預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁（大直徑PHC樁）的施工技術(shù)探討

蘇火金

（福建省五洲建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362400）

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁（大直徑PHC樁），具有單樁承載力高、樁身質(zhì)量好、工程造價(jià)低的特點(diǎn)，因其出色的承載能力、穩(wěn)定的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性而備受矚目[1]。但預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁施工過(guò)程中，常存在沉樁困難、達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高、偏移或傾斜過(guò)大、達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高或深度但樁的承載能力不足等問(wèn)題，極大地限制了大直徑PHC樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用[2]。因此，本文將介紹一種新型的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁（大直徑PHC樁）的施工工法，并通過(guò)試驗(yàn)樁進(jìn)行載荷測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了大直徑PHC樁的施工建議。

1 大直徑PHC樁施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

安裝大直徑PHC樁通常采用兩種方法：重物沖擊法和頂升反應(yīng)法。

（1）重物沖擊法。使用重物沖擊安裝時(shí)，錘頭的動(dòng)能和樁錘接觸行為可能引發(fā)復(fù)雜的應(yīng)力波響應(yīng)，有損混凝土樁的完整性，當(dāng)遇到障礙物或堅(jiān)硬地層時(shí)，產(chǎn)生的大壓應(yīng)力可能導(dǎo)致樁底部破損；長(zhǎng)時(shí)間沖擊則可能導(dǎo)致疲勞破壞。

（2）頂升法安裝。相比重物沖擊法，頂升法操作異常安靜且無(wú)振動(dòng)，在安裝過(guò)程中通過(guò)液壓系統(tǒng)施加荷載來(lái)完成樁基的成型。但頂升法僅適用于微型樁。需要通過(guò)結(jié)構(gòu)為其提供反作用力，以避免對(duì)樁施加大壓應(yīng)力。

為了提升大直徑PHC樁尤其是大直徑（D≥800mm）PHC在堅(jiān)硬地層中的應(yīng)用，并提高它們的潛在承載能力，本文提出了一種新型樁施工工法——混合揭示預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，該工法采用一種新興的混合打樁系統(tǒng)，具備精密反饋回路，可以有效解決大直徑PHC樁目前應(yīng)用中存在的受限問(wèn)題。

2 混合揭示預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 工藝原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1.1 工藝原理

混合揭示預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“混合樁”）是一種新型的樁基工法。其核心是將傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（大直徑PHC樁）技術(shù)與現(xiàn)代化的打樁系統(tǒng)相結(jié)合[]。在此工法中，大直徑PHC樁被精確地驅(qū)動(dòng)進(jìn)入地層，同時(shí)利用一個(gè)精密反饋回路系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控和調(diào)整打樁過(guò)程。這種反饋機(jī)制能夠根據(jù)地層的硬度、樁的下沉速度和角度等參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整打樁力度和方向，從而確保樁的正確安置和最優(yōu)性能。

以下是此工藝的詳細(xì)步驟：

（1）準(zhǔn)備階段：選擇合適的鋼筋或鋼絲繩，以及混凝土原材料。

（2）模具設(shè)置：根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)格和尺寸安置模具。

（3）鋼筋/鋼絲繩布置：將鋼筋或鋼絲繩平均分布在模具中。

（4）混凝土注入：在模具中倒入混凝土，確保其均勻分布。

（5）施加預(yù)應(yīng)力：在混凝土凝固之前，通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備對(duì)鋼筋或鋼絲繩施加張力。

（6）養(yǎng)護(hù)和脫模：待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和脫模。

2.1.2 工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

混合揭示預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工藝與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

通過(guò)上述表格，可以清楚地看出混合樁工法在提高PHC樁施工精度和適應(yīng)性方面的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也指出了其成本和技術(shù)要求方面的挑戰(zhàn)。

2.1 打樁設(shè)備組成

打樁設(shè)備的混合驅(qū)動(dòng)裝置由動(dòng)力頭、振動(dòng)激振器和樁夾組成，其中動(dòng)力頭和振動(dòng)激振器分別通過(guò)可調(diào)缸和彈性彈簧與土壤箱相連，液壓動(dòng)力頭的軸可以輸出高達(dá)80kN·m 的鉆進(jìn)力矩，振動(dòng)激振器有2 個(gè)對(duì)稱(chēng)的離心質(zhì)塊，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2 施工工藝流程及要點(diǎn)控制

大直徑PHC樁施工順序如圖1所示。

圖1 大直徑PHC樁施工流程

2.2.1 施工準(zhǔn)備階段

如圖1（a）所示，鉆桿被插入振動(dòng)激振器和土壤箱的中央孔中，然后螺栓固定到動(dòng)力頭的軸上，待安裝的大直徑PHC樁豎立起來(lái)，鉆桿穿過(guò)其內(nèi)芯，并使振動(dòng)激振器夾住樁頭，土壤箱和動(dòng)力頭之間的可調(diào)缸可以伸縮，以適應(yīng)樁和鉆桿之間的長(zhǎng)度差的波動(dòng)。設(shè)備的垂直性和穩(wěn)定性也是準(zhǔn)備階段需要考慮的關(guān)鍵因素，背撐（即兩個(gè)撐桿）可以調(diào)整到前傾或后傾5°，側(cè)向傾斜3°，以保持精確和穩(wěn)定的垂直鉆進(jìn)。樁夾的水平度可以通過(guò)3個(gè)缸仔細(xì)調(diào)整，以保證待安裝樁的垂直度。

2.2.2 鉆進(jìn)施工階段

絞盤(pán)被廣泛應(yīng)用于大直徑PHC樁的施工裝備中，用于控制支架的前傾、吊裝重物的起升、吊籃的移動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)裝置的操作。在鉆進(jìn)階段，如圖1（b）所示，動(dòng)力頭軸正轉(zhuǎn)（即鉆進(jìn)未攪拌的地層）導(dǎo)致與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的摩擦，產(chǎn)生一種切削阻力，從而自動(dòng)打開(kāi)擴(kuò)孔鉆翼。現(xiàn)場(chǎng)土壤沿著鉆桿和管樁內(nèi)壁之間的螺旋空間被挖出，并排放到一個(gè)土壤箱中，箱子的開(kāi)口面對(duì)著一輛卡車(chē)，以便土壤的收集和運(yùn)輸，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆桿的力矩和向下速度，可以現(xiàn)場(chǎng)推斷地層的密度和剛度等地質(zhì)特征，有助于工程人員更好地了解地質(zhì)情況，這一施工過(guò)程的高效性和精確性，使其成為處理地層挖掘和管樁安裝的理想方法。同時(shí)，通過(guò)絞盤(pán)等設(shè)備的應(yīng)用，施工過(guò)程更加安全和可控，確保了工程的順利進(jìn)行。

通常情況下，樁可以自發(fā)地沉入鉆好的孔中，因?yàn)闃兜耐鈴铰孕∮阢@孔的外徑，而樁的重力足夠大，能夠克服分布在樁周的潛在向上摩擦力。如果在打樁過(guò)程中遇到意外情況，傳感器可以監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)的鉆進(jìn)力矩明顯增加。當(dāng)力矩達(dá)到臨界值（即40kN·m）時(shí)，正反饋回路將被激活，以持續(xù)調(diào)整振動(dòng)激振器的電機(jī)流量，直到其輸出的垂直向下力的頻率和振幅足以克服穩(wěn)定的鉆進(jìn)力矩所帶來(lái)的摩擦。相反，如果樁過(guò)快地沉入鉆好的孔中（即鉆進(jìn)條件較容易），則彈簧在振動(dòng)激振器和土壤箱之間的自動(dòng)測(cè)量彈性伸長(zhǎng)被傳

遞到有效命令，以通過(guò)夾具加強(qiáng)樁的約束。因此，動(dòng)力頭和振動(dòng)激振器之間、鉆桿和樁之間的相對(duì)位移可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)進(jìn)行控制。

2.2.3 大直徑PHC樁的安裝

當(dāng)樁頭距離地面約1～1.5m，停止打樁操作，如圖1（c）所示。此時(shí)將連接在樁頭的鉆桿—?jiǎng)恿︻^和樁頭—振動(dòng)激振器拆卸下來(lái)，然后將新的樁與已安裝的樁通過(guò)焊接或機(jī)械連接在一起，直到樁達(dá)到設(shè)計(jì)的穿透深度，通過(guò)位于鉆桿和擴(kuò)孔鉆的中心孔中的管道，將混凝土泵入樁芯中進(jìn)行密封，如圖1（d）所示。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)將混凝土灌注到大直徑PHC樁內(nèi)部的管道，大直徑PHC樁與鉆孔之間的任何間隙都會(huì)被壓漿填充，以增強(qiáng)樁混凝土與周?chē)貙又g的粘結(jié)強(qiáng)度，確保樁的牢固性和穩(wěn)定性。當(dāng)自頂向下拆卸鉆桿時(shí)，由于受到大直徑PHC樁內(nèi)壁的約束，擴(kuò)孔鉆翼會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。該設(shè)備能夠在不同類(lèi)型的土壤和巖石中以10m/h 和4m/h 的速度迅速安裝大直徑PHC樁，而且可以安裝深達(dá)50m的大直徑PHC樁，這種施工方法可極大地提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)效率，確保施工質(zhì)量和工程的穩(wěn)定性[4]。

3 大直徑PHC樁施工工法的應(yīng)用試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)概況

案例工程項(xiàng)目占地面積3662.08m2，總建筑面積25351.32m2，建筑高度35.9m。為了驗(yàn)證大直徑PHC 樁的施工設(shè)備在堅(jiān)硬地層中的應(yīng)用性能，使用標(biāo)準(zhǔn)靜載荷測(cè)試程序?qū)?根直徑D=1000mm、壁厚130mm的大直徑PHC樁（樁1和樁2）進(jìn)行了安裝和測(cè)試。表2列出了打樁施工前從2根試樁旁邊的勘探孔樣本中獲得的現(xiàn)場(chǎng)地層剖面和相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)。2根樁在穿越破碎花崗巖到明顯風(fēng)化花崗巖表面的穿透深度分別為15.55m（樁1）和15.04m（樁2）。2根樁的灌漿壓力均為2.0MPa，擴(kuò)孔鉆的直徑為1020mm，這表明理論上鉆孔和樁之間的待灌漿縫隙寬度為10mm。

表2 土壤材料特性

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試樁的荷載-沉降（即Q-s曲線）關(guān)系如圖2所示。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定，樁1和樁2分別對(duì)應(yīng)于韌性和脆性破壞模式，其極限承載力分別為Q1=20500kN和Q2=15100kN。這比傳統(tǒng)的打樁或頂樁技術(shù)以及鉆孔灌注樁的承載力要高效。高應(yīng)變率測(cè)試確定了樁1和樁2的極限荷載中由樁身阻力承擔(dān)的比例分別為79.2%和69.4%。

圖2 試樁荷載-沉降關(guān)系圖

為了找出測(cè)試樁的極限承載能力差異的原因，進(jìn)行了系統(tǒng)比較。首先，移除了樁頭周?chē)牡貙樱ㄉ疃燃s2m）進(jìn)行觀察，如圖3所示。孔與樁之間灌漿縫隙的實(shí)際寬度為8～17mm，樁1外表面覆蓋的水泥層略厚且具有較大的表面形態(tài)梯度，而樁2的水泥層較薄，表面形態(tài)梯度較小（即樁1的灌漿質(zhì)量更好）。通過(guò)進(jìn)一步的勘探孔，發(fā)現(xiàn)2根測(cè)試樁的影響范圍，即對(duì)應(yīng)于模量約95%恢復(fù)的距離（如圖4所示），大約是樁直徑的2倍。然而，2個(gè)測(cè)試樁沿樁邊緊密的土壤的平均彈性模量差異很大，樁1的平均彈性模量（31.97MPa）小于樁2（149.51MPa）。正如圖2所示，2個(gè)測(cè)試樁的卸荷路徑相符，它們之間的端部承載性能沒(méi)有明顯差異，這與高應(yīng)變率測(cè)試的結(jié)果一致（樁1和樁2分別為4267kN和4633kN）。通常情況下，使用傳統(tǒng)技術(shù)安裝的樁的承載能力與周?chē)貙拥哪Ａ亢蛷?qiáng)度呈正相關(guān)，這與大直徑PHC 樁的試驗(yàn)結(jié)果相反。這是因?yàn)檐浫醯你@孔有利于滲透灌漿和破裂灌漿，以實(shí)現(xiàn)較粗糙的樁-土壤界面，而模量降低引起的緩沖效應(yīng)可以產(chǎn)生更均勻的應(yīng)力分布。另一方面，如果灌漿質(zhì)量可以提供足夠的樁-土壤粘附效果，使破壞發(fā)生在樁周?chē)牡貙觾?nèi)，那么在堅(jiān)硬地層中安裝的樁基應(yīng)該表現(xiàn)更好。因此，灌漿接觸面的性質(zhì)和周?chē)貙拥哪Ａ拷档同F(xiàn)象都對(duì)大直徑PHC樁的承載能力有顯著影響[5]。

圖3 清除周?chē)寥篮蟮臉额^情況

圖4 地層的平均彈性模量與安裝后測(cè)試樁中心距離的關(guān)系

4 大直徑PHC樁的施工建議

試驗(yàn)測(cè)試樁的比較結(jié)果表明，灌漿質(zhì)量與地層彈性模量之間的相互作用對(duì)PHC樁的承載力具有顯著影響。具體而言，灌漿質(zhì)量的提高有助于增強(qiáng)承載力，但當(dāng)界面強(qiáng)度達(dá)到一定水平后，承載力趨于一個(gè)漸進(jìn)值。

在分析界面強(qiáng)度不變的情況下，發(fā)現(xiàn)軸阻力并非總是隨地層彈性模量的增加而增加。特別是在軟鉆孔環(huán)境中，界面強(qiáng)度相對(duì)較低，有利于應(yīng)力從地層內(nèi)部界面處擴(kuò)散。然而，實(shí)際操作中，彈性模量降低不大的鉆孔通常會(huì)導(dǎo)致樁土間隙變得更緊湊和堅(jiān)硬，進(jìn)而影響灌漿質(zhì)量。

鑒于上述觀察，本文提出以下建議以優(yōu)化大直徑PHC樁的施工效果：

（1）施工前，應(yīng)對(duì)灌漿界面的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。這種測(cè)試應(yīng)聚焦于確定樁周?chē)貙拥钠骄鶑椥阅Ａ浚约芭c之相對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱界面強(qiáng)度。建議的無(wú)量綱界面強(qiáng)度法向值應(yīng)大于0.02，這有助于確保灌漿質(zhì)量與地層間有效的力學(xué)交互。

（2）在灌漿界面的抗剪強(qiáng)度受到材料特性限制的情況下，如果無(wú)量綱界面強(qiáng)度低于0.01，則應(yīng)采用特定措施。這些措施包括引導(dǎo)輔助孔等方法，旨在降低周?chē)貙拥膹椥阅Ａ浚源藖?lái)發(fā)揮緩沖作用。通過(guò)這種方法，可以在維持較高的灌漿質(zhì)量的同時(shí)，減輕地層彈性模量對(duì)PHC樁承載力的負(fù)面影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型的混合鉆孔樁系統(tǒng)，包括施工設(shè)備組成和施工工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)兩根試驗(yàn)樁進(jìn)行了載荷測(cè)試，樁安裝深度約為15m，置于風(fēng)化花崗巖中，以驗(yàn)證大直徑PHC 樁在堅(jiān)硬地層中的適用性和改進(jìn)的承載能力。與通過(guò)自重將大直徑PHC 樁打入地下不同，這種新的系統(tǒng)允許大直徑PHC樁與混合鉆孔同時(shí)下降，并充當(dāng)套管材料。該設(shè)備中設(shè)計(jì)的反饋回路有效地將實(shí)時(shí)打樁狀態(tài)的測(cè)量施工參數(shù)自動(dòng)傳遞給啟動(dòng)或停止執(zhí)行器的命令，使系統(tǒng)能夠及時(shí)適應(yīng)地質(zhì)條件的波動(dòng)，保證安裝平穩(wěn)和穩(wěn)定。本文所提出的混合技術(shù)極大地提高了大直徑PHC樁對(duì)各種地質(zhì)條件的可行性和適應(yīng)性。