超長、細、深PHC混凝土管樁施工研究及應(yīng)用

李華安，沈霞，王宏，衛(wèi)云昌

(中國五冶集團上海有限公司，上海200940)

1 研發(fā)背景

寶鋼不銹鋼項目設(shè)計生產(chǎn)能力為年生產(chǎn)鋼水265.6×104t，熱軋板卷239.9×104t。該項目采用當(dāng)今世界上先進、成熟、可靠的工藝裝備，設(shè)備荷重大、安裝精度高，對基礎(chǔ)沉降量有嚴(yán)格的要求。

寶鋼以往類似工程都采用鋼管樁或鋼管混凝土樁(設(shè)計樁長大都在70m以上)，但具有造價高的缺點。自上世紀(jì)90年代后期以來，PHC混凝土管樁在上海鋼鐵企業(yè)建設(shè)工程中逐步使用后，取得了一定的經(jīng)驗，但都用在上部荷載不大、對沉降要求不高的工程項目中，設(shè)計樁長一般都為45 mm左右，施工難度不大。工程之初，寶鋼提出以PHC混凝土管樁代替鋼管樁應(yīng)用于該項目。本工程如采用混凝土管樁，根據(jù)上海的地質(zhì)情況，必須保證樁順利穿透70～80 m土層而到達持力層。較之于鋼管樁，混凝土管樁在較大錘擊應(yīng)力作用下，樁頭及樁身容易破損，加之無類似工程經(jīng)驗可借鑒，對施工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

主要施工技術(shù)性能指標(biāo):

(1)施工長度達62～80 m、長細比最大達187;

(2)樁頭及樁身損耗率控制在3%以下。樁身及樁頭在較大錘擊應(yīng)力作用下容易破碎，質(zhì)量不易保證;

(3)垂直度控制在0.3%以下。長樁施工中對樁的垂直度控制也提出了較高要求，否則，樁基開挖后樁頂平面位移很難滿足規(guī)范及設(shè)計要求;

(4)樁材質(zhì)量控制。樁材混凝土等級為C60以上;

(5)超深送樁工藝控制。最深送樁深度14.4 m。

針對上述困難，公司成立了課題小組，對超長、細、深PHC混凝土管樁施工進行攻關(guān)，以保證該項任務(wù)順利完成。

2 項目簡介

本課題主要研究PHCφ400、PHCφ500、PHCφ600混凝土管樁在施工長度達62～80 m、長細比最高達187、送樁深度達14.4 m的施工技術(shù)。該項目在國內(nèi)及國外均無前例可參照，研發(fā)主要通過解決施工中存在的問題，在工藝上、設(shè)備上進行了一系列改進，以保證該項目順利實施，達到工期和質(zhì)量要求。

課題組從樁材研究與改進、沉樁工機具研究與改進、超深送樁研究與改進、“封閉樁”施工措施、形成長樁施工工藝等方面進行了研發(fā)，形成了該成果的關(guān)鍵技術(shù)及施工工藝，成功地在寶鋼不銹鋼、寶鋼ERW、寶鋼UOE項目中應(yīng)用，保證PHC混凝土管樁順利穿透62～80 m土層而到達持力層，保證所施工樁的完好性，質(zhì)量滿足設(shè)計要求，也滿足了工期要求。

課題研究的“超長深預(yù)應(yīng)力高強度混凝土離心管樁施工方法”、“預(yù)制混凝土樁超深送樁器”“透氣的樁帽”已陸續(xù)申請發(fā)明和實用新型專利，并已被國家知識產(chǎn)權(quán)局受理(申請?zhí)柗謩e為:200810200463.7、200920077666.1、20092007776 67.6)。

3 研發(fā)過程

3.1 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

3.1.1 材料改進與創(chuàng)新

(1)樁尖結(jié)構(gòu)研究及改進:為增加樁在硬土層的穿透力，將混凝土樁尖改成鋼樁尖，以增強其穿透硬土層的能力(圖1)。其工作機理為:加焊了環(huán)板的樁尖直徑略大于樁身直徑，減小沉樁過程中樁側(cè)的摩擦阻力。

圖1 改進后的樁尖結(jié)構(gòu)形式

(2)PHCφ400AB型樁的壁厚向設(shè)計建議由85 mm改為95 mm，以降低樁單位截面受力，提高樁抗錘擊應(yīng)力的能力。

(3)樁頭加固:施工實踐表明，樁頂所承受的錘擊應(yīng)力最大，樁頭破損是施工中樁最主要的損壞形式。在該工程中，樁制作時，設(shè)計在最頂端樁節(jié)的上部2 m長范圍內(nèi)，每m3混凝土內(nèi)添加RC－65/35－BN型鋼纖維20 kg，以增加樁頂?shù)哪痛驌袅Α＿@一措施極大地降低了施工中樁頭的破損率。實驗數(shù)據(jù)表明，添加了鋼纖維的樁的抗破裂能力提高了10%～30%。

3.1.2 樁機的改進與創(chuàng)新(實用新型專利——“透氣的樁帽”)

改進樁帽結(jié)構(gòu):傳統(tǒng)樁帽如下圖2(a)所示，由于樁帽沒有開設(shè)排氣孔，隨著樁入土深度的增加，樁中的土芯高度隨之升高，樁中的空氣無法排出，樁中的空氣逐漸受到壓縮，形成壓縮空氣，高壓氣體容易使樁身產(chǎn)生豎向裂紋。改進后的樁帽如圖2(b)所示，增加了排氣孔，有效地避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 樁帽

3.1.3 超深送樁技術(shù)研究與創(chuàng)新(實用新型專利—“預(yù)制混凝土樁超深送樁器”)

工程中送樁深度最深為14.4 m，遠遠超出常規(guī)施工送樁深度，主要難點是送樁器不易拔出。一旦遇到這種情況，常規(guī)施工方法是將樁送至常規(guī)送樁深度，待樁基開挖時再將樁切割至設(shè)計標(biāo)高。而本項目由于施工樁量大，采用常規(guī)方法割樁將造成樁材的巨大浪費，影響工程造價及施工工期。課題組通過對送樁器結(jié)構(gòu)的改進，有效解決了超深送樁送樁器不易拔出的難題。

傳統(tǒng)送樁器結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，送樁器頭部有臺肩，由于土體反作用力F作用在臺肩上，拔出時較困難。改進后的送樁器如圖3(b)和圖3(c)所示。兩種方案的優(yōu)缺點比較如下:圖3(b)方案是在原有送樁器頭部增設(shè)減阻板，減小拔出時土的阻力，每施工4套樁需更換一個緩沖墊，但由于拔出時土的阻力比圖3(c)要大些，故在常規(guī)送樁時采用;圖3(c)方案是用與樁同直徑的鋼管制作而成，投入較大，拔送樁器時，緩沖墊會從送樁器中脫落，基本施工1套樁需更換一個緩沖墊，增加了緩沖墊的消耗量，但送樁器拔出時的阻力比圖3(b)方案小，故一般送深樁時才采用。圖4為送樁器及緩沖樁照片。

3.1.4 長樁施工工藝研究與創(chuàng)新

與常規(guī)的樁基施工工藝相比，超長、細、深PHC混凝土管樁的施工工藝要求更高，課題組對以下幾個方面進行了研發(fā)。

圖3 送樁器結(jié)構(gòu)形式

圖4 送樁器及緩沖墊

3.1.4.1 施工機械

(1)機械設(shè)備的選擇。該工程配備了先進的全液壓履帶式打樁機及經(jīng)工程實踐證明性能良好的德馬克D8.0 t、D6.2 t、D4.6 t樁錘。其中，D8.0 t樁錘施打PHCφ600AB、PHCφ500AB長樁，D6.2 t樁錘施打PHCφ400AB長樁;

(2)用D6.2 t樁錘施打PHCφ400AB長樁的可行性和必要性。根據(jù)規(guī)范和以前的施工經(jīng)驗，PHCφ400AB型樁宜選用4.6 t樁錘施打，但是該工程PHCφ400AB樁長達60～80 m，要求樁尖穿透⑧3層進入⑨1－2層，顯然選用4.6 t樁錘是不適宜的，樁是難于達到設(shè)計深度的，故選用6.2 t樁錘施打。選用D6.2 t錘施打有以下優(yōu)點:①減少沖擊疲勞，避免樁頭和樁身的損壞。沖擊疲勞對打入式長樁的損壞是很大的，每錘擊一次，樁身受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的交替作用，容易使混凝土內(nèi)砂漿和粗骨料粘結(jié)面上已存在的微裂縫逐漸擴展，繼而強度隨之降低，即使錘擊應(yīng)力未超過混凝土的強度，仍可能導(dǎo)致樁的損壞。選用較大的6.2 t柴油錘施打較之4.6 t柴油錘，反而會因打擊次數(shù)少且打擊能量迅速轉(zhuǎn)化為樁的貫入，從而降低樁身損壞的可能性。②重錘施打也可縮短打樁的時間，有利于作業(yè)效率的提高，可以加快施工進度，充分發(fā)揮規(guī)范要求的重錘輕擊效果。

3.1.4.2 施工工藝

(1)單節(jié)樁長度控制:打樁施工過程中，嚴(yán)格控制單節(jié)樁長度在10 m以內(nèi)，可避免錘擊時樁身中部產(chǎn)生較大的顫動，避免樁身損壞;

(2)垂直度控制:一是嚴(yán)格控制單節(jié)樁材的垂直度，避免樁身彎曲變形。二是嚴(yán)格控制樁入土?xí)r的垂直度，避免樁在錘擊時偏心受壓(圖5);

(3)樁墊選用:做到一樁一墊，樁墊厚度大于100 mm，材料選用蜂窩紙。樁墊的作用可以緩沖樁的錘擊應(yīng)力，使打樁應(yīng)力分布均勻，延緩撞擊時間以利于樁的貫入。傳統(tǒng)上樁墊用木墊或紙墊，在本工程中的實踐表明，紙墊的效果比木墊好，因為木墊易板結(jié)，失去緩沖作用;

圖5 垂直度控制

(4)打樁作業(yè)中斷時間:一套樁從開始施打到結(jié)束施打這一段時間里，盡量避免長時間中斷。因為隨著時間的推移，樁周圍的土體應(yīng)力就會恢復(fù)，這樣打樁就會比較困難。施工中一旦發(fā)生這種情況(如設(shè)備壞、樁破損等)，一定要先用小檔位施打，待樁周圍的土松動后再根據(jù)情況慢慢加大檔位。本工程采用CO2氣體保護焊也是為了避免因焊接時間較長而長時間中斷打樁作業(yè)，用CO2氣體保護焊每道焊縫只需7～8 min(至少2道以上)，而手工焊則需25～30 min以上;

(5)小樣樁定位:每次所施放的小樣樁數(shù)量僅滿足每臺機組一天作業(yè)量為限，從而避免打樁排土對小樣樁擠壓而造成平面位移。同時，班組測量人員在沉樁之前還應(yīng)對小樣樁進行復(fù)核，及時糾正小樣樁的平面位移;

(6)樁頂標(biāo)高控制:由于群樁施工擠土量大，造成整個樁基現(xiàn)場土體上涌，從而造成已施工樁上浮，所以對于群樁送樁一般控制在超送樁20～40 mm。

3.1.5 “封閉樁”施工研究及創(chuàng)新

由于該工程邊設(shè)計邊施工，所以造成112套PHCφ400AB*90*72 m地坪樁在周圍樁和基礎(chǔ)已施工完畢的情況下施打。如何保證周圍已施工基礎(chǔ)不受擠壓是施工難點。經(jīng)設(shè)計院同意，采取了如下措施并取得了良好效果。

(1)采用復(fù)合樁:靠近已施工基礎(chǔ)的樁全部改成開口鋼管樁，其余樁由于考慮投資費用，改成復(fù)合樁(圖6)，即下面35 m采用鋼管樁，上面37 m仍用混凝土管樁。現(xiàn)場實測結(jié)果表明，72m鋼管樁土芯高度達35m左右，而混凝土管樁土芯高度僅20 m左右。該結(jié)果表明鋼管樁的排土量比較小。施工時對周圍基礎(chǔ)及已施工的樁的影響較小;

(2)加強監(jiān)測、減緩施工速度。

3.2 施工結(jié)果

該工程共施工PHC長樁2 000套，總長14.8×104m。平均長度為74 m，采用多臺樁機同時施工(圖7)。最長樁打入深度最長為80 m。送樁最深為14.4 m。施工中共損壞樁26套，其中有樁材質(zhì)量原因、施工原因、地質(zhì)條件等因素，破損率及補樁率為1.3%，低于常規(guī)的混凝土樁施工的破損率3%。施工結(jié)果表明，本項目長樁施工工藝是成功的。

圖6 復(fù)合樁施工

圖7 多臺樁機同時施工

4 與國內(nèi)外技術(shù)水平對比

大量、集中施打長度為62m至80m的PHC混凝土管樁在國內(nèi)外未有類似先例，經(jīng)過上海市科學(xué)技術(shù)查新:該技術(shù)成果達到國際先進水平。其先進性主要體現(xiàn)在:

(1)PHC單樁打入深度達80 m，長細比最大達187，尚無類似工程先例;

(2)通過用PHC混凝土管樁代替鋼管樁或鋼管混凝土樁，極大地降低了工程投資;

(3)施工中長樁的破損率為1.3%，低于常規(guī)的一般混凝土樁3%的破損率;

(4)超深送樁:本工程最深送樁深度14.4 m。傳統(tǒng)方法將樁送至常規(guī)送樁深度(4～5 m)，待樁基開挖后再將樁切割至設(shè)計標(biāo)高，本技術(shù)將樁直接送至設(shè)計標(biāo)高，不需割樁，節(jié)約樁材、工期及機械臺班。

5 經(jīng)濟效益及應(yīng)用前景

5.1 經(jīng)濟效益

本工程共采用混凝土管樁2 000套，總長達14×104m左右。由于采用了超長PHC混凝土管樁代替鋼管樁，節(jié)省樁材費用5 780萬元;由于超深送樁技術(shù)的運用，產(chǎn)生經(jīng)濟效益29.9萬元;復(fù)合樁技術(shù)的運用，節(jié)約φ406.4×10鋼管樁5 376 m產(chǎn)生效益206萬元。該工程總計節(jié)省費用6 015.9萬元。

5.2 應(yīng)用前景

與鋼管樁相比，預(yù)應(yīng)力混凝土管由于受樁穿透土層能力差、擠土量大、打樁時樁身不能承受較大錘擊應(yīng)力等缺點限制，目前在上部載荷較大、單樁設(shè)計較深的工程項目中的應(yīng)用受到一定的限制。本研究結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用于上部載荷較大、單樁設(shè)計較深的大型工業(yè)與民用建筑是可行的。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有優(yōu)良的受壓特性及工程造價低等優(yōu)點，將其應(yīng)用于大型工業(yè)與民用建筑必將成為樁基工程研究方向和發(fā)展趨勢。

6 應(yīng)用實例

6.1 寶鋼UOE樁基工程

該工程共施工PHC管樁5 500余套，單樁長度為66 m至75 m。該工程施工效果良好。開挖檢測結(jié)果為:全部合格，其中一類樁89%。

6.2 一鋼不銹鋼帶鋼(后續(xù))5標(biāo)樁基工程

該工程3 000套PHC管樁，其中有2 000套長樁，長樁單樁長度為65 m～75 m，該工程施工效果良好，一次成優(yōu)。開挖檢測結(jié)果為:全部合格，其中一類樁91%(圖8)。

圖8 一鋼不銹鋼帶鋼長樁施工