PDA在熱帶濱海地帶大長細(xì)PHC樁基施工中的應(yīng)用探討

牛濤

摘 要：PDA檢測是目前已知對PHC樁基完整性檢測與單樁極限承載力檢測應(yīng)用最廣泛最普遍的技術(shù)。PDA全程監(jiān)測可在沉樁過程中，監(jiān)測不同落距下的有效能量對樁身產(chǎn)生的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、沉降量、樁身完整性、單樁承載力等重要參數(shù)并記錄，以此作為對希利經(jīng)驗公式校對修正的重要依據(jù)。PDA成樁檢測可驗證樁身完整性與單樁極限承載力，并可配合全程監(jiān)測提高休止期間內(nèi)樁身完整性及承載力。基于此，以實際工程為依托，對PHC打入樁施工進(jìn)行PDA全程監(jiān)測與成樁檢測，通過相關(guān)特征值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，在驗證PHC樁身完整性與單樁極限承載力的同時總結(jié)經(jīng)驗，以對以后的實際施工工作起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：壓應(yīng)力；拉應(yīng)力；沉降量；樁身完整性；單樁極限承載力

中圖分類號：TU45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）11-0084-03

0 引言

某工程位于馬來西亞濱海地帶，工程勘探揭示的地質(zhì)表明橋梁所在地存在大量不規(guī)則軟硬夾層，80 m范圍內(nèi)未見基巖。PHC管樁樁身強(qiáng)度高，穿透力強(qiáng)，在足夠的壓力下，可穿越較厚的軟硬夾層、砂質(zhì)土層等復(fù)雜地質(zhì)，可適用于馬來西亞濱海地帶的地質(zhì)[1]。

PHC樁基直徑為600 mm，壁厚為10 cm，樁身設(shè)20根Ф9 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋，樁身混凝土強(qiáng)度為C80，此種C等級的樁身設(shè)計有效預(yù)壓應(yīng)力為7 N/mm?（MPa），樁身允許最大壓應(yīng)力為55 MPa。每標(biāo)準(zhǔn)節(jié)樁長分為6 m、9 m和12 m，通過樁端的預(yù)埋鋼板焊接接長，平均施工樁長40～60 m不等。樁靴分為帶鋼棒的破巖樁靴和鋼板焊接而成的十字樁靴兩種，根據(jù)地質(zhì)情況由設(shè)計選用。

1 檢測前準(zhǔn)備

1.1 希利動力打樁公式計算錘頭落距

希利（Hiley）公式是國際上常用的動力打樁公式，一般可以通過公式（1）（2）計算。

式中：Ru為樁的貫入阻力（kN），以極限承載力代入；Wh為液壓錘質(zhì)量；h為錘的有效落距（cm）；f為錘擊效率，無量綱；s為終錘時的貫入度（mm/擊）；c為錘擊時，樁土體系總的彈性變形（cm），根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取值取1.27cm；H為錘的實際落距（cm）；ε為錘擊下落時的能量折減系數(shù)，取0.8；N為恢復(fù)系數(shù)；一般介于0.25～0.4，取0.4。

根據(jù)以上希利公式計算出的實際落距，在終錘過程中產(chǎn)生的樁身極限承載力，滿足設(shè)計要求的工作荷載的2倍。通過已完樁基的PDA檢測發(fā)現(xiàn)，按照希利公式計算的落錘高度，產(chǎn)生的極限承載力通常為工作載荷的2.2～2.5倍，冗余合適，滿足要求。

1.2 設(shè)備調(diào)試

大應(yīng)變PDA檢測是通過加裝在樁身上的傳感器，采集應(yīng)力波速、力值和時程曲線進(jìn)行研判分析。因此，傳感器在PHC樁身的安裝必須平整牢固，安裝完成后在數(shù)據(jù)采集之前需進(jìn)行儀器自校，以保證檢測儀器工作正常[2]。

2 全程監(jiān)測結(jié)果分析

本工程車站范圍內(nèi)PHC樁基在打樁過程中易出現(xiàn)樁身損傷、樁身傾斜、不能停錘等現(xiàn)象，隨即抽取正在施工中的P1-21、P1-23兩根樁基進(jìn)行了大應(yīng)變PDA全程監(jiān)測。監(jiān)測在打樁時，中樁身內(nèi)部出現(xiàn)的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、單錘沉降量以及對應(yīng)的單樁極限承載力與樁身完整性等特征值，進(jìn)而分析查找產(chǎn)生問題的原因，檢測的結(jié)果（部分）如表1所示。

表1顯示，當(dāng)樁基正常打入至40.8 m開始，每600 mm的落錘高度對樁身產(chǎn)生的壓應(yīng)力在27.9 MPa左右，且沒有產(chǎn)生過大的突變，仍然滿足55 MPa以內(nèi)的極限要求。但此時樁身內(nèi)部的拉應(yīng)力由3.3 MPa突然增大至4.6 MPa，且單錘貫入度由之前的24 mm增大至35 mm以上。后保持錘頭落距不變，繼續(xù)沉樁至41.7 m，樁身拉應(yīng)力超出5.1 MPa，但此時樁身完整性檢測仍為100%。繼續(xù)沉樁至43.2 m時，樁身完整性開始下降至90%，至此期間按照600 mm的落距打了77錘。繼續(xù)沉樁至47.4 m時，此時樁身應(yīng)力突然增大至5.4 MPa，樁身完整性也直線下降至14%，單錘沉降量也增大至48 mm。此后繼續(xù)沉樁，樁身內(nèi)的拉應(yīng)力一直維持在較高水平，終錘時樁身完整性僅為50%，表明樁身出現(xiàn)斷裂。在距樁底35.5 m位置處，入射波形與反射波形出現(xiàn)突然凸起分離，分離越多，表明樁身完整性缺陷越嚴(yán)重，表1中數(shù)據(jù)也顯示樁身此時最大的拉應(yīng)力為5.4 MPa。

P1-23 PHC樁基PDA全程監(jiān)測數(shù)據(jù)（部分）記錄表如表2所示。從表2可知沉樁時錘頭落距維持在500 mm時，單錘貫入度平均維持在15 mm以內(nèi)甚至更小，此時樁身最大壓應(yīng)力在21 MPa以內(nèi)，最大拉應(yīng)力在3 MPa以內(nèi)，樁身完整性100%。隨著沉樁深度至46.5 m時，單錘貫入度在5 mm左右。加大錘頭落距至550 mm時，單錘貫入度沒有變化，樁身的最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力也一直維持在允許范圍值中較安全的范圍內(nèi)并保持穩(wěn)定。

3 成樁檢測結(jié)果分析

另選一根樁基P2-25進(jìn)行全程監(jiān)測時，監(jiān)測結(jié)果與P1-21類似，打樁過程中樁身最大拉應(yīng)力超過了5 MPa，繼續(xù)沉樁至終錘時，樁身出現(xiàn)損傷，完整性下降為70%，但單樁極限承載力為250 t，滿足設(shè)計200 t要求。第二天對該樁進(jìn)行PDA檢測，檢測結(jié)果如表3、表4所示。

檢測結(jié)果顯示樁身完整性為80%，單樁極限承載力為300 t，休止期內(nèi)土體重新固結(jié)，樁身完整性有所提高，同時樁基的單樁極限承載力也得到了提高，檢測結(jié)果與全程監(jiān)測結(jié)果理論相符。

PDA監(jiān)測結(jié)果表明，引起PHC打入樁樁身完成性破環(huán)的根本原因在于樁身拉應(yīng)力過大。通過PHC樁基的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用的實際地質(zhì)情況以及施工過程來進(jìn)行分析，引起樁身拉應(yīng)力過大的因素主要包括以下3個方面。

一是樁身垂直度控制不到位。由于直徑600 mm的管樁施工樁長普遍在40 m以上，長細(xì)比較大，打入樁施工垂直度超標(biāo)極易引起應(yīng)力集中造成樁身破環(huán)，影響成樁質(zhì)量。馬來西亞濱海地帶存在大量不規(guī)則的軟硬夾層或是孤石，同樣易造成樁身垂直度偏差過大，沉樁時易使樁身應(yīng)力集中拉應(yīng)力過大，進(jìn)而加大樁身損壞的風(fēng)險。

二是地質(zhì)條件差，存在不規(guī)則軟硬夾層。對1號橋的橋梁地質(zhì)勘探孔的勘探資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在有效設(shè)計樁長0～50 m范圍內(nèi)，存在有不規(guī)則的軟硬夾層，馬來西亞東海岸鐵路位于濱海地帶，存在此種大量不規(guī)則的軟硬夾層[3]。

三是沉樁過程中錘頭落距控制不合理。以上監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)樁身壓應(yīng)力在允許范圍內(nèi)時，錘擊能量大，且貫入度也較大時，樁身的極限承載力較低，樁身易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，保持較大的錘擊能量繼續(xù)沉樁易使樁身缺陷擴(kuò)大，甚至斷樁。沉樁時錘頭落距控制不合理，使樁身內(nèi)產(chǎn)生過大拉應(yīng)力，是造成樁身破壞的又一主要因素，因此在過程中合理控制錘頭落距是確保成樁質(zhì)量的關(guān)鍵[4]。

4 結(jié)束語

采用希利打樁公式下計算得出的落錘距離，在樁身垂直的正常施工情況下，樁身內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力值一般都在允許范圍之內(nèi)，落錘距離的變化產(chǎn)生的壓應(yīng)力對樁身沒有太大的影響。而當(dāng)單錘貫入度越大時，沉樁時樁身內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力一般也會越大，反之亦然。

對于樁身強(qiáng)度C80，樁身直徑600 mm的C級管樁，樁身設(shè)計有效預(yù)壓應(yīng)力為7 N/mm?。但根據(jù)全程檢測結(jié)果分析，當(dāng)沉樁過程中樁身最大拉應(yīng)力超過5 MPa時，樁身有可能出現(xiàn)應(yīng)力損傷，進(jìn)而引起樁身裂縫等缺陷。因為樁身有效預(yù)壓應(yīng)力與樁身極限拉應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系，在施工過程中利用PDA全程監(jiān)測進(jìn)行驗證并指導(dǎo)施工則顯得尤為重要。

馬來西亞濱海地帶存在大量不規(guī)則的軟硬夾層或是孤石，易造成樁身垂直度偏差過大。因此在沉樁過程中要輔以高精度水平尺、定位樁、線錘等工具，實時監(jiān)測樁身垂直度。

軟硬夾層的地質(zhì)常會造成在沉樁過程中貫入度突變，在成樁過程中如遇單錘貫入度較大時，要減小錘頭落距，輕錘低擊，減小樁身內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止出現(xiàn)因錘擊能量大、貫入度大、樁身內(nèi)拉應(yīng)力大進(jìn)而引起樁身裂縫甚至破壞的現(xiàn)象。

在正常錘頭落距下，單錘貫入度較小時，在滿足終錘條件的情況下要按照規(guī)范及時終錘，防止因錘擊次數(shù)過多（一般40 m長樁基總錘擊數(shù)不應(yīng)超過3 000錘）引起樁身疲勞破壞，或因樁身貫入度過小引起反彈時樁身拉應(yīng)力增大，導(dǎo)致樁身出現(xiàn)裂縫等，影響成樁質(zhì)量。

樁基沉樁完成休止期內(nèi)，隨著土體的重塑固結(jié)，單樁極限承載力會隨之提高。不同的地質(zhì)休止期其值會有所不同。在相對密實的砂土層中，在第二天承載力就會有一個大幅度的提升，7 d內(nèi)基本穩(wěn)定，在黏土層中一般會在14 d穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣志軍，王建中.高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁靜載試驗與高應(yīng)變試驗的對比[J].四川建筑，2008，28（3）：77-78+81.

[2] 郭生浦，梁濤，劉永翔，等.高應(yīng)變動力試樁法檢測預(yù)應(yīng)力管樁的完整性[J].物探與化探，1998，22（3）：234-235+233.

[3] 杜聿麟，林育軍，梁培新.高應(yīng)變動力試樁法對端承管樁檢測的分析研究[J].物探與化探，2002（6）：483-487.

[4] 于曉東，高應(yīng)變動力檢測技術(shù)在大直徑鉆孔灌注樁中的應(yīng)用實例分析[J].工程技術(shù)研究，2022，7（18）：35-37.