已5 年，目前建筑物使用狀況良好，主體結(jié)構(gòu)墻體上未出現(xiàn)開裂變形及建筑物傾斜等現(xiàn)象。

收集該地區(qū)類似地層PHC 管樁工程案例，將樁端采用不同深度的砂層持力層的PHC 管樁靜載試驗結(jié)果匯總（見圖4），匯總數(shù)據(jù)顯示，以中粗砂③層為樁端持力層單樁承載力特征值不小于1000 kN，且其Q-s曲線呈緩變形，有較大的承載力余量：以礫砂⑤層為樁端持力層單樁承載力特征值不小于2250 kN。進一步證明了結(jié)論的合理性。

圖4 工程案例PHC 管樁單樁靜載試驗Q-s 曲線圖

5 錘擊管樁施工常見問題及處理措施

5.1 樁位偏差及樁身傾斜

樁位偏差及樁身傾斜都是造成廢樁的主要原因。對于樁位偏差，除了做好樁點放樣、保護及復(fù)測外，在錘擊管樁對點時也需注意控制定位。造成樁身傾斜人為原因多為施工班組未調(diào)整樁架平直。機械原因是樁帽在長期使用下開裂，在錘擊沉樁過程中使樁頭朝開裂方向偏移，在打樁前需檢查樁機機械情況，必要時可停機檢修。此外還有地層原因，南昌地區(qū)“上軟下硬”地質(zhì)，遇到較硬層，易使樁端錯位，上部粉質(zhì)黏土樁端刺入時可采用壓錘或輕提錘的方式沉入，待進入硬砂層后便可連續(xù)跳錘沖擊。

5.2 累積損傷下管樁破損

在樁錘反復(fù)沖擊荷載的作用下，管樁的樁頭承受荷載，樁身遞進傳遞荷載，樁底擠壓土體釋放荷載，在這一過程中，由于管樁自身質(zhì)量隱患及錘擊施工技術(shù)措施原因，可能會造成樁頭、樁底破損及樁身斷裂等問題。在管樁施工前需檢查管樁的質(zhì)量，檢查樁端、樁身是否存在破損、裂縫；管樁內(nèi)腔是否規(guī)整，若不規(guī)整，表明管樁離心過程中存在模板固定不牢、跑漿等問題；管樁外壁以青灰色為宜，泛白或表面有蜂窩、麻面等現(xiàn)象的管樁需謹慎使用。同時需控制以下施工技術(shù)措施：

（1）終錘標準的確定

軟土地基采用“以控制標高為主，以貫入度為輔”，這是因為摩擦樁的樁端阻力可忽略不計。南昌地區(qū)典型厚密砂層地質(zhì)，根據(jù)對沉樁阻力及成樁承載力的分析，樁端阻力提供的單樁承載力比例較高，樁端能否進入預(yù)定持力層是施工重點，采用“以貫入度為主，以控制標高為輔”的停打標準較為適宜。

（2）錘墊、樁墊及樁尖的使用

錘墊將樁錘沖擊力均勻傳遞至樁帽上部，樁墊將樁帽沖擊力由樁帽下部均勻傳遞至樁頂，兩者的合理選用能夠保護樁錘和樁頂免遭破壞，確保樁身完整的情況下沉樁至設(shè)計標高。目前常采用錘墊多為紙墊或拼合板墊，該類型樁墊在使用一定時間后，便會變形喪失彈性，需勤更換。

在貫入度距收錘標準較大而樁頂破損時，除管樁質(zhì)量原因外，需考慮錘墊、樁墊老化問題。樁身缺陷不太嚴重，低應(yīng)變檢測結(jié)果在III 類樁以上時，可對缺陷成樁采取處理措施：1）管樁爛底多發(fā)生于開口樁底遇密實砂層時，當(dāng)樁長及樁端持力層均滿足設(shè)計要求時，可采用高壓注漿填芯法處理；2）PHC 管樁淺部斷裂發(fā)生在樁頂以下6 m 內(nèi)，采用人工挖孔，鋼護筒+鋼筋籠接樁處理較為經(jīng)濟；3）深部斷裂發(fā)生在樁頂以下超過6 m，應(yīng)采用補樁處理。

5.3 擠土效應(yīng)導(dǎo)致管樁上浮及成樁困難

錘擊管樁屬擠土樁，黏性土擠土效應(yīng)主要影響范圍半徑為0.5～1.5D（D為管樁直徑），次影響范圍半徑為3～5D；群樁打入后，砂性土主要影響范圍半徑為4D，次影響范圍半徑為4D[8]。在打樁后期，場地擠土效應(yīng)明顯[9]，會導(dǎo)致成樁上浮，待沉樁施打困難等現(xiàn)象，擠土效應(yīng)趨勢如圖5 所示。

圖5 典型厚密砂層地質(zhì)錘擊管樁擠土效應(yīng)示意圖

合理安排打樁順序是減輕管樁擠土效應(yīng)的有效措施，整體上需考慮施工區(qū)域四周是否有建筑物，鄰建筑物側(cè)先打，同時需避免最后集中在中間區(qū)域；局部以“先密樁，后疏樁”為打樁原則。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)設(shè)計提出的樁基承載要求，結(jié)合建設(shè)場地“上軟下硬”、下部賦存多層厚密砂層的工程地質(zhì)特點，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選，確定采用PHC 管樁方案，錘擊沉樁施工工藝。

（2）根據(jù)可選樁端持力層將PHC 管樁分為兩種工況：工況1，以中粗砂③層為樁端持力層，樁長12.5 m；工況2，以礫砂⑤層為樁端持力層，樁長21.0 m。針對兩種工況分別進行原位靜力觸探試驗和試樁。并根據(jù)靜力觸探指標計算兩種工況對應(yīng)的沉樁阻力，選取相應(yīng)的沉樁設(shè)備。

（3）采用靜力觸探指標對PHC 管樁單樁承載力進行了計算，計算結(jié)果和最終的單樁靜載試驗數(shù)據(jù)均表明，采用工況1（以中粗砂③層為樁端持力層），樁長12.5 m，即可滿足設(shè)計承載力要求。

（4）總結(jié)了PHC 管樁在厚密砂層應(yīng)用中的工程質(zhì)量問題，分析了施工質(zhì)量問題發(fā)生的機理，并提出了相應(yīng)質(zhì)量控制措施。