沿海高樁碼頭PHC樁裂縫成因及應對措施實例分析

林顯才 湛江港（集團）股份有限公司

1.沿海高樁碼頭PHC樁的應用

我國2 0 世紀8 0 年代開始引進PHC樁，PHC樁屬于先張法預應力管樁，樁具有強度高、抗裂能力強、節省混凝土、耐久性高等優點，近年來PHC管樁行業得到迅猛發展，主要應用于房地產、公路、鐵路、港口碼頭、機場建設等。其中在沿海碼頭工程中使用的案例非常多，先后在寶鋼馬跡山礦石碼頭工程、上海洋山深水港碼頭工程、廣州南沙港區水工碼頭工程、東海大橋樁基工程、深圳太子灣游輪母港工程、湛江東海島港區雜貨碼頭等諸多港口工程中得到了應用。

然而沿海高樁碼頭工程PHC樁在建設過程中，也存在一些質量問題，如產生裂縫及樁破損；沉樁困難，達不到設計標高；偏心過大；達設計標高后承載力不足等，常考慮一定數量備樁，但替代性備樁成本過高，這里不作分析。對于沉樁困難及承載力不足問題可從沉樁設計要求方面進行改善，偏心過大可在后續樁帽施工中進行一定的彌補，而裂縫的成因則比較復雜，若沿海高樁碼頭PHC樁施工期出現裂縫，需多方面分析并采取相應措施才可能避免或減少裂縫的產生。

2.高樁碼頭PHC樁裂縫檢測與評估

依據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014），結合高樁碼頭的具體特點，高樁碼頭PHC樁樁基主要采用低應變反射波法、高應變測試法進行裂縫檢測。但低應變、高應變的檢測具有一定局限性，如對縱向裂縫，不穿透的橫向裂縫無法檢測，所以在實際工程中其他檢測手段也越來越多得以應用。在制造階段、管樁沉樁前,對水上可見裂縫則直接采用目測法結合儀器設備檢測，管樁沉樁后對水下部分裂縫的檢測則多采用潛水探摸結合攝像開展，抽水觀察法也可作為輔助檢測手段。同時由于PHC 管樁特有的內腔，使孔內攝像技術也逐漸被應用到管樁裂縫檢測中。

依據《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》（JTS 304-2019）規定，裂縫寬度在0-3mm之間，外觀劣化度分級標準屬于B、C級，混凝土結構耐久性為C級；裂縫寬度大于3mm，外觀劣化度分級標準為D級，混凝土結構耐久性為D級，應立即進行修復、補強。

3.PHC樁裂縫產生原因及應對措施實例分析

3.1 工程概況

某南方沿海高樁碼頭工程總長度369m，寬度47.32m，碼頭分為6個結構段，標準段前、后樁臺樁基采用Φ1200mmPHC管樁，排架間距均為9m，前樁臺每個排架下布置7根樁，后樁臺為4根直樁。Φ1200mmPHC管樁型號為B型，壁厚150mm，橫截面積494801mmW，樁長47～51米。碼頭斷面如圖1所示。

圖1 碼頭斷面圖

3.2 管樁裂縫檢測

該工程PHC管樁沉樁從2019年7月開始，沉樁施工期間采用低應變和高應變方式對已沉樁進行檢測，樁基完整性及承載力滿足設計要求，未發現樁基有異常情況。但在截除樁頭后，陸續發現部分樁的樁內水位隨潮汐漲落而漲落，為此采取對樁內抽水等措施檢查，均未能發現樁基有異常情況，質監站和第三方檢測單位采用水下攝像儀對管樁內進行了拍攝檢查，也未發現有異常情況。

至2019年11月，該工程共完成250根樁的沉樁，期間盡管沉樁過程中已采取了一些措施來控制沉樁施工，但后續沉樁截樁后仍發現有部分樁出現水位變化的情況。為此決定進行潛水探摸結合攝像檢測，探摸對象為前期發現存在水位變化的63根樁及隨機選取無水位變化樁12根（共75根），探摸發現樁內水位變化的樁均存在裂縫缺陷，其中裂縫寬0-3mm的25根，裂縫寬大于3mm的38根，無水位變化樁12根則未發現裂損。

3.3 管樁裂縫原因分析

3.3.1 裂縫成因概述

大直徑PHC管樁在碼頭工程施工中，管樁裂縫是一個比較常見的質量問題，而且隨著管樁直徑的增大，生產、運輸、沉樁等實施過程的難度也相應增加，PHC管樁出現裂縫的概率也相應增大。結合以往的經驗，經分析研究，本工程部分PHC管樁出現裂縫的原因可能發生在設計、生產階段、吊運過程、沉樁施工過程。

3.3.2 設計原因

本工程沉樁以貫入度控制為主和樁端標高作為校核的雙重控制標準，樁端標高已達設計標高的情況下，最后10擊平均貫入度≤5mm，才可以收錘，部分沉樁收錘時總錘擊數超過2000錘。樁基到達貫入擊數較大的老黏土和中粗砂層后，樁尖各種阻力變大，管樁所受拉、壓應力較大，超過了設計允許的應力，可能導致管壁出現開裂。

3.3.3 生產階段

PHC管樁采用先張預應力離心成型工藝，管節長度最長達到了51m，其生產對工藝要求較高。工廠生產工藝流程為：鋼筋切斷、墩頭→鋼筋籠編織→混凝土攪拌→布料→合模→預應力張拉→離心成型→常壓蒸汽養護→拆模及標識→常壓蒸汽養護（或自然養護）→管節拼接。

從PHC管樁整個生產工藝流程分析看，材料的選擇是否恰當是影響管樁質量的一個方面，同時由于存在約束、干縮和溫差等產生的拉應力的作用，也可能出現質量缺陷，導致管樁承受抗拉應力降低的原因，造成開裂，主要反映在以下幾個方面：

（1）從管樁材料選擇角度看，管樁攪拌用的材料中的水泥、骨料、外加劑等的選擇不符合規范要求可能導致裂縫的產生，管樁鋼筋布置設計不合理也可能導致裂縫的產生。

（2）從離心成型機理可以看出，離心成型后的管樁管壁斷面是一種分層結構，由混凝土層、砂漿層和凈漿層組成，因凈漿層的水灰比較大，干縮性大，又處于內表面，很容易產生干縮裂縫，隨著管樁直徑和壁厚的增加，而凈漿層厚度隨之增加，干縮裂縫的深度也會加大，凈漿層存在的這種干縮裂縫在后期吊樁或沉樁過程中，可能會影響到管壁混凝土。

（3）本工程單根樁管節長度為51米，這對模板和離心旋轉生產線的要求甚高，如工藝水平不高，容易在管節離心成型過程中受到抖動，導致離心成型后的管節有微小裂縫產生。

（4）離心成型后，在吊運至養護槽的過程中，可能因受力不均勻或不可避免的微小碰撞等問題導致尚未凝固的混凝土產生輕微變形，從而產生不可恢復的細微裂縫。隨著樁基管徑的增大，這種現象會出現幾何級增長。

（5）溫控措施不滿足溫控標準的要求，入模溫度過高，內表溫差過大，水化熱導致內部最高溫度過高、降溫速率過快等都可能產生裂縫。

3.3.4 吊運過程

PHC管樁生產制作完成后，本工程水平運輸工藝通過2臺龍門吊協同作業多點起吊方式，將管樁出運至塢式布置型式的出運碼頭進行裝船，最后運樁駁船將管樁運至300公里外的碼頭施工現場，裝船疊放存在支墊不合理的可能，同時運輸過程中，可能受到風浪等作用導致駁船晃動后，從而不可避免出現管樁受力不均勻或輕微撓動等問題，可能導致管樁產生細微裂縫。

另外，在管樁施打前的吊樁過程中，各受力點受力不均勻，單個吊點受力過大，或吊運起落過快，且預制管樁長度越長，震動越明顯、變形越大，導致管樁產生細微裂縫。

3.3.5 沉樁施工過程

根據PHC管樁沉樁流程：船拋錨→移船吊樁→移船定位→下樁 →沉樁錘擊→樁位復測。分析沉樁施工中可能產生裂縫的原因如下：

（1）沉樁的裂縫產生機理

本工程采用錘擊法沉樁，其原理是利用樁錘自由下落時的沖擊力錘擊樁頭，其所產生的能量克服土體對樁的側阻力和端阻力，導致樁土之間原有的靜力平衡體系失效，樁體隨之下沉。

在沉樁過程中樁身混凝土會產生壓應力，也會產生一些環向拉力，正是這些環向的拉力使得PHC管樁出現裂縫。如果從樁身上取出一個正方形，當錘擊時正方體的上方受到向下的壓力，正方體的下方產生向上的反力，錘擊貫入度越小，反力越大。當正方形受到上下的夾擊力時，立方體就會向前后左右4個方向膨脹。立方體的里面一側由于殼的原理無法向里突出；立方體的左右兩側受到相鄰立方體的約束，也無法變形；立方體只有向沒有約束的外側膨脹，向外側膨脹意味著周長增加，也就是樁的表面出現拉力應力，混凝土是脆性材料，當混凝土的抗拉強度小于拉力應力時，只能以裂縫的形式滿足它的膨脹，于是出現了初步的表面膨脹，隨著錘擊的繼續，裂縫向里發展，直至貫通，同時裂縫向上下發展。

表1 缺陷管樁修復方案表（共63根）

（2）沉樁過程中的管樁裂縫原因

從錘擊沉樁裂縫產生機理可見，樁身裂縫的產生主要是錘擊過程中樁身應力過大引起的。結合本工程的地質條件可知，地基土上覆土層自上而下主要為：第四系全新統海陸交互相層的淤泥及砂混淤泥，第四系中更新統～下更新統土層的中粗砂、淤泥質黏土、黏土，往下主要為第四系下更新統地層的黏土、中粗砂、粉細砂等。土層總體上呈“上軟下硬”的地質形態。

從沉樁施工紀錄看，本工程樁基施工有些樁盡管錘擊數不多，但樁基到達貫入擊數較大的老黏土和中粗砂層后，樁尖阻力變大，管樁在強大的錘擊壓力作用下，樁尖反射應力波非常大，樁身法向拉應力可能超過了樁身砼抗拉強度，且在泥面以上，管樁缺少了土體的包覆作用，故可能導致管壁出現豎向開裂。

另外管樁施打過程中，若由于樁船本身性能、風浪影響或其他原因，導致樁錘、替打、和樁不在同一軸線上，錘擊力偏心、樁基受力不均勻現象，可能導致管樁裂縫產生。

3.4 采取的應對措施

3.4.1 預防措施

根據以上的裂縫成因分析研究，為減少管樁施工出現裂縫的問題，對剩余部分沉樁，從設計、生產、吊運、沉樁施工等方面著手，采取預防性應對措施：

（1）樁端標高已達設計標高的情況下，最后10擊平均貫入度由≤5mm調整為≤8mm即可以收錘，錘擊數超過1500擊后，最后10擊平均貫入度≤10mm即可以收錘；

（2）調整設計樁尖長度，原樁尖長度1米，調整后樁尖長度2米；

（3）對管樁生產過程加強監造力度，包括原材料抽檢、砼強度檢驗、第三方管樁抗彎性能試驗檢測等；

（4）與管樁生產廠家進行積極溝通，對后期生產的管樁進行了箍筋加密，箍筋間距由80mm加密至60mm；

（5）管樁運輸過程中使用的墊木全部采用全新的墊木，管樁堆放層數控制在2層以內；

（6）管樁入場后首先要進行質量檢驗，管樁進場后采用在管樁表面噴水的方法對管樁是否存在裂縫隱患進行檢查；

（7）要對管樁的出廠合格證書和一系列的檢測報告進行檢查，還要對管樁的具體尺寸進行檢測，如果不符合要求不允許施工；

（8）打樁船進行更換，采用船舶、船員等各方面綜合性能更好的打樁船進行沉樁施工；

（9）雇有經驗的打樁船長駐船進行指導，對替打材料和樁墊材料進行優化組合，替打材料采用鋼絲繩和木板組合，樁墊材料采用麻繩和紙墊組合。

3.4.2 修復措施

對于已出現裂紋的樁，修復方案根據縱橫向裂縫的寬度、長度和所處位置不同，以及樁身局部破損、漏筋情況不同，并結合樁基受力狀況，分類進行處理，以滿足樁基安全性和耐久性要求。為安全起見，對裂縫較大樁基（W＞3mm）考慮替代方案（詳見表1）。

4.結論

本文簡述了我國沿海高樁碼頭PHC樁應用及裂縫檢測與評估現狀，分析研究了PHC樁裂縫成因，并提出了應對措施。主要結合實際的工程案例來進行分析，在分析研究的基礎上提出預防應對措施，并對于已出現裂紋的樁提出修復方案，較好地解決了案例中的工程建設任務，具有借鑒意義。

當然，本文在按實例的工程條件進行分析的結論存在一定的局限性，工程研究人員可擴大調查研究及進行統計分析，加強對沿海高樁碼頭PHC樁裂損的研究總結，從而促進我國高樁碼頭施工技術的不斷進步。