南方地區(qū)深厚砂層PHC樁沉樁可行性實(shí)踐研究

【摘要】在深厚砂層中，PHC樁施工常會(huì)碰到沉樁難以到位、錘擊數(shù)過高導(dǎo)致樁體破壞、樁體偏移等問題。在樁基設(shè)計(jì)和施工前，通過有針對(duì)性的前期工作，可以合理地確定樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，因地制宜地制定施工方案，最大程度地挖掘PHC樁的潛力。文中通過南方地區(qū)某項(xiàng)目的綜合試樁分析，研究出了一套適用于深厚砂層場地的沉樁方案，竣工后運(yùn)行階段的沉降數(shù)據(jù)表明，項(xiàng)目中PHC樁的實(shí)施很好地滿足了承載和控制沉降的要求。

【關(guān)鍵詞】深厚砂層；PHC樁；沉樁可行性；綜合試樁

【中圖分類號(hào)】TU473.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0144-03

0 引言

PHC樁以其強(qiáng)度高、耐打性好、穿透性強(qiáng)、施工速度快、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類大型工程中。近年來，隨著應(yīng)用場景的增多，PHC樁在工程實(shí)踐中也逐漸碰到各類問題，如對(duì)于深厚砂層場地，由于擠土效應(yīng)和振密效應(yīng)，大規(guī)模PHC群樁施工可能會(huì)產(chǎn)生樁頭打壞、沉樁不到位、樁體上浮、樁位偏差等問題，其沉樁可行性和成樁質(zhì)量可靠性一度引起質(zhì)疑。關(guān)于PHC樁在砂層中的適應(yīng)性、可打性、試樁成果及施工技術(shù)措施等分析見相關(guān)研究[1-6]。針對(duì)南方區(qū)域第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層和更新統(tǒng)海相沉積層所形成的深厚砂層，本文根據(jù)某綜合試樁實(shí)踐案例，擬對(duì)此類地層的PHC樁沉樁可行性進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出相關(guān)建議。

1 項(xiàng)目實(shí)踐案例

1.1 場地工程地質(zhì)

案例項(xiàng)目為大型百萬機(jī)組火力發(fā)電廠，擬建場地原為淺海灘涂和濱海潮間帶，主要地層分布及主要力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

總體而言，場地地層以松散～稍密～中密的砂性土和粉性土為主，其間分布有可塑～硬塑的黏性土。經(jīng)過綜合比選，初步選擇PHC管樁為本項(xiàng)目主要建（構(gòu)）筑物的樁型，但場地條件對(duì)PHC樁的可行性存在一定制約因素：①上部較厚且松散的吹填砂層可能加大PHC樁的擠土效應(yīng)，導(dǎo)致已施工樁的偏移，同時(shí)，該層未完成固結(jié)，樁周土沉降可能引起樁側(cè)負(fù)摩阻力，降低樁基承載力；②場地較厚的砂層以及局部存在的姜結(jié)石提高了PHC樁的穿越難度，對(duì)樁靴的設(shè)計(jì)提出了更高的要求；③樁端持力層的選擇與樁長的控制需要很好的平衡。

1.2 綜合試樁方案

根據(jù)地層條件，針對(duì)不同建（構(gòu)）筑物的受力特點(diǎn)，主要選擇⑤中砂和⑦2粉砂夾粉土分別作為短樁和長樁的樁端持力層。本次試樁采用錨樁法，三組不同長度、型號(hào)的試樁將集中布置，完成的試樁主要工作量如表2所示。

2 綜合試樁過程及成果分析

2.1 樁基施工

1）試沉樁階段。在對(duì)試樁區(qū)的PHC樁進(jìn)行正式施工前，首先在試樁區(qū)周邊先打一根試驗(yàn)樁（編號(hào)SY1），樁型為PHC600AB130，樁長55 m，以⑧細(xì)砂為樁端持力層，采用開口型齒形樁靴，并加內(nèi)環(huán)。打樁過程中采用高應(yīng)變檢測對(duì)錘擊能量、沉樁阻力及樁完整性進(jìn)行了全程監(jiān)控。該樁的總錘擊數(shù)2 664擊，樁在穿過上部吹填砂后，除了在⑤中砂中有2 m的錘擊數(shù)超過100擊，其余各深度的錘擊數(shù)為40～60擊/m。高應(yīng)變跟蹤檢測結(jié)果顯示，該樁在入土40 m時(shí)，首節(jié)樁和第二節(jié)樁的接頭處發(fā)生斷裂，實(shí)際有效樁長約為41 m，主要是因?yàn)榭傚N擊數(shù)過高。根據(jù)試驗(yàn)樁的施工情況，將樁的總錘擊數(shù)減到合適的水平是保證沉樁順利的關(guān)鍵，首先考慮采取引孔。

2）引孔沉樁階段。鑒于在以往電廠PHC樁施工中有采用引孔以減少總錘擊數(shù)的成功范例。因此，考慮采取引孔對(duì)土體進(jìn)行一定程度的擾動(dòng)，減小密實(shí)度，降低總錘擊數(shù)。為保證引孔時(shí)孔壁的穩(wěn)定，采取先打兩節(jié)樁、再采用泥漿護(hù)壁引孔的方式。先對(duì)M7和M8采用引孔輔助沉樁，引孔深度分別為38 m和47 m，總錘擊數(shù)分別為2 090擊和1 806擊，根據(jù)每米錘擊數(shù)分布圖，雖然⑤中砂及鄰近土層的錘擊數(shù)有稍許下降，但幅度并不大，因此總錘擊數(shù)仍然較高。高應(yīng)變檢測結(jié)果顯示這兩根樁依然在接頭處發(fā)生斷裂，有效樁長分別為35 m和25 m。打一節(jié)樁后采取引孔，在調(diào)整后的樁位中選擇了新的M7和M8采用此方法，引孔深度均為41 m。結(jié)果，兩根樁分別入土35 m和40 m時(shí)，樁上部均發(fā)生爆裂。將破損的樁段切割下后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生爆裂的縱向裂縫是自內(nèi)向外擴(kuò)展的，且呈對(duì)稱分布，如圖1所示。此外，在樁產(chǎn)生爆裂前，不斷有水從替打開孔中涌出，因此推斷，可能是引孔穿透了⑥粉質(zhì)黏土，貫通了其下的⑦1微承壓水層，在打樁過程中產(chǎn)生了“水錘效應(yīng)”，導(dǎo)致樁的上部被內(nèi)部的水壓力擠爆。這兩根樁的總錘擊數(shù)分別為1 302擊和1 813擊。

通過前面四根引孔輔助沉樁的效果來看，土層雖然經(jīng)過鉆頭的擾動(dòng)，密實(shí)度有所下降，但在之后的錘擊沉樁中，又不斷趨于密實(shí)，因此總的錘擊數(shù)并沒有顯著下降，沉樁阻力較大，發(fā)生斷樁的可能性很高。為了提高樁的抗錘擊性，將AB型樁改為B型樁，繼續(xù)在錨樁上進(jìn)行試打。

3）B型樁錨樁沉樁階段。B型樁的樁身強(qiáng)度、端板厚度等指標(biāo)相比AB型樁都有較大程度的提高，抗錘擊性能也更強(qiáng)。除此以外，為了減少沉樁過程中的土阻力，對(duì)樁尖也做了一定改進(jìn)，如增加外環(huán)等。采用調(diào)整樁型后的錨樁（M12、M9、M10、M14、M15）沉樁過程均較為順利，為確保樁的完整性，上述錨樁在第三節(jié)后均采用一檔施打，錘擊能量相對(duì)較小，因此總錘擊數(shù)明顯偏高，均超過了1 900擊，高應(yīng)變檢測顯示樁身均完整。

此外，為確認(rèn)改進(jìn)后的樁尖在AB型樁上是否有效果，分別對(duì)M13和M11采用AB型樁+改進(jìn)樁靴的方式進(jìn)行施打。其中，M13采用組合型樁，即下面兩節(jié)為B型樁，上面兩節(jié)為AB型樁，仍采用引孔（引至38 m）方式輔助沉樁。該樁在入土38 m（即沉完第3節(jié)樁后深度）時(shí)，高應(yīng)變檢測顯示AB型樁和B型樁的接頭處開始有明顯反應(yīng)，為避免此樁被打壞，遂放棄第4節(jié)樁的施打。M11則全為AB型樁，高應(yīng)變檢測仍是顯示其最下部的接頭處在錘擊過程的后期有明顯反應(yīng)，后經(jīng)低應(yīng)變測試，該樁為Ⅱ類樁。

根據(jù)以上錨樁的沉樁情況，可以認(rèn)為，長樁若采用AB型樁，在本場地產(chǎn)生斷樁的風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，對(duì)于直徑φ600的PHC樁試樁，確定采用B型樁。

4）B型樁試樁沉樁階段。試樁T4～T6均為PHC600B130-48，采用改進(jìn)后的樁靴，不加其余輔助措施。經(jīng)高應(yīng)變跟蹤檢測，樁身均為完整，總錘擊數(shù)均小于2 000擊。需要說明的是，樁靴經(jīng)改進(jìn)后，在沉樁過程中對(duì)土體的擾動(dòng)增大，從而降低沉樁阻力且樁的平均貫入度也有較大提高。尤其是最后三陣的平均貫入度，三根試樁都超過了240 mm，但并不能僅僅依此來評(píng)價(jià)樁端持力層的性質(zhì)。因此，若工程樁中也采用類似的工藝，建議采取以標(biāo)高控制為主、貫入度控制為輔的停錘標(biāo)準(zhǔn)。

5）引孔+B型樁+改進(jìn)后樁尖沉樁?？紤]到在廠區(qū)初設(shè)勘察時(shí)曾在⑥粉質(zhì)黏土中揭露有鈣質(zhì)結(jié)核和鐵質(zhì)結(jié)核姜結(jié)石，粒徑最大約100 mm，這對(duì)工程樁施工必然造成很大困難?？煽康慕鉀Q辦法還是引孔，因此仍有必要在此次試樁中驗(yàn)證此方法的可行性。鑒于前面幾根采用引孔的錨樁均產(chǎn)生破壞，需對(duì)引孔方式進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過討論分析，主要針對(duì)以下兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)：①引孔深度控制在34～35 m，即⑥粉質(zhì)黏土的下部，但不引穿該層土，使得其下⑦1粉土夾粉砂中的微承壓水不致與上部的潛水貫通；②引孔結(jié)束后將孔內(nèi)的水及時(shí)抽出，并在之后的每一節(jié)樁打完后均及時(shí)抽水，保持樁內(nèi)土塞頂面與樁錘間有足夠的空氣存在，避免產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”。選擇了M1進(jìn)行施打，結(jié)果顯示該樁樁身完整，總錘擊數(shù)1 281擊。

6）其余錨樁及試樁沉樁。對(duì)于以⑤中砂為樁端持力層的其余錨樁和試樁，仍采用試樁方案中擬定的樁型，即PHC500AB100，均順利完成沉樁。

根據(jù)對(duì)主要樁型在施工過程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，樁長48 m的PHC樁總錘擊數(shù)為1 281～2 555擊，平均1 977擊，最后10擊貫入度為220～360 mm；樁長25 m的PHC樁總錘擊數(shù)為553～696擊，平均657擊，最后10擊貫入度為160～210 mm。

2.2 樁基試驗(yàn)情況

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)中，T1和T3試樁均為地基強(qiáng)度達(dá)到極限，T2為樁身材料強(qiáng)度達(dá)到極限，T4和T5試樁均為地基強(qiáng)度達(dá)到極限，T6為樁身材料強(qiáng)度達(dá)到極限。兩種不同長度的PHC樁的主要測試結(jié)果：PHC500AB100-25的單樁豎向抗壓極限承載力為4 400 kN，初打沉樁最大錘擊力為4 400～4 600 kN，最大錘擊能量為90～100 kN，承載力恢復(fù)系數(shù)為1.59。PHC600AB130-48的單樁豎向抗壓極限承載力為6 300 kN，初打沉樁最大錘擊力為7 000～7 200 kN，最大錘擊能量為100～120 kN，承載力恢復(fù)系數(shù)為1.86。這兩種樁型均很好地滿足了項(xiàng)目主要建（構(gòu)）筑物和輕型建（構(gòu)）筑物的承載要求。

2.3 工程樁施工及效果評(píng)價(jià)

項(xiàng)目工程樁總樁數(shù)5 391，按照7.62%的比例進(jìn)行高應(yīng)變檢測，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。低應(yīng)變檢測中，Ⅰ類樁和Ⅱ類樁占所測樁數(shù)的比例分別為97.4%和2.6%。項(xiàng)目主廠房等主要建（構(gòu)）筑物自建設(shè)之初到竣工后，約一年的沉降均已基本穩(wěn)定在20 mm以內(nèi)，樁基對(duì)于沉降的控制取得了很好的效果。

3 結(jié)語

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐，深厚砂層中提高PHC樁的沉樁可行性取得了如下經(jīng)驗(yàn)：①樁型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有針對(duì)性地考慮地層特點(diǎn)，充分樁長范圍內(nèi)摩阻力的發(fā)揮，從而提高打樁總錘擊數(shù)，提升樁的損傷風(fēng)險(xiǎn)；②對(duì)于長徑比超過60的長樁，建議采用樁身強(qiáng)度較高的樁型（如B型樁），以確保在沉樁過程中，樁身及樁接頭處能抵御較高的錘擊數(shù)及錘擊能量，此外，還需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樁靴進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)（如加外環(huán)），對(duì)樁側(cè)土體充分?jǐn)_動(dòng)，以減小沉樁過程中土體的阻力；③若在砂層中遇到局部硬夾層（如姜結(jié)石），可采用引孔輔助沉樁，但應(yīng)采取合適的鉆進(jìn)工藝及引孔深度，不僅要將硬層引出樁孔，還要及時(shí)抽水，盡量保持樁內(nèi)外水壓力的平衡，避免發(fā)生“水錘效應(yīng)”；④對(duì)于大規(guī)模群樁，為了更準(zhǔn)確地提供樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)樁基施工，有必要進(jìn)行綜合試樁。這里的“綜合”是指將樁型選擇、方案布置、沉樁工藝、樁基試驗(yàn)、打樁監(jiān)測檢測等全過程環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，對(duì)相關(guān)方案和數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化分析，綜合推薦樁基設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。

綜上所述，相比灌注樁，PHC樁的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，但針對(duì)如深厚砂層類型的復(fù)雜地質(zhì)條件場地，必須遵循因地制宜、一地一策的原則來制訂PHC樁的設(shè)計(jì)和施工方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯凱軍，韓劍波，黃玉輝，等.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在砂質(zhì)地層適應(yīng)性研究[J].中國建材科技，2022，31（5）：112-113.

[2] 羅翔，閆琛，王雨.砂土夾層條件下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)PHC樁打樁控制分析[J].工程技術(shù)與應(yīng)用，2022（12）：239-241.

[3] 洪宏興，夏國光，盛健，等.大直徑PHC管樁在印尼密實(shí)厚砂層場區(qū)沉樁實(shí)踐[J].水運(yùn)工程，2022（1）：229-232.

[4] 曾華彬，馮光華. 東非珊瑚礁礫砂地區(qū)PHC樁靜載荷試驗(yàn)研究[J].港工技術(shù)，2023，60（3）：83-87.

[5] 陸冠.復(fù)雜地質(zhì)條件下PHC樁靜壓試樁分析[J].福建建材，2021（1）：81-83.

[6] 鄧美成，蔡智，劉濤，等.南昌地區(qū)典型厚密砂層PHC管樁施工技術(shù)研究[J].巖土工程技術(shù)，2023，37（3）：308-313.