水上施打PHC樁樁頂破損分析與對策

劉慧波 陳勃 徐鳴

摘 要：PHC樁沉樁時常會出現樁頂破損或縱向裂縫等現象，給施工帶了諸多不便。本文通過對其破損原理的分析，提出相

應對策，并在實際工程中對PHC樁的制作和施工過程采取相應措施，以驗證對策的實際效果，使其更好地指導施工。

關鍵詞：PHC樁 縱向裂縫 環向膨脹應力

預應力高強混凝土管樁（簡稱PHC樁），由于其在單樁承載力、抗彎性能、質量穩定性及施工方便程度等方面體現了良好的實用性和經濟性，故其在港口工程建設中的應用越來越廣泛。但PHC樁在沉樁施工過程中，經常出現樁頂破損或縱向裂縫等現象，如不及時處理，會給工程留下諸多質量隱患。針對這些問題，本文結合蘇州港太倉港區美錦碼頭工程施工實際，分析了PHC樁樁頂破損及樁頂以下1m范圍局部砼破碎兩種重要破損情況，并經過理論分析，提出了從鋼管樁制作及沉樁施工兩方面減少PHC樁破損的措施，并在工程實踐中加以驗證，以便更好地指導施工。

工程概況

蘇州港太倉港區美錦碼頭工程共有PHC樁1999根，其中Φ800PHC樁816根，樁長44～50m；Φ1000PHC樁1183根，樁長46m～52m。根據地質資料分析，Φ800PHC樁尖進入Ⅶ1灰色粉砂，Φ1000PHC樁尖進入Ⅶ層灰色粉砂層，該層中密-密實，標貫擊數為31～48擊，個別≥50擊。

土含量高，為砂質粉土。實測標貫擊數一般為20～45擊，局部擊數較大，大于50擊。靜力觸探比貫入阻力Ps加權平均值為8.79MPa。

PHC樁樁頂破損實例調查

通過對中交第三航務工程局南京分公司所屬的8個項目1750根PHC進行匯總，共有66根樁存在樁頂破碎缺陷，樁頂沉樁破損率： 66/1750=3.77%，破損情況統計如下表：

表1 ：PHC樁樁身破損情況統計表

由上述調查可知，PHC樁在沉樁中出現的質量問題以樁身破碎和開裂的現象較為常見，主要部位在樁頂以下1m范圍內。

PHC樁樁頂破損分析

1、縱向裂紋的產生

PHC樁在沉樁過程中樁身混凝土除了會產生縱向壓應力外，同樣會產生環向膨脹應力。錘擊應力過大會導致樁頂混凝土受擠壓而破碎，環向膨脹應力過大則會引起管樁出現縱向裂縫。

環向拉力的產生和作用可以做如下理解：試想在PHC樁沉樁中，從樁身上截出一個“典型段”做受力分析（如圖1）。當錘擊，時該典型段的上方受到向下的壓力Fa（錘擊力），典型段的下方就有一個向上的反力Fb（作用力與反作用力），貫入度越小時，反力越大。當典型段受到上下的夾擊力時，圓柱體就會向內外兩側方向膨脹，產生內外側的環向膨脹應力（Fd1和Fd2）。PHC樁的內側由于空氣壓力Fc的存在，相當于受到極大約束，無法變形突破（即Fd1與Fc力基本相抵消）。故“典型段”在向外側的環向膨脹應力Fd2作用下，有向外側膨脹的趨勢。向外膨脹意味著表面的擴張，也就是在樁的表面出現拉力，混凝土是脆性材料，當混凝土的抗拉強度小于拉力時，只能以裂縫的形式滿足它的膨脹，于是出現初步的表面裂縫，隨著繼續錘擊，裂縫繼續發展，直至形成樁頂出現縱向可見裂紋。

2、“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的產生

“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的現象的出現有兩種原因，第一種為樁身自身質量缺陷。主要表現在：制樁原材料差，端板和裙板加工精度不高，造成樁頂平整度、傾斜度不符合要求；管樁制作時，樁頭嚴重跑漿，形成空洞，裙板不能和混凝土嚴格錨固。在這種情況下，當PHC樁正常沉樁時，樁頂混凝土因為平整度不好形成不均勻受力，在巨大的錘擊力下，不均勻受力點容易破損，造成樁頂局部砼破碎；當端板、裙板和混凝土錨固不合格，樁頭有空洞等情況下， 沉樁時裙板與混凝土容易脫落，造成樁頂破損。

“樁頂以下1m范圍局部砼破碎”的第二種原因為沉樁施工原因。主要表現在偏心施打沉樁，造成樁頂發生破損。偏心打樁可能因為打樁船因水流、風力等因素發生移位；或者因為打樁錘選取不當，施打時樁錘、替打和樁身軸線未始終保持在同一中心線上，發生偏心錘擊；或者因為替打與樁頭不匹配、樁墊材料太薄或未加襯墊等原因。當偏心打樁后，錘擊力集中在偏心部位，該區域的環向膨脹應力遠大于樁身混凝土的抗拉力，形成裂縫密集區，當裂縫向里發展至PHC樁身鋼筋時，PHC樁的抗拉力改由鋼筋承擔，抗拉強度頓時增至很大，裂縫停止向里發展，改為沿著鋼筋外側環向發展，造成樁身混凝土與鋼筋脫離，形成樁身混凝土破碎情況。因為樁頂是受錘擊力最大最直接的區域，故砼破碎情況一般發生在樁頂區域。

減少PHC樁樁頂破損的措施

為了防止和減少PHC樁在沉樁過程中出現樁頂破損和開裂，必須從PHC樁的生產制作和沉樁施工兩方面來控制，根據上述分析，我們在本工程PHC樁生產制作和沉樁施工中采取了如下幾種措施：

1、樁頂鋼筋加密

混凝土結構減少裂縫的通常做法就是增加鋼筋抗拉，但參考類似工程，加密PHC樁樁頂鋼筋籠的箍筋，并不能有效減少樁頂裂縫出現的概率。我們分析，因為箍筋用的圓鋼，延伸率較大，但混凝土是脆性材料，當環向膨脹應力增大時，箍筋受拉延長，但混凝土無法延長只能產生裂縫。且根據上面典型段的受力分析，PHC樁在錘擊應力下可能外壁受拉內壁受壓，而箍筋在中和軸，故箍筋對增加管樁外壁的抗拉能力幫助不大。但增加樁頂非預應力筋和加密箍筋，能有效提高樁頂的抗打擊能力，使樁頂混凝土不會因受擠壓而破碎。針對上述情況，我們在樁頂40cm范圍內加密非預應力筋和加密箍筋，并提高樁頂端板和裙板的加工精度，且對樁頂端板裙板的錨固筋進行加密加強的方法。端板和加密的鋼筋對錘擊力的傳遞和樁頂混凝土的抗打擊能力有明顯提高；裙板的抱箍作用對樁頂混凝土抵抗環形膨脹應力有直接作用。

2、提高樁身混凝土密實度

混凝土的抗拉能力與混凝土強度及密實度有很大關系，強度和密實度越差，混凝土的耐錘擊抗拉能力越低，出現縱向裂縫的幾率越大。PHC 樁已經采用的是高強度混凝土（C80），無法從提高強度上入手。關于混凝土的密實度方面，PHC樁采用離心的方法使混凝土密實，密實度較差，但無法改變其制造工藝。于是我們從減少混凝土坍損量入手，通過選型合適外加劑，提高混凝土運送速度，采取砼攪拌用水二次投放的方法，增強PHC樁樁身混凝土性能。

3、樁尖加焊環形鋼筋

眾所周知，PHC摩擦樁在沉樁時，沉樁反力主要來源于樁尖端承力和樁身的側摩擦力。隨著樁身的入土深度越大，側摩擦力就大，直至最后，反力主要來源于側摩擦力，樁尖的端承力幾乎可以忽略不計。為了有效減少樁身的側摩擦力，我們將PHC樁的樁尖外側加焊一根Φ20的圓鋼，即樁尖截面半徑比樁身半徑大2cm，大大減少了沉樁時的樁身側摩擦力。

4、改善施工工藝

選擇合適的錘擊能量。當貫入度較小時，錘擊能力越大，樁身的反力就越大，造成的環向膨脹應力越大，故越容易造成樁身破壞。本工程我們選用三航局“三航樁7#”和“三航樁11#”打樁船，分別配DELMAG-100和DELMAG-128型柴油錘進行施工。

在施工中，基本上采用DELMAG-100型柴油錘開3擋，DELMAG-128型柴油錘開2擋，采用重錘輕打的方法進行施工。沉樁情況表明，該能量能滿足Φ800和Φ1000PHC樁的沉樁要求，能沉樁至設計標高，未產生貫入度異常現象。

選用合適的樁墊木，本工程第一批樁采用的樁墊木厚度為10cm，在受力壓縮后變薄，未能有效起到緩沖效果，后將樁墊厚度增加到了15cm，實踐證明能有效降低施打應力。

喂樁時要校準樁、替打與錘心位于同一軸線。替打的大小與樁徑要配套，在沉樁過程中保障打樁船的穩定，結合各種方法，確保不出現偏心沉樁。

實施效果

樁頂破損情況：在實施上述改進措施后的約1600余樁中，破損12根，破損率0.75%，大大低于未采取措施時的3.77%，檢測報告顯示樁身質量完整，全部符合Ⅰ類樁的標準。

沉樁效率：在加焊了樁尖環形鋼筋后，因樁身側摩擦力減少，有效減少了錘擊數。在未采取該項措施前，同等條件下錘擊數約為1800～2200；采取該措施后錘擊數普遍降低至1200～1500錘，沉樁效率明顯提高。

沉樁承載力：PHC樁的承載力主要靠樁身側摩擦力，當我們擴大樁尖截面半徑時，部分技術人員質疑是否會減少樁基承載力。擴大樁尖截面半徑只是暫時減少了沉樁時的樁身側摩擦力，當沉樁完成后，土層會重新固結恢復其側摩擦力。通過檢測機構對現場樁基承載力的檢測結果顯示：高應變復打時，加焊了樁尖環形鋼筋后的樁基承載力與不加焊鋼筋的樁基承載力幾乎一致，且樁身質量完整，全部符合Ⅰ類樁的標準。事實證明，稍微擴大樁尖截面半徑完全不影響樁基的承載力。

結論

目前PHC樁在水運工程中發展迅速，但因各種原因，樁頂在沉樁過程中容易破損，這已經嚴重影響到PHC 樁尤其是大直徑樁的應用。事實證明，在不改變PHC樁制作和施工工藝原則的方法下，能夠通過對樁頂鋼筋加密、提高樁身混凝土密實度及樁尖加焊環形鋼筋等方面改善PHC樁的預制質量；以及通過選擇合適的錘擊能量、合適的樁墊木和喂樁時要校準樁、替打與錘心位于同一軸線等方面加強PHC樁沉樁施工工藝。預制和施工方面的改善是完全有效的減少了樁頂破損情況，提高了沉樁施工效率。但在采取相應改善措施時，應注意以下幾點：

擴大樁尖截面半徑的方法應參考當地的地質條件，當沉樁區域地質資料顯示標貫擊數很大的土層有較厚時，慎用該方法。

沉樁停錘標準中的貫入度應合理確定，避免在地質條件復雜的水域施工時，低貫入度情況下仍持續錘擊，造成樁頂環向環向膨脹應力過大，樁頂破損。