鋼筋混凝土短樁設計探討

魏 偉，劉 雄，吳冬梅，胡曉燕

（上海市凱達公路工程公司，上海市 200601）

0 前言

在G15和G60高速公路（上海段）聲屏障基礎施工中，多次出現樁基斷裂和打不下去的情況，對此設計方和施工方都做了詳細的調查及研究工作。通過深入分析認為，《預制鋼筋混凝土方樁》圖集所示的25 cm×25 cm×12 m打入樁，其配筋偏少，樁身剛度不足，是造成斷樁的主要原因之一。以下結合工程實例對短樁設計存在的問題談一些個人體會。

1 問題所在

G15和G60高速公路（上海段）聲屏障基礎設計為25cm×25cm打入樁，樁長分別為：8 m、10 m、12 m三種類型。其中8 m和10 m樁在施打過程中比較順利，而12 m樁又細又長，當打樁機由樁頭一端拖樁準備豎起時（樁與地面呈15°～20°），樁提不起來，如果此時強行拖起豎樁（角度超過20°），樁基在樁長1/3位置即刻發生斷裂（見圖 1）。

出現這種情況，起初大家都懷疑是否樁基質量有問題。于是，查看樁基出廠質量檢測報告。從檢測報告看，各種檢測數據全部合格，其中包括混凝土配合比試驗、強度試驗、鋼筋的拉拔試驗等。既然廠家所報的檢測結果樁基質量沒有問題，那會不會是斷裂的這一批樁有問題。于是，又委托另外一家有檢測資質的專業檢測單位對所有已經送到現場的樁基進行抽檢，結果與廠家自報的檢測結果基本一致，這說明樁基自身質量沒有問題。

排除了樁基質量問題，剩下的就是設計和施工問題。

2 設計問題

該工程所用樁基系套用設計院提供的《預制鋼筋混凝土方樁》圖集中25 cm×25 cm斷面打入方樁。從圖集中可以看出，這種斷面的樁最大樁長12 m，樁基配筋為：豎向主筋 4Ф16、箍筋Ф6@50～200，混凝土標號C30，單根樁的長寬比為48∶1，設兩個吊點（見圖 2）。而對于 30 cm×30 cm斷面的樁（見圖3），其豎向主筋則按雙組配置，豎向主筋 4Ф14+4Ф14、箍筋 Ф8@50～200，混凝土標號C40，單根樁的樁長若同樣以12 m計，則長寬比為40∶1。通過對兩種不同斷面的樁設計參數進行比較知道，在樁長相等的條件下，斷面大的樁，其長細比小，配筋率和混凝土標號也都相應較高，其樁基自身的剛度顯然要強于問題樁基。由此設想，如果當時設計人員采取兩種措施：第一、配筋不變，將12 m樁長分兩截預制，降低長細比；第二、把原單組配筋改為雙組配筋，并提高混凝土標號。相信通過采取這兩種措施，原圖集中12 m單根樁剛度不足的問題即會得到有效解決。而在實際工程當中并沒有這樣做，因此，出現斷樁情況也就在所難免。

另外，根據工程經驗，25 cm×25 cm斷面的鋼筋混凝土打入樁，單根長度做到12 m，已經到了極限，如果其配筋和混凝土標號不做改變，仍然采用《圖集》中的配筋，在以后的工程當中，很有可能繼續出現G15和G60高速公路（上海段）聲屏障基礎施工中樁基斷裂的情況。當然，如果能將《圖集》中的單樁長度控制在10 m以內，并附加補充說明，適當提高樁基混凝土標號，這對避免以后類似工程施工出現斷樁以及提高工程質量都有好處。

3 施工問題

對施工單位而言，首先必須保證樁基質量完全符合設計要求，其次應該嚴格按照設計圖紙和樁基施工技術要求進行施工。在該工程中，由于樁基較短，并且地基土較軟（淤泥質粘土），因此，施工單位沒有選用樁架式打樁機，而是將履帶式大型挖掘機抓斗部分改裝成鋼套筒，將樁頭套在套筒里面，通過振壓的方式將樁基打入地層。對小而短的方樁采用這種打入方式，既簡便又實用，是一個不錯的選擇。但是如果遇到樁基自身強度（剛度）不足，若仍采用這種方法，就難免出現上述樁基提不起來的情況。此時，最穩妥的辦法就是用捆綁或多點起吊的辦法豎樁。雖然這樣做給施工帶來許多不便，并且工期也要受到影響，但可以最大限度地保證樁基在起吊過程中不被折斷。在具體施工過程中，施工單位曾嘗試用捆綁起吊的方法豎樁，但由于施工速度太慢而未被采用。

另外，樁基豎起振壓過程中，鄰近高速公路一側，由于當時路基施工超寬回填，碾壓的密實度相對較高，所以，當樁基豎起振壓時間稍長（入土深度不足1 m），樁基1/3位置就發生斷裂，而離開路基1.5 m處的后排樁振壓卻非常順利。顯然，造成斷裂的原因還是由于樁基自身強度問題，而并非施工不當。

3 解決辦法

為了能夠將工程順利進行下去，曾想過各種辦法，如：用架設鋼護筒的辦法，即在樁位處預支26 cm×26 cm×200 cm鋼護筒，把樁基先插在護筒內，縮短樁基初始打入長度（12 m-2 m=10 m）。這種做法對路基外側的樁基非常有效，但對內側靠近高速公路硬路肩處的樁基仍然存在打不下去甚至斷樁的問題，況且這種辦法嚴重影響施工工期。后與設計人員共同商議，決定采用先打洞，再插樁的辦法。簡而言之，就是先制作一段與設計樁徑一樣大小的鋼樁，長度4 m，調用兩臺機械配合施工。第一臺機械用鋼樁在樁位處打洞，第二臺機械用捆綁的方式吊樁于洞內進行振壓。經過現場試驗，第二種方法施工速度要快于第一種方法。但如果采用第二種做法，又帶來一個樁基抗拔力夠不夠的問題，打洞后這部分樁基摩阻力在近期實際上是失效的，也就是說，鋼樁究竟需要打多深，能不能達到原設計12 m樁長的抗拔要求，還需要通過進一步驗算才能證明該方法是否可行。

4 單樁驗算

根據摩擦樁單根樁軸向受拉容許承載力公式：[Pi]=0.3uΣτi×Li+W對樁基抗拔進行驗算，計算簡圖見圖4。

荷載組合：P=風載+聲屏障自重=7.02+2.25=9.27 kN

Mp=4.5×9.27=41.72 kN·m

按照不同樁長計算Mpi結果見表1。

從表1可以看出，各種不同深度的樁基，其Mpi低抗彎矩均小于聲屏障風荷載作用時產生的偏轉彎矩Mp，說明樁基會出現上拔的情況。因此，為了滿足抗拔要求，需將原基礎下1 m樁間距調整為1.5 m，計算結果見表2。通過調整計算可知，10 m和12 m樁調整樁基間距后可以滿足抗拔要求，而8 m樁長不能滿足要求。因此在具體施工中，采用鋼套筒振壓成孔，對12 m樁其鋼套筒插入深度2 m還是可行的，但若超過2 m，就必須采取在聲屏障后加設斜撐或對插樁后樁基周邊土基用小型打夯機強夯密實、灌注水泥砂漿等辦法。采取這些辦法，目的是為了提高聲屏障自身的抗彎強度，同時，解決套筒部分樁基摩阻力不夠的問題。

表1 單樁驗算匯總

表2 調整后單樁驗算匯總

5 結語

該工程最終采用先打洞、再插樁的辦法，很好解決了樁基施打中由于樁基自身強度不足產生斷樁的問題，但認真思考以后感覺在鋼筋混凝土短樁設計方面還有許多問題值得探討。

首先是樁長問題。在《預制鋼筋混凝土方樁》圖集中，25 cm×25 cm斷面的打入樁單根長度最大做到12 m，如果配筋和混凝土標號不做改變，這種樁在市政工程中宜慎重采用。因為，當樁基預制好以后，無論采用樁架式打樁機還是改裝后的振壓機，打樁時一般情況下都是把樁頭捆綁好以后拖樁至樁架處，然后豎起進行施打，當樁基自身強度不足的時候，按照常規打樁方法根本無法將樁拖到樁位，12 m樁又細又長，稍有不慎，就出現斷樁。當然，在這種情況下，設計也可以考慮分兩截制樁進行施打，但這樣做很不經濟。

其次是配筋問題。《預制鋼筋混凝土方樁》圖集中，25 cm×25 cm斷面主受力筋4Ф16，混凝土標號C30。若一根長樁，僅配4根鋼筋，顯然其抗彎強度偏低。在市政工程中，常用的樁基通常采用組合配筋。如果在以后的工程中，要想使這種形式的樁在工程中繼續得以使用，就必須考慮提高現有樁基的配筋率，并且提高混凝土標號。否則，樁身軟弱無力，就是用捆綁的方式勉強將樁豎起來，土基稍為硬一點或出現不均勻土質，仍有可能發生斷樁和打不下去的情況。