張楊洋，孔令貴，李忠祥

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

灌注樁基礎(chǔ)作為建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)的一種形式，因其承載可靠、施工靈活、工藝成熟、地層適應(yīng)能力強等特點，目前廣泛應(yīng)用于土建施工領(lǐng)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(shè)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(jié)構(gòu)。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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量直接影響到樁基承載性能的發(fā)揮，主要關(guān)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(guān)，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(jié)構(gòu)形成有效連接的基礎(chǔ)上。一般情況下，樁頭部分同上部結(jié)構(gòu)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(jié)合處剛性的差異將直接影響力矩分配，此效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力達到對應(yīng)的強度值時將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

(3) 工序：樁頭鋼筋剝出后需與上部結(jié)構(gòu)體鋼筋進行接長或布設(shè)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shè)備不同，目前破除方法主要有液壓破碎錘法、人工風(fēng)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(fēng)鎬破除法

空壓機提供動力，人工手持風(fēng)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(fēng)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(shè)計高程，于樁身外側(cè)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(cè)安裝有數(shù)組帶破碎齒的液壓千斤頂，在截樁設(shè)計高程處安裝設(shè)備，通過多組千斤頂對樁側(cè)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(shù)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(shù)要點在于澆筑前，預(yù)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(shè)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(shù)要求是隔離漿液及具有一定的受壓抗變形能力。考慮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(yīng)注意上下口的封堵。另一方面，套管安裝后，應(yīng)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(fēng)鎬以及需較多輔助人工風(fēng)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(yīng)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(shù)。

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(chǔ)，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(shè)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(fēng)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(shè)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(fēng)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(fēng)鎬進行配備，速度快時1 d僅能破除2個樁頭，影響關(guān)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(guān)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(guān)鍵。

通過參考已有文獻及經(jīng)驗交流，項目部結(jié)合自身技術(shù)、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(fēng)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(fēng)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(shè)計標準，樁頭部分長度比設(shè)計多預(yù)留20 cm。

(2) 套管長度按照設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)

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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(guān)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(shè)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(fēng)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(shè)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(jié)

(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(fēng)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(shù)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(wù)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(jié)論及建議

5.1 結(jié) 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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(2) 從破樁設(shè)備上，目前主要的方法有液壓破碎錘法、人工風(fēng)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(guān)，具體破樁方案還應(yīng)結(jié)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(shù)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(shè)備難以推廣應(yīng)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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