PDA在熱帶濱海地帶大長細PHC樁基施工中的應用探討

牛濤

摘 要：PDA檢測是目前已知對PHC樁基完整性檢測與單樁極限承載力檢測應用最廣泛最普遍的技術。PDA全程監測可在沉樁過程中，監測不同落距下的有效能量對樁身產生的壓應力、拉應力、沉降量、樁身完整性、單樁承載力等重要參數并記錄，以此作為對希利經驗公式校對修正的重要依據。PDA成樁檢測可驗證樁身完整性與單樁極限承載力，并可配合全程監測提高休止期間內樁身完整性及承載力。基于此，以實際工程為依托，對PHC打入樁施工進行PDA全程監測與成樁檢測，通過相關特征值數據的統計分析，在驗證PHC樁身完整性與單樁極限承載力的同時總結經驗，以對以后的實際施工工作起到指導作用。

關鍵詞：壓應力；拉應力；沉降量；樁身完整性；單樁極限承載力

中圖分類號：TU45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）11-0084-03

0 引言

某工程位于馬來西亞濱海地帶，工程勘探揭示的地質表明橋梁所在地存在大量不規則軟硬夾層，80 m范圍內未見基巖。PHC管樁樁身強度高，穿透力強，在足夠的壓力下，可穿越較厚的軟硬夾層、砂質土層等復雜地質，可適用于馬來西亞濱海地帶的地質[1]。

PHC樁基直徑為600 mm，壁厚為10 cm，樁身設20根Ф9 mm的預應力鋼筋，樁身混凝土強度為C80，此種C等級的樁身設計有效預壓應力為7 N/mm?（MPa），樁身允許最大壓應力為55 MPa。每標準節樁長分為6 m、9 m和12 m，通過樁端的預埋鋼板焊接接長，平均施工樁長40～60 m不等。樁靴分為帶鋼棒的破巖樁靴和鋼板焊接而成的十字樁靴兩種，根據地質情況由設計選用。

1 檢測前準備

1.1 希利動力打樁公式計算錘頭落距

希利（Hiley）公式是國際上常用的動力打樁公式，一般可以通過公式（1）（2）計算。

式中：Ru為樁的貫入阻力（kN），以極限承載力代入；Wh為液壓錘質量；h為錘的有效落距（cm）；f為錘擊效率，無量綱；s為終錘時的貫入度（mm/擊）；c為錘擊時，樁土體系總的彈性變形（cm），根據經驗數據取值取1.27cm；H為錘的實際落距（cm）；ε為錘擊下落時的能量折減系數，取0.8；N為恢復系數；一般介于0.25～0.4，取0.4。

根據以上希利公式計算出的實際落距，在終錘過程中產生的樁身極限承載力，滿足設計要求的工作荷載的2倍。通過已完樁基的PDA檢測發現，按照希利公式計算的落錘高度，產生的極限承載力通常為工作載荷的2.2～2.5倍，冗余合適，滿足要求。

1.2 設備調試

大應變PDA檢測是通過加裝在樁身上的傳感器，采集應力波速、力值和時程曲線進行研判分析。因此，傳感器在PHC樁身的安裝必須平整牢固，安裝完成后在數據采集之前需進行儀器自校，以保證檢測儀器工作正常[2]。

2 全程監測結果分析

本工程車站范圍內PHC樁基在打樁過程中易出現樁身損傷、樁身傾斜、不能停錘等現象，隨即抽取正在施工中的P1-21、P1-23兩根樁基進行了大應變PDA全程監測。監測在打樁時，中樁身內部出現的壓應力、拉應力、單錘沉降量以及對應的單樁極限承載力與樁身完整性等特征值，進而分析查找產生問題的原因，檢測的結果（部分）如表1所示。

表1顯示，當樁基正常打入至40.8 m開始，每600 mm的落錘高度對樁身產生的壓應力在27.9 MPa左右，且沒有產生過大的突變，仍然滿足55 MPa以內的極限要求。但此時樁身內部的拉應力由3.3 MPa突然增大至4.6 MPa，且單錘貫入度由之前的24 mm增大至35 mm以上。后保持錘頭落距不變，繼續沉樁至41.7 m，樁身拉應力超出5.1 MPa，但此時樁身完整性檢測仍為100%。繼續沉樁至43.2 m時，樁身完整性開始下降至90%，至此期間按照600 mm的落距打了77錘。繼續沉樁至47.4 m時，此時樁身應力突然增大至5.4 MPa，樁身完整性也直線下降至14%，單錘沉降量也增大至48 mm。此后繼續沉樁，樁身內的拉應力一直維持在較高水平，終錘時樁身完整性僅為50%，表明樁身出現斷裂。在距樁底35.5 m位置處，入射波形與反射波形出現突然凸起分離，分離越多，表明樁身完整性缺陷越嚴重，表1中數據也顯示樁身此時最大的拉應力為5.4 MPa。

P1-23 PHC樁基PDA全程監測數據（部分）記錄表如表2所示。從表2可知沉樁時錘頭落距維持在500 mm時，單錘貫入度平均維持在15 mm以內甚至更小，此時樁身最大壓應力在21 MPa以內，最大拉應力在3 MPa以內，樁身完整性100%。隨著沉樁深度至46.5 m時，單錘貫入度在5 mm左右。加大錘頭落距至550 mm時，單錘貫入度沒有變化，樁身的最大壓應力與拉應力也一直維持在允許范圍值中較安全的范圍內并保持穩定。

3 成樁檢測結果分析

另選一根樁基P2-25進行全程監測時，監測結果與P1-21類似，打樁過程中樁身最大拉應力超過了5 MPa，繼續沉樁至終錘時，樁身出現損傷，完整性下降為70%，但單樁極限承載力為250 t，滿足設計200 t要求。第二天對該樁進行PDA檢測，檢測結果如表3、表4所示。

檢測結果顯示樁身完整性為80%，單樁極限承載力為300 t，休止期內土體重新固結，樁身完整性有所提高，同時樁基的單樁極限承載力也得到了提高，檢測結果與全程監測結果理論相符。

PDA監測結果表明，引起PHC打入樁樁身完成性破環的根本原因在于樁身拉應力過大。通過PHC樁基的結構設計、應用的實際地質情況以及施工過程來進行分析，引起樁身拉應力過大的因素主要包括以下3個方面。

一是樁身垂直度控制不到位。由于直徑600 mm的管樁施工樁長普遍在40 m以上，長細比較大，打入樁施工垂直度超標極易引起應力集中造成樁身破環，影響成樁質量。馬來西亞濱海地帶存在大量不規則的軟硬夾層或是孤石，同樣易造成樁身垂直度偏差過大，沉樁時易使樁身應力集中拉應力過大，進而加大樁身損壞的風險。

二是地質條件差，存在不規則軟硬夾層。對1號橋的橋梁地質勘探孔的勘探資料進行統計分析，發現在有效設計樁長0～50 m范圍內，存在有不規則的軟硬夾層，馬來西亞東海岸鐵路位于濱海地帶，存在此種大量不規則的軟硬夾層[3]。

三是沉樁過程中錘頭落距控制不合理。以上監測結果表明，當樁身壓應力在允許范圍內時，錘擊能量大，且貫入度也較大時，樁身的極限承載力較低，樁身易出現較大的拉應力，保持較大的錘擊能量繼續沉樁易使樁身缺陷擴大，甚至斷樁。沉樁時錘頭落距控制不合理，使樁身內產生過大拉應力，是造成樁身破壞的又一主要因素，因此在過程中合理控制錘頭落距是確保成樁質量的關鍵[4]。

4 結束語

采用希利打樁公式下計算得出的落錘距離，在樁身垂直的正常施工情況下，樁身內產生的壓應力值一般都在允許范圍之內，落錘距離的變化產生的壓應力對樁身沒有太大的影響。而當單錘貫入度越大時，沉樁時樁身內產生的拉應力一般也會越大，反之亦然。

對于樁身強度C80，樁身直徑600 mm的C級管樁，樁身設計有效預壓應力為7 N/mm?。但根據全程檢測結果分析，當沉樁過程中樁身最大拉應力超過5 MPa時，樁身有可能出現應力損傷，進而引起樁身裂縫等缺陷。因為樁身有效預壓應力與樁身極限拉應力之間的對應關系，在施工過程中利用PDA全程監測進行驗證并指導施工則顯得尤為重要。

馬來西亞濱海地帶存在大量不規則的軟硬夾層或是孤石，易造成樁身垂直度偏差過大。因此在沉樁過程中要輔以高精度水平尺、定位樁、線錘等工具，實時監測樁身垂直度。

軟硬夾層的地質常會造成在沉樁過程中貫入度突變，在成樁過程中如遇單錘貫入度較大時，要減小錘頭落距，輕錘低擊，減小樁身內產生的拉應力，防止出現因錘擊能量大、貫入度大、樁身內拉應力大進而引起樁身裂縫甚至破壞的現象。

在正常錘頭落距下，單錘貫入度較小時，在滿足終錘條件的情況下要按照規范及時終錘，防止因錘擊次數過多（一般40 m長樁基總錘擊數不應超過3 000錘）引起樁身疲勞破壞，或因樁身貫入度過小引起反彈時樁身拉應力增大，導致樁身出現裂縫等，影響成樁質量。

樁基沉樁完成休止期內，隨著土體的重塑固結，單樁極限承載力會隨之提高。不同的地質休止期其值會有所不同。在相對密實的砂土層中，在第二天承載力就會有一個大幅度的提升，7 d內基本穩定，在黏土層中一般會在14 d穩定。

參考文獻

[1] 蔣志軍，王建中.高強度預應力管樁靜載試驗與高應變試驗的對比[J].四川建筑，2008，28（3）：77-78+81.

[2] 郭生浦，梁濤，劉永翔，等.高應變動力試樁法檢測預應力管樁的完整性[J].物探與化探，1998，22（3）：234-235+233.

[3] 杜聿麟，林育軍，梁培新.高應變動力試樁法對端承管樁檢測的分析研究[J].物探與化探，2002（6）：483-487.

[4] 于曉東，高應變動力檢測技術在大直徑鉆孔灌注樁中的應用實例分析[J].工程技術研究，2022，7（18）：35-37.