拼接混凝土方樁斷樁原因淺析及對策

陳萌松

摘 要 超長預(yù)應(yīng)力混凝土方樁拼接沉樁常出現(xiàn)斷樁，往往由多種因素疊加引起。本文分析了其形成的各種主要原因，以及如何采取一系列技術(shù)措施，有效降低斷樁率，使得該工程順利實(shí)施。

關(guān)鍵詞 高樁碼頭；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方樁拼接；斷樁；技術(shù)措施

中圖分類號 U443.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2009）04-0056-02

近年來，超長預(yù)應(yīng)力混凝土方樁在閩江下游沿岸及福建沿海碼頭工程中常有采用，一些因造價原因而選擇中小型打樁船的工程，由于受打樁船樁架高度和起吊能力的限制，將超長樁分節(jié)施打。因而，沉樁過程中，斷樁的情況時有發(fā)生。連江琯頭3 000 噸級雜貨碼頭工程的沉樁就是一例。

1 工程概述

連江琯頭3 000 噸級雜貨碼頭工程地處閩江出海口，2007 年9 月開工，預(yù)計09 年8 月完工。該工程為三千噸級泊位2 個，高樁梁板式結(jié)構(gòu)。上下游泊位總長268m，碼頭平臺寬22m，碼頭與陸地采用2 座分別為長220m、寬9m 和長250m、寬8m 的棧橋連接。基樁除棧橋近岸部分采用灌注樁外，其余均為預(yù)應(yīng)力砼方樁。方樁共計452 根，斷面600×600（mm），砼標(biāo)號C50，空心Φ300mm。其中雙節(jié)樁共258根，樁長43m ～ 70m；樁長超過60m 的共143 根。下游泊位平臺均為雙節(jié)樁，由下游向上游，樁長逐漸增加。該泊位的中、上游段樁長均超過60m。

棧橋斜樁斜率為6：1，碼頭平臺斜樁斜率為4：1。

2 工程地質(zhì)條件

工程所在位置地質(zhì)水平層理清晰： 表層為細(xì)砂，厚度1.5m ～ 4.8m； 其下為淤泥、淤泥質(zhì)土， 層厚19.6m ～ 51.5m； 再下為持力層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（ 層厚0.7m ～ 7.7m）和中～微風(fēng)化花崗巖。上游泊位平臺區(qū)的淤泥、淤泥質(zhì)土層中有粉砂、中砂夾層： 稍密到中密，層厚1.6m ～ 7.0m，層頂埋深為13.1m ～ 42.6m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測擊數(shù)N ＝ 13 ～ 26（擊）。

3 沉樁及出現(xiàn)斷樁情況

沉樁選用“閩樁2”打樁船，架高42 米，配D80 柴油錘。雙節(jié)樁的上下節(jié)樁在預(yù)制廠經(jīng)預(yù)先拼接并對應(yīng)編號。沉放下節(jié)樁時，樁頂標(biāo)高一般控制在作業(yè)水位上0.5m～ 2m拼接上節(jié)樁。上下節(jié)樁對接時檢查接合面的嚴(yán)密和樁軸線的重合。拼接接縫用電焊焊接，由兩臺焊機(jī)同時作業(yè)，一般在2h 內(nèi)完成。焊接完成后自然冷卻20min 以上再施打。

下游泊位僅下游端部有27 根雙節(jié)樁，樁長小于48m，未出現(xiàn)斷樁。上游棧橋均為雙節(jié)樁，其中23 根樁長超過62m，最長樁77m，未出現(xiàn)斷樁。

沉樁順序從下游泊位向上游泊位，到上游泊位平臺，樁長逐漸增加，超過62m 后，斷樁現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，共出現(xiàn)11 根斷樁，樁長62m ～ 68m。其中5 根斷口或在入水前，或?qū)鄻渡喜康蹼x水面，可見斷口情形。

經(jīng)查看斷樁斷口，樁斷裂位置均處于接頭處上節(jié)樁樁帽上50cm 范圍內(nèi)，斷口呈約45o 斜面。

4 導(dǎo)致斷樁的幾種因素

沉樁結(jié)果表明，樁接頭的連接焊縫未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明焊接質(zhì)量能滿足施打要求。分析認(rèn)為，斷樁主要由以下幾個因素造成：

1) 樁長超長

普通預(yù)應(yīng)力砼方樁樁長一般在60m 以下，拼接后整樁樁長超過60m 應(yīng)屬超長樁。本工程發(fā)生斷裂的11 根樁，其焊接后總長度62m ～ 68m，均屬超長樁，長細(xì)比高達(dá)103 以上。下游泊位以及上游泊位樁長小于60m 的拼接樁，均未出現(xiàn)斷樁，可見，樁的超長是導(dǎo)致斷樁的一個重要原因。由于超長預(yù)應(yīng)力砼方樁在沉樁過程的自由長

度相對較長，斷樁的風(fēng)險就較高，這從另一側(cè)面說明樁身的自由長度較大是導(dǎo)致斷樁的一個重要原因。

2）樁的結(jié)構(gòu)因素

本工程的雙節(jié)拼接樁，上節(jié)樁除樁頂2.4m 長為實(shí)心段，其余為空心段，下節(jié)樁樁尖2m 及樁頂2.4m 為實(shí)心段，中間為空心段；上下節(jié)樁焊接完成后，樁身中部出現(xiàn)2.4m 長的實(shí)心段，其上下均為空心段，在錘擊過程中，由于實(shí)心段的存在而出現(xiàn)較空心段不協(xié)調(diào)的縱、橫向振動頻率及振幅。同時，樁身中部存在變截面，易在變截面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，如有其它不利因素疊加作用，該處薄弱部位砼將最先碎裂破壞導(dǎo)致斷樁。由于樁身在拼接區(qū)因接頭的存在而導(dǎo)致剛度的變化，使斜樁產(chǎn)生的撓度以及在錘擊過程振動產(chǎn)生的撓度曲線的不協(xié)調(diào)，也易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致砼碎裂而斷樁。

可見的5 根斷樁斷口位置均處于接頭處上節(jié)樁接頭鋼側(cè)板上50cm 范圍內(nèi)，即樁身變截面的空心段處（見圖1），說明變截面的存在也是導(dǎo)致斷樁的一個原因。

3）地質(zhì)因素

上游棧橋區(qū)超過62m 的樁有23 根，最長樁77m，未出現(xiàn)斷樁。該區(qū)域淤泥、淤泥質(zhì)土層中沒有較硬的夾層，貫入度變化比較均勻，基本上沒有出現(xiàn)起伏，最后貫入度均達(dá)到設(shè)計要求。

出現(xiàn)斷樁的上游平臺區(qū)域，淤泥、淤泥質(zhì)土層中普遍存在粉砂或中砂夾層。沉樁過程，自沉入土約15m 后開始錘擊，貫入度均經(jīng)歷由大到小，再由小到大的過程。貫入度曲線表明，樁尖進(jìn)入并穿透砂夾層，貫入度呈明顯減小增大的過程，到達(dá)設(shè)計持力層前再出現(xiàn)貫入度逐漸減小的過程。斷裂的樁在樁尖穿過砂夾層后出現(xiàn)斷裂。已有研究表明，貫入度較大的軟土層中存在較硬夾層，當(dāng)錘擊時形成樁側(cè)有摩阻力支持樁尖在軟土層而“架空”的狀態(tài)，將產(chǎn)生較大的反射拉應(yīng)力波，并往往伴隨出現(xiàn)最大拉應(yīng)力區(qū)間的橫向開裂，實(shí)際開裂的地方常常是斷面變化的地方。

4）樁的預(yù)制環(huán)節(jié)

沉樁過程，樁的標(biāo)尺面有朝前面，也有朝側(cè)面，從可見的5 根斷樁斷口看，樁斷裂起始面均在畫有標(biāo)尺面（該面預(yù)制時朝上）。

通過斷樁斷口觀察分析，斷口處均存在不同程度的空腔偏心。樁斷面兩側(cè)砼壁厚相差4cm ～ 6cm，且沿樁軸線，偏心程度有明顯變化。據(jù)分析，造成此現(xiàn)象的原因是因?yàn)轭A(yù)制時，充氣膠囊出口段沒有采取措施予以支墊而下垂，導(dǎo)致膠囊在進(jìn)入樁端不遠(yuǎn)處局部上拱，如圖3 所示。

由于膠囊上拱，形成樁身局部砼薄弱，又由于鋼筋的預(yù)應(yīng)力作用，薄弱部分因混凝土面積減少使其承受的預(yù)壓應(yīng)力增大，而增厚部分其預(yù)應(yīng)力則相應(yīng)減少，相當(dāng)于截面偏心受壓。由于同一斷面產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力差，樁身內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力彎矩，同樣樁承受的打樁拉應(yīng)力也不相等，錘擊過程，該斷面兩側(cè)拉壓應(yīng)力的均不對等，導(dǎo)致該薄弱處砼率先出現(xiàn)斷裂破壞。

上游第16 排架（共20 個排架）G 列樁的斷裂較為典型。該樁為斜率4：1 的俯打樁，施打時樁的標(biāo)尺面朝向樁船的側(cè)面，接樁后錘擊了30 多擊，標(biāo)尺面就出現(xiàn)砼表皮崩裂現(xiàn)象，位置在上節(jié)樁表面砼與接頭鋼側(cè)板接合處；繼續(xù)錘擊，崩裂情況加劇，其余三面沿接頭鋼側(cè)板處隨后也有少量表皮砼崩裂，遂停止錘擊。查看該樁破壞情況，標(biāo)尺面破壞長達(dá)60cm，局部露出主筋。

除了上述因素外，沉樁工藝也直接影響沉樁的成敗。對于雙節(jié)樁，接頭質(zhì)量、上下節(jié)對樁時軸線是否重合，以及沉樁過程打樁船的穩(wěn)定性等，均可能造成樁的斷裂。

5 對策與結(jié)論

分析可能引起斷樁的諸多因素后，在后階段的預(yù)制樁及沉樁施工中，采取了一些有針對性的措施，有效地降低了斷樁率。

1）經(jīng)與設(shè)計方協(xié)商，將斜樁的傾斜率適當(dāng)減小，調(diào)整到介于4：1 和5：1 之間，以減小超長樁沉樁過程樁身的撓度。

2）沉樁過程嚴(yán)格控制油泵的檔位，將通常采用的3 擋改為2 擋，即“重錘輕擊”或“低錘密打”，以降低樁尖穿透硬土層時的斷樁率。

3）后續(xù)樁的預(yù)制過程，嚴(yán)格控制膠囊的上浮，空心膠囊外露段采取措施墊平，以保證樁壁厚均勻，并經(jīng)設(shè)計單位同意將空心膠囊直徑由原設(shè)計300mm，改為270mm，以增加樁身壁厚。同時，將空心端的接頭剛側(cè)板適當(dāng)加長，由440mm 增加到640mm，并嚴(yán)格控制接頭頂板的垂直度偏差。

4）由于樁的打入破壞了土層的天然結(jié)構(gòu)，樁周土受到急劇擠壓，致使孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減少，周土和樁尖土強(qiáng)度顯著下降，但隨著時間的推移，土的強(qiáng)度將逐漸恢復(fù)，甚至還可以超過原來的強(qiáng)度，這就是所謂的時間效應(yīng)。利用沉樁對土層作用的時間效應(yīng)，上下節(jié)樁盡量安排在同一天內(nèi)完成。如果不能在同一天打上節(jié)樁，則下節(jié)樁沉放時樁頂預(yù)留一定高度，焊接上節(jié)樁前將下節(jié)樁復(fù)打到所需標(biāo)高。

5）對于超長樁，沉樁時還應(yīng)注意背板所處位置。上節(jié)樁接樁后，應(yīng)根據(jù)樁長將背板置于適當(dāng)?shù)母叨龋㈦S樁的沉放，適時降低背板高度，這樣能減少錘擊過程樁的水平顫動，降低斷樁率。

6）沉樁過程加強(qiáng)上下節(jié)樁的拼接質(zhì)量控制。拼接上節(jié)樁過程用經(jīng)緯儀結(jié)合肉眼觀察上下節(jié)樁軸線是否順直。軸線順直良好，如拼接面還有斜縫，則采用薄鐵片塞墊密實(shí)。采取了上述主要措施后，不會再出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，沉樁順利完成。拼接樁沉樁過程出現(xiàn)較大的斷樁率，一般由多種不利因素疊加造成，查找分析各種不利因素，采取有針對性的有效措施，就可以做到超長拼接樁的順利沉樁。