超長PHC樁沉樁的可行性研究

胡 鈞，張建龍，高倚山，孫亞哲，黃文君

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院，上海 200063)

1 概述

近年來, 在軟土地區, 隨著中、高層建筑及大跨度橋梁的大規模建設, 超長PHC樁以其具有較高單樁承載力的優點在工程上應用數量急劇增多。由于超長PHC樁有效樁長較長，沉樁過程中穿越土層較厚，一般需要較大的錘擊能量及較高的錘擊數，容易引起樁頭、樁身疲勞破壞，無法沉樁至設計標高等問題；且沉樁過程中穿越軟硬交替土層較多，當穿越硬軟土層時，容易形成較強的拉應力波從而導致樁身開裂。為此，筆者開展了超長樁工況下的一系列可打性數值模擬分析及現場試驗研究，以期得出超長PHC樁沉樁時更加合理的技術參數與打設措施。

2 研究方法

2.1 打樁波動方程分析程序

對于超長PHC樁，可以利用打樁波動方程模擬計算特定地質條件下的打樁全過程，得到樁身動應力變化、承載力情況及錘擊數等豐富信息，可以幫助設計人員確定樁基類型、承載力及打樁系統，以及提前進行沉樁可行性的分析評價。目前世界上首選打樁波動方程分析程序就是GRLWEAP，它可模擬沖擊或振動打樁機在打入過程中樁的運動及受力情況。對于給定的樁錘系統，可依據實測的錘擊數計算打樁阻力、樁身動力應力變化及預估承載力；可利用貫入度替代錘擊數進行振動打入樁分析；對于已知土質情況及承載力要求，可幫助選擇合適的錘和打樁系統；可打性分析可確定打樁過程中樁身應力是否超限或拒錘不能打入預期深度；另外還可估計總打入時間。

2.2 高應變檢測試驗

高應變檢測試驗技術是從打入式預制樁發展起來的，試打樁和打樁監控屬于其特有的功能，高應變法不僅能夠檢測工程樁的樁身完整性,也能夠測試單樁豎向抗壓承載力,還能對打樁過程進行監控。它能監測預制樁打入時的樁身應力(拉、壓應力)、錘擊系統的能量傳遞率、樁身完整性變化,進而控制打樁過程中的樁身應力和減少打樁破損率，為合理選擇沉樁設備、樁型、確定合理的沉樁工藝參數、樁端持力層以及停錘標準提供依據,進而進行沉樁可行性分析評價。因此，在試樁和工程樁階段采用高應變動測來檢驗沉樁可行性，可以確定優化打樁工藝，合理的樁基設計，以及良好的工程樁檢驗效果。

3 工程概況

某公司擬在崇明島建設燃氣—蒸汽聯合循環機組作為支撐電源，本工程是老廠機組改造，易地新建電源點的工程項目。由于電廠機組設備的上部結構和設備荷重較大，對地基土的強度和變形要求均較高，根據可研階段的巖土工程勘察資料，重要建構筑物需采用樁基才能滿足工程要求，為了選擇合適的樁型、樁長，須進行試樁。廠區場地勘察深度范圍內的地基土劃分為10層，具體物理性質指標見表1。

表1 工程場地地基土物理性質指標

本工程場地開闊，周圍建構筑物較少，從擬建場地土層分布和工程地質性質來看，可選擇沉樁速度快的樁型為主，建議采用PHC樁。根據表1的可研勘察成果分析，擬建電廠工程場地內的⑤2、⑨1土層分布較為穩定。

⑤2灰色粉質粘土、砂質粉土互層：層頂標高－29.40～－31.11 m，平均厚度7.40 m，靜力觸探錐尖阻力平均值為2.07 MPa，壓縮模量Esp0～p0+0.2為9.00 MPa，可以考慮作為一般建構筑物的樁基持力層，且樁端盡可能進入該層中下部，但其下臥⑧1粉質粘土為軟可塑土，可作為沉降要求不高的輔助建筑物樁基持力層，不能作為主要建筑物和荷重較大的附屬建筑物的樁基持力層。

⑨1青灰色粉細砂：層頂標高－51.98～－61.59 m，分布穩定，靜力觸探錐尖阻力平均值為10.50 MPa，壓縮模量Esp0～p0+0.2為37.00 MPa，且其下伏沒有軟弱夾層，可以作為主廠房、余熱鍋爐煙囪、GIS等重要建構筑物的樁基持力層。但⑨1土層其深度超過60 m，屬于超長樁工況，容易引起樁頭、樁身疲勞破壞，無法沉樁至設計標高等問題，本文據此展開研究，為工程選擇合適的樁型和施工工藝提供可行方案。

4 GRLWEAP計算結果及分析

根據沉樁場地的基本物理性質，利用GRLWEAP軟件對超長PHC樁打樁全過程進行模擬，樁型采用PHC 600 AB 110-62，入土深度為61.4 m，采用D80單動筒式柴油錘沉樁。沉樁可行性計算結果見圖1，GRLWEAP承載力圖計算結果見圖2。

由GRLWEAP沉樁可行性計算結果可知，PHC 600 AB 110-62樁型計算初打土阻力為2792 kN，終錘貫入度為12.2 mm/擊，總錘擊數為1586擊，均在比較理想的范圍內；輸入樁身能量一般為40～70 kJ，沉樁過程中樁身最大壓應力一般為14～29 MPa左右，最大可達35 MPa；樁身最大拉應力一般為1～3 MPa左右，均在PHC樁允許范圍內，由此可以判斷，該樁型沉樁過程中，樁身應力在PHC樁允許范圍內，總錘擊數適中，進入持力層后貫入度適中，最終可以順利沉至設計標高。

圖1 GRLWEAP沉樁可行性計算結果

圖2 GRLWEAP承載力圖計算結果

由GRLWEAP承載力圖計算結果可知，隨著初打土阻力的增大，每米錘擊數亦相應增大，貫入度減小，當初打土阻力超過4500 kN時，每米錘擊數高達460.5擊/m，貫入度接近2 mm/擊，此時繼續沉樁較為困難，可能出現拒錘情況，如持續打樁，可能引起樁頭破損、樁身斷裂等問題。故當初打土阻力超過4500 kN時，應考慮更換錘重更大的樁錘，與此同時，應重新計算樁身最大壓應力及最大拉應力。

5 高應變檢測試驗結果及分析

對超長PHC樁進行高應變跟蹤檢測，采用錘擊法進行沉樁，本次試樁采用的樁機為SP110履帶式打樁機、40 t履帶吊車。采用DELMAG62和DELMAG80錘沉樁，樁墊為紙墊，油門掛檔基本控制在一檔，樁的焊接采用NEC400 CO2 保護焊機，焊條型號E5003，共打設3根型號為PHC 600 AB 110-62的超長PHC試樁。

超長PHC樁每米平均錘擊數與貫入深度關系見圖3，實測錘擊數996～1305擊，平均1130.0擊；實測錘擊數10～14 mm/擊，平均11.7 mm/擊；實測初打土阻力2830～3030 kN，平均2950 kN，GRLWEAP計算結果為，計算錘擊數1586擊，計算貫入度12.2 mm/擊，計算初打土阻力為2792 kN，計算結果與實測數據較為接近。

選取T5、T6號樁的高應變數據進行分析，高應變檢測曲線見圖4、圖5。通過對2根試樁高應變實測曲線以及樁身應力分析可知，在沉樁過程中最大錘擊能量一般為50～65 kJ，樁身最大壓應力一般在30 MPa之內，最大拉應力一般在3 MPa之內，最大也僅有6 MPa左右，由GRLWEAP沉樁可行性計算結果可知，PHC 600 AB 110-62樁型沉樁過程中輸入樁身能量一般為40～70 kJ，沉樁過程中樁身最大壓應力一般為14～29 MPa左右，最大可達36 MPa；樁身最大拉應力一般為1～4 MPa左右，計算結果與實測數據較為接近。

圖3 超長PHC樁每米平均錘擊數與貫入深度關系

根據多種方法綜合分析結果可知，PHC 600 AB 110-62樁型沉樁過程中，樁身應力在PHC樁允許范圍內，總錘擊數適中，進入持力層后貫入度適中，最終均可順利沉至設計標高，故只要合理選擇打樁系統、打樁工藝，超長PHC樁施工是完全可行的。

圖4 T5號樁高應變動測實測曲線及應力分析曲線

6 結論

通過對超長PHC管樁的GRLWEAP可打性數值分析和高應變檢測現場試驗研究，主要得出以下幾點結論：

(1)在沉樁前采用GRLWEAP打樁波動方程分析程序進行沉樁可行性研究，在沉樁過程中采用高應變進行跟蹤監測的沉樁可行性綜合分析評價研究方法是非常必要且行之有效的，實踐證明兩種方法計算結果與實測數據較為接近。

(2)超長PHC樁沉樁在理論及實踐中都是可行的，沉樁過程中錘擊數、貫入度、最大錘擊力、最大錘擊能量均基本可以控制在合理的范圍內，樁身最大壓應力及最大壓應力也基本可以控制在PHC樁容許范圍內。

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