淺層堅(jiān)硬地質(zhì)條件下的PHC管樁沉樁技術(shù)

劉陽(yáng)威+李鼎鼎+張曉欣

摘 要：本文主要對(duì)淺層遭遇高密實(shí)度粉細(xì)砂層地質(zhì)條件情況下，出現(xiàn)PHC管樁沉樁困難時(shí)，對(duì)幾種可能采取的施工方法進(jìn)行了對(duì)比分析，最終采用了加長(zhǎng)樁靴的組合樁的方案，沉樁效果得到有效改善，可供今后類似工程參考。

關(guān)鍵詞：淺層堅(jiān)硬地質(zhì)；鐵板砂；組合樁；PHC管樁沉樁；鋼樁靴

中圖分類號(hào)：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）1-0051-04

1 工程概況

江陰某碼頭擴(kuò)建工程，是在已建好的碼頭平臺(tái)上游新擴(kuò)建一個(gè)長(zhǎng)189m、寬45m的碼頭平臺(tái)，其中前平臺(tái)寬 30m、后平臺(tái)寬 15m。碼頭為高樁梁板結(jié)構(gòu)，按靠泊 15 萬(wàn)噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)和建設(shè)，共有26榀排架，分3個(gè)結(jié)構(gòu)段。1#～25#排架樁基采用Φ1000mmPHC樁，靠近下游已建碼頭的端部26#排架采用Φ1000mm 鋼管樁。前平臺(tái)每榀排架布置8根樁，其2根直樁和6根斜樁；后平臺(tái)每榀排架布置4根樁，其中2根直樁和2根斜樁。碼頭平臺(tái)共有PHC管樁300根，鋼管樁12根。原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，前平臺(tái)為48m，后平臺(tái)為46m。前、后平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)均由橫梁、靠船構(gòu)件、縱向梁系、迭合面板及配套附屬設(shè)施組成，碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1所示。

2 地質(zhì)情況

本工程地貌上屬長(zhǎng)江南岸沖積平原，在勘探深度范圍內(nèi)，地基土屬?zèng)_積環(huán)境下沉積的粘性土、粉土及粉砂，按沉積年代、成因類型、土性和狀態(tài)以及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，可分為①～⑦共7個(gè)工程地質(zhì)層，本工程以第⑦層粉細(xì)砂作為碼頭樁基持力層。各土層物理力學(xué)性質(zhì)詳見表1，土層分布情況見圖2。

從以上地質(zhì)資料可以看出，本工程樁基在施工過程中，穿過厚度較薄、松散的第①層淤泥后，立即進(jìn)入第④層，該層為密實(shí)度較高及厚度較厚的粉細(xì)砂層，俗稱“鐵板砂”。之后又進(jìn)入較軟弱的第⑤、第⑥層，最后進(jìn)入持力層第⑦層。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程PHC管樁及鋼管樁設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表2。

4 沉樁情況

本工程先施工下游端部26#排架鋼管樁，再施工25#～1#排架PHC管樁，總體上從岸側(cè)往江側(cè)，自下游向上游方向沉樁。沉樁設(shè)備，選用能施打68m以上樁長(zhǎng)的專用打樁船，配D-138型柴油錘。

2016年1月22日，開始施工26排架鋼管樁，D138錘開3檔進(jìn)行錘擊，單根樁錘擊1500錘左右，最終貫入度為5～10mm，樁頂標(biāo)高及承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。隨后開始施工PHC管樁。采用D138錘不低于2檔進(jìn)行錘擊，一開始沒多久，在樁尖進(jìn)入第④層粉細(xì)砂層時(shí)，貫入度就開始逐漸變小，最小時(shí)只有1～2mm。但由于入土深度較淺，設(shè)計(jì)要求繼續(xù)往下施打。穿過第④-3后，貫入度有所增加，約8～15mm，在接近第⑦層時(shí)，貫入度又逐漸減小。最終貫入度在3mm左右時(shí)，設(shè)計(jì)要求停錘，此時(shí)總錘擊數(shù)已達(dá)到4500錘左右，超出《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）中錘擊數(shù)不宜超過2500錘的建議。單根樁錘擊時(shí)間需2個(gè)小時(shí)左右，而且柴油錘在長(zhǎng)時(shí)間不間斷錘擊時(shí)，錘體溫度逐漸升高，活塞環(huán)密封效果減弱，導(dǎo)致柴油錘錘能變小，打樁錘也容易打壞，因此在錘擊過程中需停錘冷卻，導(dǎo)致單根樁的施工時(shí)間更長(zhǎng)，每天只能施工2～3根樁。在過多錘擊數(shù)的敲擊下，部分樁頭出現(xiàn)破損甚至樁身出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。大部分樁高出設(shè)計(jì)標(biāo)高較多，但經(jīng)高應(yīng)變檢測(cè)，樁基承載力均能達(dá)到8000KN以上，樁基高應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

5 原因分析

根據(jù)試樁情況，大家分析認(rèn)為PHC樁沉樁困難，主要原因是在淺層就遇到厚度大密實(shí)度高的粉細(xì)砂層，該層厚11.2～17.9m，而且地勘報(bào)告中的標(biāo)貫擊數(shù)偏保守。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粉細(xì)砂土在錘擊振動(dòng)作用下，會(huì)使樁周土體排水固結(jié)從而提高土體抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致樁端阻力增加。而且Φ1000mmPHC管樁壁厚為130mm，土體在樁身的排擠下變得更加密實(shí)，引起樁端阻力和樁身側(cè)摩阻力變得更大。

由于PHC樁樁身為高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在過多的錘擊作用下，容易引起樁頭破裂、樁身出現(xiàn)細(xì)微的縱向裂紋，甚至斷裂，既增加成本，又難以確保樁基質(zhì)量。為了確保工程順利進(jìn)行，必須制定一個(gè)切實(shí)可行的沉樁方案。

6 方案研究及實(shí)施

針對(duì)前期試樁情況，為了確保樁基質(zhì)量，減少錘擊數(shù)，加快沉樁速度，提高施工效率，我們對(duì)多種優(yōu)化方案進(jìn)行了分析總結(jié)，并進(jìn)行了試驗(yàn)，具體情況如下：

6.1 全部改打鋼管樁

根據(jù)26#排架鋼管樁沉樁情況，不難發(fā)現(xiàn)由于鋼管樁壁厚薄，且不用擔(dān)心樁身出現(xiàn)質(zhì)量問題，在施打過程中可以適當(dāng)提高錘能，因此錘擊數(shù)、貫入度、標(biāo)高及承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。每天可以完成8根樁左右，所以從技術(shù)上講，全部采用鋼管樁是可行的。但是購(gòu)買一根鋼管樁比一根PHC樁需增加約1.1倍的成本，總共需增加1000萬(wàn)左右。

6.2 PHC管樁水沖法沉樁

水沖法沉樁，即采用高壓水沖刷樁尖下土層，減小樁端阻力和土層與樁身的摩擦力，達(dá)到順利沉樁的目的。根據(jù)以往已有類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，采用此法施工可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：

（1）容易引起樁基發(fā)生過大偏位，超出設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，偏位后又要采取補(bǔ)樁、加大上部結(jié)構(gòu)尺寸等措施補(bǔ)救。

（2）由于樁基較長(zhǎng)，拆、接管數(shù)量多，且容易發(fā)生堵管，正常情況下一天也只能完成3～4根樁，施工效率得不到有效提高，且沉樁費(fèi)用需增加一倍，約200萬(wàn)元。

（3）后期易產(chǎn)生不均勻沉降，反映至碼頭面層，使面層產(chǎn)生裂縫。

（4）碼頭整體穩(wěn)定性有所降低，在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)碼頭容易晃動(dòng)。

6.3 現(xiàn)場(chǎng)加長(zhǎng)樁靴2m、4m

根據(jù)鋼樁靴有較強(qiáng)穿透力的特點(diǎn)，我們提出了在現(xiàn)有1m樁靴基礎(chǔ)上，再分別增加幾根2m、4m兩種長(zhǎng)度的鋼樁靴。鋼樁靴在廠里制作好后，現(xiàn)場(chǎng)拼接好后，進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試樁發(fā)現(xiàn)，加長(zhǎng)2m鋼樁靴后沉樁效果提升不太明顯，但加長(zhǎng)4m鋼樁靴后，在樁尖達(dá)到相同標(biāo)高時(shí)，錘擊數(shù)能減少600錘左右。說明加長(zhǎng)鋼樁靴有一定的效果，樁靴越長(zhǎng)，提升效果越明顯。

6.4 改用樁靴長(zhǎng)7m、9m的組合樁

經(jīng)商討，繼續(xù)加長(zhǎng)鋼樁靴至7m、9m兩種規(guī)格，同時(shí)減短PHC管樁混凝土管節(jié)部分，保持樁基總長(zhǎng)度不變，兩種組合樁，各制作10根，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試樁發(fā)現(xiàn)，沉樁效果有明顯改善，整個(gè)沉樁過程都比較順利，錘擊數(shù)減少至3000錘左右，貫入度有所提高，能比較順利的達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高?？傮w上9m樁靴比7m樁靴錘擊數(shù)略有減少。經(jīng)核算，全部采用7m樁靴的組合樁需增加成本約200萬(wàn)元，全部采用9m樁靴組合樁需增加成本約300萬(wàn)元。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試樁效果檢驗(yàn)，對(duì)比各種方案優(yōu)化效果及費(fèi)用增加情況，最終選擇了施工優(yōu)化效果較好、最經(jīng)濟(jì)的7m鋼樁靴組合樁的方案，使得本工程沉樁施工得以順利進(jìn)行。

7 效果檢查

綜合本工程沉樁情況，在沉樁方案優(yōu)化之前，總共試樁38根，其中出現(xiàn)8根Ⅲ類樁，樁頭破損12根，且普遍高出設(shè)計(jì)標(biāo)高較多。正常情況下，每天只能完成沉樁2～3根，經(jīng)常還要修補(bǔ)樁頭、補(bǔ)樁、維修打樁錘。不僅浪費(fèi)了大量的施工成本，工期也無法保證。

經(jīng)過多種方案對(duì)比，選擇采用7m樁靴組合樁后，沉樁效果大大改善。經(jīng)高、低應(yīng)變抽檢，樁基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求，在后續(xù)270根PHC樁中，只出現(xiàn)了2根Ⅲ類樁，另有6根樁出現(xiàn)樁頭破損。這種組合樁不僅制作簡(jiǎn)單、方便，沉樁速度可以有效提高，每天可以完成沉樁5根以上，最多一天完成了8根。同時(shí)采用7m樁靴的組合樁只增加了成本200萬(wàn)元，比全部采用鋼管樁節(jié)約了800萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

8 結(jié)束語(yǔ)

高樁碼頭最關(guān)鍵的工序就是沉樁施工，樁基質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到碼頭的整體質(zhì)量及使用壽命。沉樁速度的快慢也制約著上部結(jié)構(gòu)施工的快慢，是碼頭施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因此如何處理好樁基問題是碼頭施工的首要問題。

本工程在淺層就遭遇堅(jiān)硬“鐵板砂”的情況下，經(jīng)過慎重的分析總結(jié)，最終采取了即經(jīng)濟(jì)、又有利于確保樁基質(zhì)量的加長(zhǎng)樁靴的組合樁辦法，解決了沉樁困難的大問題。雖然改進(jìn)之后，錘擊數(shù)還是有3000錘左右，相比其他高樁碼頭，錘擊數(shù)有所偏高，但在如此堅(jiān)硬地質(zhì)條件下能達(dá)到這樣的效果，在某種程度上是一種經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的合理切入點(diǎn)，值得類似高樁碼頭借鑒。endprint