PHC管樁在港區陸域設施工程的應用

王鳳杰，魏寶柱

（丹東港集團有限公司，遼寧 丹東 118300）

引 言

丹東港大東港區位于鴨綠江口，為濱海平原，砂層覆蓋較厚，結合PHC管樁施工速度快、承載力高、質量穩定、檢測方便及摩擦樁的抗拔性能、各類樁型抗彎特性等，陸域設施基礎90 %為PHC管樁，樁型為 AB型，開口型樁尖。本文以港區筒倉、防風網、庫房等工程的基礎設計、施工為例，探討HPC管樁單樁豎向承載力、持力層選擇及沉樁措施。

1 工程概況

1.1 糧食倉儲設施

圖1 筒倉樁位布置示意

散糧筒倉配套建設鐵路卸車線、鐵路罩棚、轉運塔、提升塔、中控室、消防泵房及輸送棧橋。筒倉結構安全等級二級，抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級乙級，抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度值為 0.2g，建筑場地類別為 II類。樁位布置見圖1。

1.2 散貨堆場防風網

防風網總長約12 km，網高為21 m、17 m，結構安全等級二級，抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級丙級。

1.3 液體散貨罐區

罐區包括燃料油罐組、汽柴油罐組、瀝青潤滑油罐組、LPG罐組、液體化工品罐組及辦公樓、變電站、裝卸站臺等。

1.4 鋼材庫

單層鋼結構倉庫建筑高度20.7 m，建筑面積36 370 m2。

以上工程基礎均采用PHC樁，基樁參數匯總見表1

表1 樁基參數

2 地質條件

港區位于東溝平原、鴨綠江西水道入海口的江海分界線附近，潮間淺灘高程約-2.1～4.5 m（港區零點），岸坡坡度為1°～5°，灘面向海傾斜。

土層由上下兩部分（不含回填土）。上部為海相軟土，厚度20～26 m，層頂高程-2.1～4.5 m；下部為古三角洲相礫石類土，層頂高程-19.1～-26.2 m，鉆孔可見厚度約18 m。在海相和陸相地層之間布局存在一層粘性土與砂石，屬海陸交替的沉積物。

依據地層層序與巖性，自上而下分別為第一層素填土、第二層細砂（吹填）、第三層淤泥、第四層淤泥質細砂和粉砂、第五層細砂、第六層砂卵石。經巖土參數的統計、分析，樁的側阻和端阻極限承載力標準值見表2。

根據場地土質和地下水埋藏條件，結合標準貫入試驗，按國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）判定，第四層淤泥質細砂和粉砂為中等—嚴重液化土。液化土層主要分界深度為9.3～11.3 m，以上土層N/Ncr為0.3～-0.75，以下土層N/Ncr為 0.81～0.95。

表2 樁的側阻和端阻極限承載力標準值

3 基樁選擇

根據現場勘查，分析港區巖土工程地質條件，結合上部結構類型、荷載特征、施工技術與環境、工程造價、工期要求及各類基樁特點等綜合因素，確定基樁為AB型PHC管樁。

3.1 基樁對比分析

PHC管樁與灌注樁和水泥攪拌樁、旋噴樁、CFG樁等相比，單樁承載力高，抗彎性能好，質量可靠、工期短，受地下水和土質影響小，基礎穩定性好，造價低。

1）單樁承載力高。樁身混凝土強度等級為C80，直徑500 mm的PHC樁單樁豎向承載力可達2 700 kN，豎向承載力比同直徑的灌注樁高。

2）抗彎性能好。樁身為高強預應力鋼筋混凝土，其抗彎、抗裂性能好，樁穿透力強、耐打，能穿透密實砂層，適用于粘性土、粉土、砂土、碎石類土及持力層為強風化巖層、密實的砂層或卵石層等地質條件。

3）質量可靠、工期短。工廠化生產、質量容易控制；吊裝運輸便捷，接樁快捷；樁長度不受施工機械的限制，樁節搭配較靈活。

4）受地下水和土質影響小。預制管樁避免了灌注樁等的縮頸、塌孔、斷樁等現象；采用高強混凝土，材料水化充分、致密、氯離子滲透速度較小。

5）基礎穩定性好。樁與臺座、軌道基礎形成的剛性結構，基樁承載力高，承臺荷載分擔比小，基礎沉降均勻、沉降量小，基礎穩定性優于其它類樁。

6）造價低。單樁承載力高，摩擦樁具有抗拔能力，較其它類樁每噸承載力造價一般最低。

3.2 PHC管樁的缺點

樁與吊具、石塊、運輸設備、樁等發生碰撞后，樁體易發生斷裂；沉樁錘擊能大、回彈強、貫入度小時，樁頭易碎裂；樁身截面小、薄壁構件，抗剪能力弱；受運輸、吊裝、沉樁設備等條件限制，單節樁長不大，長樁接頭因施工缺欠易形成薄弱環節。

4 基樁承載力

4.1 單樁豎向承載力特征值

基樁豎向承載力應符合下列要求[1]：

荷載效應標準組合，軸心豎向力作用下Nk≤R。

地震作用效應和荷載效應標準組合，軸心豎向力作用下NEk≤1.25R。

樁豎向承載力特征值Ra=Quk/K。

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；K為安全系數，取K=2。

4.2 單樁豎向極限承載力標準值

根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力標準值：

式中：qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；u為樁身周長；li為樁穿越第i層土的厚度；Ap為樁端面積。

4.3 單樁極限抗拔承載力標準值

按群樁呈非整體破壞，計算基樁的抗拔極限承載力標準值：

式中：Tuk為基樁抗拔極限承載力標準值；ui為樁身周長；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；λi為抗拔系數，沙土取 0.5～0.7，粘性土、粉土取0.7～0.8。

單樁豎向極限承載力計算見表3。

表3 單樁豎向極限承載力計算

4.4 基樁試樁要求

建議樁長分別為30 m、36 m、28 m。其中，PHC500 AB 125-30承載力特征值采用2 000 kN，建議靜壓樁壓力控制值4 600 kN，錘擊樁貫入度控制30 mm/10擊。試樁數量為總數的1 %（現場確定），不應少于3根，根據試驗結果，繪制荷載～沉降（Q～S）關系曲線，確定單樁豎向極限承載力標準值。

4.5 基樁檢測

采用單樁豎向靜載試驗確定單樁極限承載力[2]。使用 JCQ-503E載荷測試儀控載并觀測沉降。利用2臺3 200 kN千斤頂加荷，與ZYJ-800型靜力壓樁機組成反力系統，以100 MPa壓力表測壓，用2塊百分表對稱布置觀測試樁沉降，試驗時樁頂鋪設10 mm厚粗砂找平，首級加荷和終載分別為單樁豎向承載力特征值的0.4倍、2倍。在每級荷載作用下，每小時內的樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續出現兩次，認為已達到相對穩定，可加下一級荷載。樁基檢測見表4。

表4 樁基檢測統計

表4中PHC500 AB 100-36型樁抗拔力要求490 kN，單樁豎向抗拔靜載試驗，最大上拔量23.49 mm，終極載荷700 kN，尾部彎曲變化前一級載荷為560 kN，滿足設計要求。

s～lgt曲線平緩，無明顯曲折。Q～s曲線為緩變型，最大沉降量小于 20 mm，卸載回彈率45.6 %～53.4 %，豎向承載力最大值可取試樁終載加荷值，單樁承載力特征值為一半的承載力最大值，均能滿足設計要求。U～△曲線為緩變形曲線，根據上拔量和△～lgt曲線變化綜合判定，即△～lgt曲線尾部顯著彎曲的前一級荷載為極限荷載。動測實測波速4 400～4 750 m/s，波速正常，樁身完整。

4.6 單樁承載力分析

1）根據地質資料，計算PHC500 AB 125-30、PHC400 AB 95-30、PHC500 AB 100-36 、PHC 500 AB 100-28、 PHC400 AB 95-28樁單樁豎向承載力特征值分別為2 218 kN、1 639 kN、2 949 kN、2 095 kN、1 541 kN，為設計單樁豎向承載力的1.09～1.47倍。

2）檢測終級荷載均達到設計要求，最大沉降量3.35～19.28 mm，Q～s曲線為緩變型，卸載回彈率 45.6 %～53.4 %，單樁豎向承載力滿足設計要求。單樁豎向極限承載力計算值比靜載測值小45 %～37 %[3]，估算實際豎向承載力約為設計值的1.5倍。

3）根據工程地質資料液化土層為淤泥質細、粉砂層，主要分界深度為 9.3～11.3 m，以上土層（最大厚度 3.5 m，平均厚度 0.6 m）N/Ncr為0.3～0.75，確定土層液化影響折減系數ψl為0、1/3或 2/3；以下土層N/Ncr為 0.81～0.95，土層液化影響折減系數ψl為 1[4]。液化土因震動引起的承載力與側摩阻力下降可導致樁的過度下沉，將抗震規范中N/Ncr小于0.8的土層液化影響折減系數ψl調整為0[5]，按以上要求計算側摩阻力特征值最大折減值為131 kN，小于單樁豎向承載力特征值的計算值與設計值的最小差139 kN。根據工程結構計算書，荷載效應標準組合軸心豎向力作用下基樁軸心豎向力Nk與地震作用和荷載效應標準組合下基樁軸心豎向力 NEK，1.0Nk＜NEK＜1.25Nk，得出NEK≤1.25Ra，單樁豎向承載力滿足抗震設計要求。

4）PHC500 AB 100-36樁沉樁貫入度小于10 mm/10擊，入土深度約 35 m（有效樁長約32 m），經設計、勘察、監理、施工和建設單位研究后，調整為PHC500 AB 100-32樁，以卵石層為樁端持力層，樁進入持力層1 000 mm，沉樁貫入度控制15 mm/10擊。

5）基樁考慮地震水平力作用，選用AB型樁，保障基樁抗彎、抗剪強度。

5 樁基施工

根據地質條件、樁型、樁的密集程度、單樁豎向承載力及現場施工條件等因素，確定樁機、樁錘、施工工藝[6]。靜壓樁采用ZYJ680液壓靜力壓樁機。錘擊樁采用軌道式、履帶式、步履式打樁機。

5.1 靜壓樁

工藝流程為測量定位→壓樁機就位→吊樁、插樁→樁身對中調直→靜壓沉樁→接樁→再靜壓沉樁→送樁→終止壓樁→切割樁頭。

樁端平面位移超限或遇到地下障礙物時，將樁吊離孔外，待處理后，再調機施工。沉樁控制以壓力值為主控，樁長為輔的“雙控”原則。

遇到下列情況應立即停止施工，與設計、勘察、監理單位溝通，確定解決方案。一是壓樁深度超過設計5倍樁長，油壓值卻達不到要求；二是樁頂和樁身混凝土破碎或產生明顯裂紋；三是與相鄰樁入土長度相差懸殊，或樁端不能落在同一持力層上。

5.2 錘擊樁

工藝流程為測量定位→樁基就位→吊樁、插樁→校正豎向度→下達 0.5 m→復核豎向度→打樁至樁上端距離地面0.5～1.0 m→上節樁就位→電焊焊接→打樁→終止送樁。

插樁時的豎向度偏差不得超過0.5 %，確保位置及豎向度符合要求后先利用樁錘的自重將樁壓入土中。根據工程地質條件，錘擊沉樁初期時可能下沉量較大，宜低錘重擊，隨著沉樁加深，沉速減慢，起錘高度可逐步增加。

根據試樁檢測，經設計、勘察、監理和建設單位論證，確定沉樁技術要求，即樁端位于第五層細砂層時，以控制樁端設計高程為主，貫入度可作參考，錘擊樁貫入度30 mm/10擊控制；樁端達到第六層砂卵礫石層時，以貫入度控制為主，錘擊樁貫入度15 mm/10擊控制，樁端高程可作參考。

遇到下列情況應立即停止施工，與監理、設計、勘察單位溝通，確定解決方案。一是沉樁過程中樁的貫入度發生突變；二是樁頭混凝土剝落、破碎；三是樁身突然傾斜、跑位；四是貫入度或錘擊數與試驗成果明顯不符。

管樁進場多為夜間、照明不足，多層堆存，造成質檢有遺漏。場區原為葦塘、蝦池、灘涂，修建圍堰、吹填、回填形成陸域，圍堰為山皮石堤心，回填為山皮石或山皮土，場區內最大塊石直徑達1.5 m，嚴重影響沉樁施工。圍堰邊坡內基樁施工，采取沉樁前表層3.5 m換填處理，并用同直徑閉孔鋼樁沖孔，停錘樁貫入度大于30 mm/3擊控制，且沖孔深度大于12 m，即沖孔穿過回填層至少3 m。

初期沉樁樁錘不回彈，增加落距，整樁一次入土，樁頂入土深度1～1.5 m，導致接樁困難，不利于沉樁質量控制。原因分析為回填層厚度小、塑性變形大，重錘低擊、沉樁慢、不回彈；增加樁錘落距后，土體剪切破壞，吹填層細砂側摩阻低、端阻小，基樁在樁和樁錘的重力和慣性力作用下迅速下沉；據了解，基樁樁長10～12 m易發生初沉速率過大，基樁樁長15 m及以上不易發生初沉速率過大。錘擊樁施工措施為保持重錘低擊，逐步增加樁錘提升高度。靜壓樁施工有類似問題，施工措施為控制沉樁壓力、逐步加荷。

6 結 語

港區陸域面積大，陸域基礎設施種類多、荷載大；河口濱海平原為軟土地基，土層較為均一，持力層較深、有起伏，地下水具腐蝕性；抗震設防要求高，基本地震烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g。PHC管樁經工程實踐，驗證了承載力高、抗彎和抗裂性能好、質量容易控制、工期短、沉降量小、總成本低等優越性，是河口港區陸域設施樁基礎的最佳選擇。結合工程實例分析基樁持力層選擇和沉樁措施等，為后續工程樁型、樁長確定及制定施工方案提供參考。

1）經基樁施工、檢測及結果統計，細砂層厚度大、密實度較好，不受地震液化影響可作為基樁持力層。

2）基樁豎向承載力高，且有抗拔、均勻沉降等特殊要求時，選擇卵石層為持力層，進入持力層深度易為2～3倍樁徑，沉樁貫入度控制15 mm/10擊。

3）經抗震設計計算，選用AB型PHC管樁，并加強樁頭與承臺的連接，滿足地震水平荷載對基樁抗彎、抗剪的要求。

4）陸域形成的回填塊石對沉樁施工影響大，應在港區詳規、項目設計、工程實施各階段、全過程考慮，圍堰與基樁無法相互避讓時，在基樁沉樁施工前采取換填、沖孔的方法處理。

5）PHC管樁初期沉樁控制，采取重錘低擊或減載靜壓，控制沖擊力與靜壓力在正常沉樁荷載的20 %～30 %。