混凝土樁基設計與施工常見問題分析與處理

潘 志 芳

(中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461)

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混凝土樁基設計與施工常見問題分析與處理

潘 志 芳

(中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461)

從樁基選型與施工工藝兩方面，介紹了鋼筋混凝土樁基設計中常見的問題，探討了樁基施工中樁錘的選擇原則，并闡述了樁基裂縫的產生原因及處理措施，為樁基的設計與施工積累了經驗。

樁基，樁錘，裂縫，承載力

水運工程的鋼筋混凝土樁基運用廣泛，先后出現了預應力混凝土方樁、后張法預應力混凝土大管樁(大管樁)、先張法預應力高強度混凝土管樁(PHC樁)，相關的行業標準近年來逐步推出并完善，工廠化生產能力也有了很大的提高，如PHC樁現在一次能預制50 m長管節，在工廠拼接可達80 m，若樁架高度和起吊能力允許可拼接更長。樁基實際運用時，在設計選型上存在一些問題，在施工中經常發生不同程度的工程質量問題。本文通過一些工程實踐，從設計意圖、現場施工條件和施工措施，分析常見樁基問題產生的原因，并提出相應的設計及施工技術要求，供類似工程參考，減少工程質量問題。

1 工程中常遇到的樁基問題

在水運工程實踐中，樁基的運用受到各種條件、因素的制約，由此也帶來了從不同角度的選型爭議，如造價、施工方便優先的PHC樁基，承載力適中、防腐、耐久、經濟、方便的傳統預應力方形樁基，在其運用條件上北方的多家設計院還未完全統一。

在樁基現場施工中，有些樁基難以達到設計高程，有些樁頂破損，有的出現縱向裂縫、橫向裂縫，如有些工程樁損率高達30%以上，給業主、施工單位帶來不小損失，給設計人員也帶來很大困難和工作量。在使用過程中有的也因為各種原因出現嚴重斷裂，修復檢測、設計、施工具有相當大難度。

2 樁基設計常見問題分析

2.1 鋼筋混凝土樁基選型問題分析

在復雜地形區域，樁基根據各種條件進行選型設計完成后，往往又出現新的條件，有的甚至被要求徹底變更，給設計造成很大困難。在一些地域，如潮汐性河口、灘涂區域、強腐蝕性、有流冰水域，樁基選型要全面考慮各方面因素，做到結構安全耐久、施工方便。在樁基主要承受豎向荷載時，做以下幾種樁型的簡單分析。同截面的空心方樁與實心方樁相比，單位樁長能節約20%～30%的混凝土用量，節約40%～50%的鋼材用量；等周長的方樁與管樁相比，可以達到同樣的單樁摩阻力，對于多樁形成的承臺，當以3倍樁徑布樁時，可減少樁距、承臺面積和承臺用鋼量。

根據《樁基規范》，抗彎要求較高時，貫入難度不大時，可采用預應力混凝土管樁。等抗裂彎矩的管樁比方樁，主筋用量少約50%，混凝土用量少約25%，剛度小約10%。在工廠技術高速發展的基礎上，PHC管樁的成本優勢明顯，在南方運用廣泛，在北方，生產廠家數量少，且樁基的運輸、抗凍、防腐性能要求，在普通高樁碼頭中應用較少，甚至有爭議。山東某入海口碼頭工程，采用PHC樁，由于當地無管樁生產廠，從上海購買，單米樁的費用已超過方樁，且施工時沉樁困難，大面積不能達到設計高程，工期延時。

方樁、管樁計算理論、方法已完善，在碼頭結構中規范上都可以采用，在多數時候取決于施工條件、地質條件、預制場及工廠化條件。在設計中也要注意安全、可靠、耐久及施工破損率因素，造價經濟要排在安全之后。

2.2 施工工藝設計

1)水上施工和陸上施工。水運工程中樁基碼頭一般由打樁船等在水上進行施工。在一些潮汐性河口或灘涂區域，航道未形成，建設碼頭時，是先開挖港池、航道還是先施工碼頭再形成水域成為設計重要考慮因素，即要考慮碼頭是水上施工還是陸上施工。水上施工需要動用大型船機，樁基、縱橫梁、面板全部在水上施工；陸上施工在淺水區域形成圍堰，回填出施工平臺，陸上施工樁基及碼頭各種構件，不受潮汐、波浪影響，非常便利。兩種方法形成的工程造價差異大，其中干施工法造價經濟，施工方便。

現在陸上打樁設備越來越完善。以前比較麻煩的陸上打斜樁問題現在已解決，斜樁施打設備種類、數量越來越多。環保條件允許、原地形水深淺的高樁碼頭建議采用陸上施工，降低造價，方便施工。

2)樁基來源。樁基來源也是設計中重要考慮因素。預制方樁需要較大型的預制基地，而預應力管樁需要實力較強的工廠。擬建工程處是否有方樁預制廠、管樁生產廠家，是陸上運輸還是水上運輸，樁長是否受限制等都要綜合考慮。如魯北地區碼頭從上海購買管樁，和就近在渤海灣沿岸場地預制方樁，可以充分比選樁基來源方案。

水運工程碼頭的樁基都比較長，對于陸上施工的碼頭樁，陸上長距離運輸存在諸多困難，除在工程設臨時預制場外，大多采用水上運輸，在臨時碼頭或就近商港通用泊位碼頭卸貨后，拖車運入工地。

3 樁基施工常見問題分析

3.1 樁錘的選擇

在樁基設計中，一般不給出選錘的范圍，只提出貫入度、樁基承載力檢測要求。施工經驗豐富的水工企業可以通過試樁、研究地層參數快速準確的選錘并施打樁，而施工能力欠缺的企業有時由于選錘不好造成很多問題，如沉樁困難或樁易碎，影響工程進度，甚至造成浪費。選錘主要根據規范、地質資料通過試樁、檢測確定錘重。也可通過附近工程以往資料，通過公式計算初步判定錘重，主要依據動測承載力公式推導，采用英標HILEY公式，公式變形后，以設計貫入度為已知條件，導出選錘的重量范圍值。

R(s+C/2)=ηWhh。

其中，s為貫入度；R為樁承載力；η為有效系數；h為錘跳高；Wh為錘重；Wp為樁重；e為與材料有關的樁帽與錘墊之間的恢復系數(0.25

上述公式變形也可通過特定錘重，求出貫入度，進而求得樁身及土體的壓縮量；通過各特征值，也可算出承載力，與檢測值比較，指導設計和施工。根據該公式，在膠州灣防潮壩工程及壽光碼頭工程中的選錘預判值與實際選錘重量吻合度較好。

3.2 樁基裂縫問題

3.2.1 預應力方樁裂縫問題分析及對策

1)樁頂擊碎。預應力方樁在施工過程中，樁頂混凝土有時因某種原因抗錘擊能力弱，出現錘擊破損。方樁頂部目前有兩種端部處理方式，一為按規范伸出主筋錨固長度，混凝土樁頂設5層鋼筋網片，樁頂為實心，箍筋加密；二為樁長混凝土直接包住主筋錨固長度，設鋼筋網片，箍筋加密，打至設計高程后，將混凝土鑿除露出錨固主筋。第一種方式在碼頭樁基中為傳統方式，運用廣泛，第二種方式近年來在水工樁基中也逐步運用。在施工過程中，部分工程樁頂仍然出現損壞。分析原因有多個方面：端頭的加固設計不夠，如箍筋強度及間距，鋼筋網片布置范圍等；樁頂的彈性墊層材料厚度不夠或在錘擊中彈性損耗過大；風荷載對樁架或波浪對打樁船影響，造成錘擊偏心致使樁頂破損。針對上述原因，為減少樁頂出現破損，改進的方法主要有：a.對樁頭進行加固設計，加強箍筋及鋼筋網片，或增加錨筋；在樁頭頂面和側面設鋼板形成套箍保護；在樁頂加十字鋼箍。b.設置好樁頂的彈性材料。彈性材料由兩部分組成，在樁與替打之間和錘與替打之間。樁頂與替打之間彈性材料可用橡膠板、膠合板、牛皮紙(紙殼)、麻繩，厚度不小于100 mm，在使用時要注意其彈性損耗，及時更換；錘與替打之間材料一般采用鋼絲繩，也需經常更換。c.風荷載對樁架或波浪引起的打樁船晃動，應盡量在好氣象條件下施工，若工期緊張，對于打樁船可以調整方向，使其軸線與波浪方向夾角盡量小，并在陸上設儀器進行觀測輔助施工。

2)樁身縱向裂縫。預應力方樁在錘擊過程中也會出現縱向裂縫，比管樁出現的少。為此要采取一些加強措施，如加長樁頂混凝土實心段長度，加大樁頂下5 m～9 m段箍筋密度和強度，可以減少縱向裂縫的產生。

3)橫向裂縫。橫向裂縫，是在硬軟土層相間明顯的情況下樁長度較大時發生，其機理是因為打樁拉應力過大引起橫向裂縫。外力過大引起樁基橫向裂縫在此不做討論。在工程中經常遇到上層為粉質粘土或粉細砂、下層為深厚淤泥的地質，此種地質情況容易出現橫向裂縫，出現位置在軟硬交界處開始至其下4 m處。錘擊過程中，樁身穿過好土層進入淤泥一定深度后，上層好土提供較大側阻力，下層淤泥樁側阻力非常小。錘擊產生樁加速度，樁加速、減速，進入淤泥一定距離，然后速度變為零停止，在每擊后期階段樁下部由于加速度，慣性力需要淤泥提供的摩阻力來平衡，進入淤泥樁身越長需求越大，但能提供的平衡力有限，需要好土層的側摩阻力來拉住它，有的會造成現場溜樁，在壽光某碼頭樁基施工中就出現過。由此產生了最大樁拉應力，若樁基不夠強大，就會產生橫向裂縫。為避免出現橫向裂縫，改進的措施有：進入軟土層后，降低錘重或采用抵檔錘擊，中間有停歇；選用有效預應力更大的樁型；在易出現最大拉應力區段增配非預應力鋼筋。

3.2.2 預應力管樁裂縫問題

預應力管樁也容易出現樁頂擊碎現象。預應力管節兩端有端板，側面有鋼板套箍，樁頂鋼板加固方面比預應力方樁有所改善，但其混凝土及配筋、構造加強等內在方面與方樁相比有所欠缺，其特殊的生產工藝決定了：若在管樁頂加鋼筋網片，在車間生產時，離心澆筑混凝土只有小顆粒的石子和砂漿流入鋼筋網，大顆粒的石子進不去，造成混凝土級配不合理，從而降低混凝土的強度；若在管樁內摻鋼纖維，由于流動性差，會造成生產時管壁厚度不均。只能在打樁時通過調整彈性墊層材料對樁頂加以保護，避免出現樁頂破損現象。

預應力管樁在施工中出現的橫向裂縫和方樁的機理類似，防止出現橫向裂縫的措施與方樁一致。

預應力管樁沉樁時，樁身混凝土受壓，管壁混凝土外表面向外膨脹產生拉力，向內膨脹使內表面產生壓力，當拉力超過混凝土的抗拉允許值時，就會出現豎向裂縫。其避免措施主要為在其易出現裂縫位置設置多道鋼抱箍，沉樁結束后拆除；調整錘擊荷載。

4 結語

在設計時充分考慮工程在現場的施工條件、施工工藝，在結構上采取措施防止樁基施工出現各種破損、裂縫情況，施工時各工序要精心組織防止樁基因為錘擊沉樁而破壞。上述分析及總結可供類似工程參考。

[1] 蔡小紅.大直徑PHC樁沉樁過程中常見工程質量問題及對策[J].水運工程，2015(10)：177-181，187.

[2] 李壯志.慎重使用PHC樁的幾種情況[J].山西建筑，2008，34(12)：118-119.

[3] 魏汝龍，王年香，楊守華.樁基碼頭與岸坡的相互作用[J].巖土工程學報，1992，14(6)：38-49.

[4] 張建勛，陳福全，簡洪鈺.被動樁中土拱效應問題的數值分析[J].巖土力學，2004，25(2)：174-179.

[5] 陳福全，楊 敏.地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數值分析[J].巖土工程學報，2005，27(11)：1286-1290.

Analysis and treatment of common problems in design and construction of concrete pile foundation

Pan Zhifang

(China Traffic Tianjin Harbor Engineering Design Institute Co.， Ltd， Tianjin 300461， China)

From the pile foundation selection and construction craft, the paper introduces the common problems in the reinforced concrete pile foundation design, explores the selection principle for the pile hammer in the pile foundation construction, and illustrates the reasons and treatment measures for the pile foundation cracks, so as to accumulate experience for the design and construction of the pile foundation.

pile foundation, pile hammer, crack, loading capacity

1009-6825(2016)12-0058-02

2016-02-17

潘志芳(1981- )，女，工程師

TU473.1

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