鄧美成 蔡 智 劉 濤 田建成 魏海濤

（中航勘察設(shè)計(jì)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(shí)施以來(lái)，先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)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(shì)[1]，廣泛應(yīng)用于東南沿海地區(qū)，且近年來(lái)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(chǎng)工程、昌北紅谷灘新區(qū)紅谷凱旋商業(yè)住宅工程等項(xiàng)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(shí)期沖積層由上至下，呈顆粒粒度由細(xì)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(guò)工程地質(zhì)條件分析和靜力觸探試驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)樁基方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選分析；通過(guò)不同樁長(zhǎng)的單樁靜載試驗(yàn)，對(duì)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(wèn)題及處理措施，為類似地區(qū)推廣使用該工藝提供設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。

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(chǎng)地屬贛江河漫灘，屬全新統(tǒng)，具有完整的松散沖積層，場(chǎng)地地層自上而下為：①?gòu)?qiáng)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(shí)。場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面見圖1。地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層土體主要物理力學(xué)指標(biāo)表

2 樁基方案比選

本工程設(shè)計(jì)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(diǎn)及工程設(shè)計(jì)要求，選取反循環(huán)鉆孔灌注樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁及PHC管樁三種樁基方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

2.1 樁基類型比選

（1）泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁

泥漿護(hù)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(chǎng)地水系發(fā)達(dá)，砂礫層中粗顆粒間孔隙是這類潛隙水的流動(dòng)通道，泥漿護(hù)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(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁先鉆至樁底標(biāo)高，提升鉆頭同時(shí)壓灌混凝土，后振動(dòng)插入鋼筋籠，形成樁體。該工藝無(wú)需泥漿護(hù)壁，施工速度快，造價(jià)低，但是該區(qū)域地下水系發(fā)達(dá)，樁間土為砂層，且同一承臺(tái)樁間距較小，施工過(guò)程中容易出現(xiàn)串孔、樁身縮頸、后插鋼筋籠籠底難以振動(dòng)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(jià)介于泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁與長(zhǎng)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(chǎng)施工步驟較簡(jiǎn)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(wú)孤石等地下障礙物，因此樁身質(zhì)量能夠保證。

通過(guò)上述方案比選，PHC 管樁的成樁質(zhì)量較易保證，且價(jià)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(jī)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(dòng)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(guò)厚密砂層。射水需保持樁端開口，且射水后使樁端土擾動(dòng)，會(huì)對(duì)樁端承載力有一定折減。對(duì)于單樁承載力較大的樁基，靜壓機(jī)壓樁反力相應(yīng)增大，附加配重隨之增加，這對(duì)于需頻繁移機(jī)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(guò)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(jī)型號(hào)，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(duì)場(chǎng)地條件要求相對(duì)較低，機(jī)械運(yùn)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(jì)算及選錘

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

圖2 試樁點(diǎn)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(duì)應(yīng)兩種工況[4]：工況1，以中粗砂③層為樁端持力層，樁長(zhǎng)12.5 m；工況2，以礫砂⑤層為樁端持力層，樁長(zhǎng)21.0 m。

錘擊沉樁過(guò)程中，根據(jù)阻力分布，可將樁側(cè)動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生空隙，該部分不提供摩阻力。靜力觸探指標(biāo)估算沉樁阻力公式見式（1）[5]。

式中：Pu為總沉樁阻力，含動(dòng)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(dòng)摩阻力、樁周下部擠壓區(qū)動(dòng)摩阻力及樁端動(dòng)摩阻力，kN；u為管樁外壁周長(zhǎng)，m；lh為滑移區(qū)土層厚度，m，取0.5～0.6 倍樁長(zhǎng)；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(yàn)參數(shù)最大值計(jì)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(jì)算，可選用D60 錘型，實(shí)際選錘可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沉樁施工情況，根據(jù)“重錘輕擊”原則將錘重等級(jí)上調(diào)。

表2 樁錘沖擊力參數(shù)[6]

表3 沉樁阻力計(jì)算成果

4 沉樁后單樁承載力分析

4.1 靜力觸探指標(biāo)計(jì)算單樁承載力

采用靜力觸探指標(biāo)計(jì)算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按式（2）計(jì)算[6]：

式中：Quk為 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qsk、Qpk分 別為總極限側(cè)阻力、端阻力標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)）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(jìn)行平均，kPa。

由式（2）計(jì)算兩種工況下單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 靜力觸探指標(biāo)計(jì)算單樁承載力成果

4.2 單樁靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)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(duì)PHC 管樁進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)，采用壓重反力裝置，慢速維持荷載法分級(jí)加載，所得靜載荷試驗(yàn)成果見表5，Q-s曲線見圖3。

表5 靜載荷試驗(yàn)成果

圖3 單樁靜載試驗(yàn)Q-s 曲線圖

對(duì)比表4、表5 數(shù)據(jù)可知，靜力觸探指標(biāo)計(jì)算結(jié)果較為保守[7]。根據(jù)靜載試驗(yàn)，以中粗砂③層為樁端持力層（工況1）滿足設(shè)計(jì)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(jià)。項(xiàng)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(yàn)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(jìn)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(yàn)Q-s 曲線圖

5 錘擊管樁施工常見問(wèn)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(duì)于樁位偏差，除了做好樁點(diǎn)放樣、保護(hù)及復(fù)測(cè)外，在錘擊管樁對(duì)點(diǎn)時(shí)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(jī)械原因是樁帽在長(zhǎng)期使用下開裂，在錘擊沉樁過(guò)程中使樁頭朝開裂方向偏移，在打樁前需檢查樁機(jī)機(jī)械情況，必要時(shí)可停機(jī)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(cuò)位，上部粉質(zhì)黏土樁端刺入時(shí)可采用壓錘或輕提錘的方式沉入，待進(jìn)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(jìn)傳遞荷載，樁底擠壓土體釋放荷載，在這一過(guò)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(huì)造成樁頭、樁底破損及樁身斷裂等問(wèn)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(guò)程中存在模板固定不牢、跑漿等問(wèn)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(jǐn)慎使用。同時(shí)需控制以下施工技術(shù)措施：

（1）終錘標(biāo)準(zhǔn)的確定

軟土地基采用“以控制標(biāo)高為主，以貫入度為輔”，這是因?yàn)槟Σ翗兜臉抖俗枇珊雎圆挥?jì)。南昌地區(qū)典型厚密砂層地質(zhì)，根據(jù)對(duì)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(jìn)入預(yù)定持力層是施工重點(diǎn)，采用“以貫入度為主，以控制標(biāo)高為輔”的停打標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(jì)標(biāo)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(shí)間后，便會(huì)變形喪失彈性，需勤更換。

在貫入度距收錘標(biāo)準(zhǔn)較大而樁頂破損時(shí)，除管樁質(zhì)量原因外，需考慮錘墊、樁墊老化問(wèn)題。樁身缺陷不太嚴(yán)重，低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果在III 類樁以上時(shí)，可對(duì)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(shí)砂層時(shí)，當(dāng)樁長(zhǎng)及樁端持力層均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，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(hù)筒+鋼筋籠接樁處理較為經(jīng)濟(jì)；3）深部斷裂發(fā)生在樁頂以下超過(guò)6 m，應(yīng)采用補(bǔ)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(chǎng)地?cái)D土效應(yīng)明顯[9]，會(huì)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(shì)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(shí)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(jì)提出的樁基承載要求，結(jié)合建設(shè)場(chǎng)地“上軟下硬”、下部賦存多層厚密砂層的工程地質(zhì)特點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)12.5 m；工況2，以礫砂⑤層為樁端持力層，樁長(zhǎng)21.0 m。針對(duì)兩種工況分別進(jìn)行原位靜力觸探試驗(yàn)和試樁。并根據(jù)靜力觸探指標(biāo)計(jì)算兩種工況對(duì)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(biāo)對(duì)PHC 管樁單樁承載力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和最終的單樁靜載試驗(yàn)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(zhǎng)12.5 m，即可滿足設(shè)計(jì)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(wèn)題，分析了施工質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的機(jī)理，并提出了相應(yīng)質(zhì)量控制措施。