樁靴形式對PHC樁穿透性能的影響

馮光華，任 麟

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

先張法預應力離心高強混凝土管樁(簡稱PHC樁)在港口中的應用日漸增多[1]，國內外學者對PHC樁的沉樁機理及質量控制，做出了大量的研究[2-6]。

PHC樁為部分擠土樁，其穿透性能較同直徑的鋼管樁弱，通常需要設置樁尖，常用PHC樁樁尖形式包括純鋼護筒樁靴、內嵌十字樁尖的鋼護筒樁靴、加端板的十字樁尖和外突十字樁尖鋼護筒樁靴等形式，楊緒軍等[7]分析了樁靴鋼板厚度及端板外側增加鋼箍對于基樁穿透性能的影響；宋杰[8]分析了PHC混凝土管樁結合超長鋼樁靴的混合樁型方案,能較好地達到目標持力層。而對于不同樁尖形式PHC樁的穿透性能對比的研究鮮見報道。本文通過對不同樁尖形式、不同樁靴長度以及鋼樁靴與PHC樁法蘭盤焊接是否采用斜角坡板的PHC樁穿透性能進行對比分析，為設計和施工提供參考。

1 工程概況

工程地處坦桑尼亞達累斯薩拉姆港，為東非第二大港口。施工內容包括新建1個滾裝泊位和升級改造1#～7#泊位，施工岸線總長約1.7 km，樁基采用直徑800、1 000 mm的PHC樁，數量分別為320、694根，總計1 014根，含有直樁以及傾斜度為8:1、6:1、4:1、3:1的斜樁，鋼樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0 和7.0 m，斜樁扭角為12°，滾裝泊位單個結構段內部平行于碼頭岸線方向軸之間的PHC 樁間距為8 m，共7排。1#～7#泊位每個排架布置3根PHC樁，排架樁間距5.5～7.2 m。PHC樁參數見表1，單個結構平面布置如圖1所示。

表1 坦桑尼亞達累斯薩拉姆港PHC樁參數

圖1 滾裝泊位基樁平面布置 (單位：m)

2 不同樁靴形式的PHC樁沉樁規律分析

珊瑚礁礫砂層廣泛分布在坦桑尼亞達累斯薩拉姆港，在每個地質鉆孔中均發現，埋藏較淺。基于該地質條件，分析不同樁靴形式的PHC樁沉樁規律。

2.1 沉樁停錘標準

基于永安YC-30液壓錘、錘芯跳高30 cm工況下，滿足以下條件之一，即可停錘：

1)最后3陣，每陣10 擊，平均貫入度≤7 mm且達到設計高程，可以停錘；如果貫入度大于7 mm，應繼續錘擊直至貫入度小于7 mm。

2)未達到設計高程，平均貫入度≤5 mm(最后3陣，每陣10 擊)且樁尖距設計高程≤1.0 m，可以停錘。

3)其他異常情況應停錘；檢查樁身質量，綜合評估總錘擊數、地質和貫入度的情況，并及時反饋設計。

2.2 PHC樁的樁靴類型

項目采用的樁尖形式有3種：純鋼護筒樁靴、內嵌十字樁尖的鋼護筒樁靴、外突十字樁尖的鋼護筒樁靴，材質為Q345B鋼，鋼樁靴樁尖0.5 m范圍內外貼18 mm厚加強箍，分為兩瓣，樁靴頂部側端肋板之間焊接有縱向肋板，縱向肋板分為矩形和梯形兩段，樁靴和PHC段由樁頭端板連接。樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0、7.0 m；鋼樁靴與基樁法蘭盤連接方式有帶和不帶斜角坡板。外突十字樁尖鋼樁靴和帶斜角坡板的鋼樁靴見圖2。

圖2 外突十字樁尖和帶斜角坡板的鋼樁靴(單位:mm)

2.3 基樁總錘擊數

2.3.1不同樁尖形式基樁總錘擊數

針對不同樁尖形式基樁，分別選取100根樁進行總錘擊數統計，見圖3。純鋼護筒樁靴基樁總錘擊數平均值為1 768擊；內嵌十字樁尖的鋼護筒樁靴基樁的總錘擊數平均值為1 564擊；外突十字樁尖的鋼護筒樁靴基樁的總錘擊數平均值為1 387擊。總錘擊數最高的為純鋼護筒樁靴基樁，平均值比內嵌十字樁尖的鋼護筒基樁高13.0%、比外突十字樁尖的鋼護筒樁靴基樁高27.5%。

圖3 不同樁尖形式基樁的總錘擊數

2.3.2不同樁靴長度基樁總錘擊數

不同樁靴長度基樁總錘擊數見圖4。樁靴長度為1.5、5.0、6.0、7.0 m基樁的總錘擊平均值分別為1 883、1 665、1 564、1 466擊。樁靴長度越長，平均總錘擊數越少。1.5 m長樁靴的總錘擊數明顯比其他長度樁靴基樁總錘擊數大。

圖4 不同樁靴長度基樁的總錘擊數

2.3.3不帶與帶斜角坡板基樁總錘擊數

不帶與帶斜角坡板基樁總錘擊數見圖5。不帶斜角坡板的基樁總錘擊數平均值為1 452擊；帶斜角坡板的基樁的總錘擊數平均值為1 316擊；帶斜板的基樁平均總錘擊數更少，約少10.3%。

圖5 不帶與帶斜角坡板基樁的總錘擊數

2.4 不同樁靴形式基樁的停錘規律

2.4.1不同樁尖形式的樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

針對不同樁尖形式基樁，分別選取100根進行實際樁尖高程與設計值對比，并統計其貫入度，見圖6～8。純鋼護筒樁靴基樁實際樁尖高程比設計值平均高出0.72 m,大于1 m的有7根，大于5 m的有2根且補樁，終錘平均貫入度2.9 mm/擊；內嵌十字樁尖基樁的實際樁尖高程比設計值平均高出0.55 m,大于1 m的樁有5根，終錘平均貫入度3.5 mm/擊；外突十字樁尖基樁樁尖高程比設計值平均高出0.31 m,大于1 m的樁有3根，終錘平均貫入度4.2 mm/擊。

圖6 鋼護筒樁靴基樁樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

圖7 內嵌十字樁尖基樁樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

圖8 外突十字樁尖基樁樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

2.4.2不同樁靴長度基樁樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

不同樁靴長度樁尖高程及終錘貫入度見圖9～12。樁靴長1.5 m基樁實際樁尖高程比設計值平均高出0.75 m,大于1 m有8根，大于5 m有1根且須補樁，終錘貫入度平均值為2.8 mm/擊；樁靴長度5.0 m 基樁的實際樁尖高程比設計值平均高出0.61 m,大于1 m有8根，終錘貫入度平均值為3.4 mm/擊；樁靴長度6.0 m 基樁設計樁尖比設計值平均高出0.54 m,大于1 m有5根，終錘貫入度平均值為3.6 mm/擊；樁靴長度7.0 m 基樁實際樁尖高程比設計值平均高出0.46 m,大于1 m基樁有4根，終錘貫入度平均值為3.8 mm/擊。

圖10 5.0 m樁靴長度樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

圖11 6.0 m樁靴長度樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

圖12 7.0 m樁靴長度樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

2.4.3不帶與帶斜角坡板基樁樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

不帶與帶斜角坡板基的實際樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度見圖13、14。不帶斜角坡板的基樁實際樁尖高程比設計值高出0.48 m,大于1 m的有6根，終錘貫入度平均值為3.9 mm/擊；帶斜角坡板的基樁的實際樁尖高程比設計值平均高出0.27 m,大于1 m的樁有1根，終錘貫入度平均值為4.4 mm/擊。

圖13 不帶斜角坡板實際樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

圖14 帶斜角坡板實際樁尖高程與設計值差距及終錘貫入度

3 不同樁靴形式的基樁穿透性能對比

3.1 試驗樁樁位地質樁孔情況

針對不同樁尖形式、不同樁靴長度以及帶與不帶斜角坡板，選取SGR06和SGB07這兩個鉆孔分別選取3根基樁進行沉樁試驗，對穿透性能進行對比分析。SGR06地質鉆孔見表2，持力層為珊瑚礁砂礫。

表2 SGR06鉆孔地層情況

注：50/190、50/210表示50 cm/190擊、50 cm/210擊。

3.2 不同樁尖形式基樁穿透性能對比

根據純鋼護筒樁靴基樁、內嵌十字樁尖基樁和外突十字樁尖基樁3種不同的樁尖形式，在SGB06鉆孔附近選取3根樁沉樁，樁靴長度均為5.0 m，樁徑均為1.0 m，對不同土層的貫入度、樁身最大能量、樁身壓應力、拉應力進行對比分析，見圖15。

圖15 不同樁尖形式相同樁靴長度基樁的貫入度及相關參數變化

由圖15可知，純鋼護筒樁靴、內嵌十字樁尖、外突十字樁尖基樁的沉樁貫入度依次增加，樁身拉、壓應力依次減少，而能量并無顯著差異，因此上述3種樁尖形式的基樁穿透能力依次增強。

3.3 不同樁靴長度基樁穿透性能對比

在SGB07鉆孔附近選取4根基樁，持力層為粉性砂質黏土，鉆孔地層情況見表3，基樁的樁徑均為1.0 m，均采用帶斜角坡板形式，樁尖形式為內嵌十字樁尖，樁靴長度分別為1.5、5.0、6.0和7.0 m，對不同土層貫入度進行對比分析。4根樁不同土層貫入度變化見圖16。

表3 SGB07鉆孔地層情況

注：50/200、50/250表示50 cm/200擊、50 cm/250擊。

圖16 不同樁靴長度貫入度變化

由圖16可知，1.5 m長鋼樁靴的沉樁過程貫入度值明顯比其他長度貫入度小，而5.0～7.0 m長鋼樁靴貫入度依次增大，但變化并不明顯，因此隨著樁靴長度增加，基樁穿透性能增加，且1.5 m長樁靴其基樁穿透能力明顯要比5.0～7.0 m樁靴基樁弱。

3.4 不帶與帶斜角坡板基樁穿透性能

在SGR07鉆孔附近選取不帶與帶斜角坡板的樁靴形式的2根基樁進行沉樁試驗，對不同土層貫入度進行對比分析。見圖17。帶斜角坡板基樁的貫入度較大，主要是斜角坡板在沉樁過程中起緩沖作用，減少側阻力，更有利于基樁穿透硬層，達到設計高程，貫入度較大。

圖17 樁靴帶坡板與不帶坡板貫入度變化

4 結論

1)在相同的地質條件下，外突十字樁尖的PHC樁的穿透性能最強，純鋼護筒樁靴的PHC樁穿透能力最弱。

2)在相同的地質條件下，樁靴長度越長，其基樁穿透能力越強，但樁靴長度大于5 m時，基樁穿透性能增強并不明顯。

3)在相同的地質條件下，帶斜角坡板能減少基樁沉樁過程的土阻力，PHC樁貫入度較大，穿透性能較強。

4)基于總錘擊數、貫入度、樁身壓應力和拉應力等參數考慮，從樁尖形式、樁靴長度及是否帶斜角坡板這3方面靈活選取不同樁靴形式的PHC樁，使PHC樁沉樁至設計高程，保證沉樁質量。