預應力高強混凝土樁（大直徑PHC樁）的施工技術(shù)探討

蘇火金

（福建省五洲建設(shè)集團有限公司，福建 泉州 362400）

0 引言

預應力高強混凝土樁（大直徑PHC樁），具有單樁承載力高、樁身質(zhì)量好、工程造價低的特點，因其出色的承載能力、穩(wěn)定的質(zhì)量和經(jīng)濟性而備受矚目[1]。但預應力高強混凝土管樁施工過程中，常存在沉樁困難、達不到設(shè)計標高、偏移或傾斜過大、達到設(shè)計標高或深度但樁的承載能力不足等問題，極大地限制了大直徑PHC樁在實際工程中的應用[2]。因此，本文將介紹一種新型的預應力高強混凝土樁（大直徑PHC樁）的施工工法，并通過試驗樁進行載荷測試，根據(jù)試驗結(jié)果提出了大直徑PHC樁的施工建議。

1 大直徑PHC樁施工方法的優(yōu)缺點比較

安裝大直徑PHC樁通常采用兩種方法：重物沖擊法和頂升反應法。

（1）重物沖擊法。使用重物沖擊安裝時，錘頭的動能和樁錘接觸行為可能引發(fā)復雜的應力波響應，有損混凝土樁的完整性，當遇到障礙物或堅硬地層時，產(chǎn)生的大壓應力可能導致樁底部破損；長時間沖擊則可能導致疲勞破壞。

（2）頂升法安裝。相比重物沖擊法，頂升法操作異常安靜且無振動，在安裝過程中通過液壓系統(tǒng)施加荷載來完成樁基的成型。但頂升法僅適用于微型樁。需要通過結(jié)構(gòu)為其提供反作用力，以避免對樁施加大壓應力。

為了提升大直徑PHC樁尤其是大直徑（D≥800mm）PHC在堅硬地層中的應用，并提高它們的潛在承載能力，本文提出了一種新型樁施工工法——混合揭示預應力混凝土管樁，該工法采用一種新興的混合打樁系統(tǒng)，具備精密反饋回路，可以有效解決大直徑PHC樁目前應用中存在的受限問題。

2 混合揭示預應力混凝土管樁施工技術(shù)要點

2.1 工藝原理及優(yōu)缺點

2.1.1 工藝原理

混合揭示預應力混凝土管樁（以下簡稱“混合樁”）是一種新型的樁基工法。其核心是將傳統(tǒng)的預應力高強度混凝土管樁（大直徑PHC樁）技術(shù)與現(xiàn)代化的打樁系統(tǒng)相結(jié)合[]。在此工法中，大直徑PHC樁被精確地驅(qū)動進入地層，同時利用一個精密反饋回路系統(tǒng)來監(jiān)控和調(diào)整打樁過程。這種反饋機制能夠根據(jù)地層的硬度、樁的下沉速度和角度等參數(shù)實時調(diào)整打樁力度和方向，從而確保樁的正確安置和最優(yōu)性能。

以下是此工藝的詳細步驟：

（1）準備階段：選擇合適的鋼筋或鋼絲繩，以及混凝土原材料。

（2）模具設(shè)置：根據(jù)設(shè)計的規(guī)格和尺寸安置模具。

（3）鋼筋/鋼絲繩布置：將鋼筋或鋼絲繩平均分布在模具中。

（4）混凝土注入：在模具中倒入混凝土，確保其均勻分布。

（5）施加預應力：在混凝土凝固之前，通過專用設(shè)備對鋼筋或鋼絲繩施加張力。

（6）養(yǎng)護和脫模：待混凝土達到一定強度后，進行養(yǎng)護和脫模。

2.1.2 工藝優(yōu)缺點對比

混合揭示預應力混凝土管樁工藝與傳統(tǒng)預應力混凝土管樁工藝的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 工藝優(yōu)缺點對比表

通過上述表格，可以清楚地看出混合樁工法在提高PHC樁施工精度和適應性方面的顯著優(yōu)勢，同時也指出了其成本和技術(shù)要求方面的挑戰(zhàn)。

2.1 打樁設(shè)備組成

打樁設(shè)備的混合驅(qū)動裝置由動力頭、振動激振器和樁夾組成，其中動力頭和振動激振器分別通過可調(diào)缸和彈性彈簧與土壤箱相連，液壓動力頭的軸可以輸出高達80kN·m 的鉆進力矩，振動激振器有2 個對稱的離心質(zhì)塊，由電機驅(qū)動。

2.2 施工工藝流程及要點控制

大直徑PHC樁施工順序如圖1所示。

圖1 大直徑PHC樁施工流程

2.2.1 施工準備階段

如圖1（a）所示，鉆桿被插入振動激振器和土壤箱的中央孔中，然后螺栓固定到動力頭的軸上，待安裝的大直徑PHC樁豎立起來，鉆桿穿過其內(nèi)芯，并使振動激振器夾住樁頭，土壤箱和動力頭之間的可調(diào)缸可以伸縮，以適應樁和鉆桿之間的長度差的波動。設(shè)備的垂直性和穩(wěn)定性也是準備階段需要考慮的關(guān)鍵因素，背撐（即兩個撐桿）可以調(diào)整到前傾或后傾5°，側(cè)向傾斜3°，以保持精確和穩(wěn)定的垂直鉆進。樁夾的水平度可以通過3個缸仔細調(diào)整，以保證待安裝樁的垂直度。

2.2.2 鉆進施工階段

絞盤被廣泛應用于大直徑PHC樁的施工裝備中，用于控制支架的前傾、吊裝重物的起升、吊籃的移動以及驅(qū)動裝置的操作。在鉆進階段，如圖1（b）所示，動力頭軸正轉(zhuǎn)（即鉆進未攪拌的地層）導致與轉(zhuǎn)動方向相反的摩擦，產(chǎn)生一種切削阻力，從而自動打開擴孔鉆翼。現(xiàn)場土壤沿著鉆桿和管樁內(nèi)壁之間的螺旋空間被挖出，并排放到一個土壤箱中，箱子的開口面對著一輛卡車，以便土壤的收集和運輸，同時減少對環(huán)境的污染。通過監(jiān)測鉆桿的力矩和向下速度，可以現(xiàn)場推斷地層的密度和剛度等地質(zhì)特征，有助于工程人員更好地了解地質(zhì)情況，這一施工過程的高效性和精確性，使其成為處理地層挖掘和管樁安裝的理想方法。同時，通過絞盤等設(shè)備的應用，施工過程更加安全和可控，確保了工程的順利進行。

通常情況下，樁可以自發(fā)地沉入鉆好的孔中，因為樁的外徑略小于鉆孔的外徑，而樁的重力足夠大，能夠克服分布在樁周的潛在向上摩擦力。如果在打樁過程中遇到意外情況，傳感器可以監(jiān)測到實時的鉆進力矩明顯增加。當力矩達到臨界值（即40kN·m）時，正反饋回路將被激活，以持續(xù)調(diào)整振動激振器的電機流量，直到其輸出的垂直向下力的頻率和振幅足以克服穩(wěn)定的鉆進力矩所帶來的摩擦。相反，如果樁過快地沉入鉆好的孔中（即鉆進條件較容易），則彈簧在振動激振器和土壤箱之間的自動測量彈性伸長被傳

遞到有效命令，以通過夾具加強樁的約束。因此，動力頭和振動激振器之間、鉆桿和樁之間的相對位移可以在設(shè)計范圍內(nèi)進行控制。

2.2.3 大直徑PHC樁的安裝

當樁頭距離地面約1～1.5m，停止打樁操作，如圖1（c）所示。此時將連接在樁頭的鉆桿—動力頭和樁頭—振動激振器拆卸下來，然后將新的樁與已安裝的樁通過焊接或機械連接在一起，直到樁達到設(shè)計的穿透深度，通過位于鉆桿和擴孔鉆的中心孔中的管道，將混凝土泵入樁芯中進行密封，如圖1（d）所示。具體來說，通過將混凝土灌注到大直徑PHC樁內(nèi)部的管道，大直徑PHC樁與鉆孔之間的任何間隙都會被壓漿填充，以增強樁混凝土與周圍地層之間的粘結(jié)強度，確保樁的牢固性和穩(wěn)定性。當自頂向下拆卸鉆桿時，由于受到大直徑PHC樁內(nèi)壁的約束，擴孔鉆翼會自動關(guān)閉。該設(shè)備能夠在不同類型的土壤和巖石中以10m/h 和4m/h 的速度迅速安裝大直徑PHC樁，而且可以安裝深達50m的大直徑PHC樁，這種施工方法可極大地提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)效率，確保施工質(zhì)量和工程的穩(wěn)定性[4]。

3 大直徑PHC樁施工工法的應用試驗分析

3.1 試驗概況

案例工程項目占地面積3662.08m2，總建筑面積25351.32m2，建筑高度35.9m。為了驗證大直徑PHC 樁的施工設(shè)備在堅硬地層中的應用性能，使用標準靜載荷測試程序?qū)?根直徑D=1000mm、壁厚130mm的大直徑PHC樁（樁1和樁2）進行了安裝和測試。表2列出了打樁施工前從2根試樁旁邊的勘探孔樣本中獲得的現(xiàn)場地層剖面和相應的力學性質(zhì)。2根樁在穿越破碎花崗巖到明顯風化花崗巖表面的穿透深度分別為15.55m（樁1）和15.04m（樁2）。2根樁的灌漿壓力均為2.0MPa，擴孔鉆的直徑為1020mm，這表明理論上鉆孔和樁之間的待灌漿縫隙寬度為10mm。

表2 土壤材料特性

3.2 試驗結(jié)果

測試樁的荷載-沉降（即Q-s曲線）關(guān)系如圖2所示。根據(jù)相應的規(guī)定，樁1和樁2分別對應于韌性和脆性破壞模式，其極限承載力分別為Q1=20500kN和Q2=15100kN。這比傳統(tǒng)的打樁或頂樁技術(shù)以及鉆孔灌注樁的承載力要高效。高應變率測試確定了樁1和樁2的極限荷載中由樁身阻力承擔的比例分別為79.2%和69.4%。

圖2 試樁荷載-沉降關(guān)系圖

為了找出測試樁的極限承載能力差異的原因，進行了系統(tǒng)比較。首先，移除了樁頭周圍的地層（深度約2m）進行觀察，如圖3所示。孔與樁之間灌漿縫隙的實際寬度為8～17mm，樁1外表面覆蓋的水泥層略厚且具有較大的表面形態(tài)梯度，而樁2的水泥層較薄，表面形態(tài)梯度較小（即樁1的灌漿質(zhì)量更好）。通過進一步的勘探孔，發(fā)現(xiàn)2根測試樁的影響范圍，即對應于模量約95%恢復的距離（如圖4所示），大約是樁直徑的2倍。然而，2個測試樁沿樁邊緊密的土壤的平均彈性模量差異很大，樁1的平均彈性模量（31.97MPa）小于樁2（149.51MPa）。正如圖2所示，2個測試樁的卸荷路徑相符，它們之間的端部承載性能沒有明顯差異，這與高應變率測試的結(jié)果一致（樁1和樁2分別為4267kN和4633kN）。通常情況下，使用傳統(tǒng)技術(shù)安裝的樁的承載能力與周圍地層的模量和強度呈正相關(guān)，這與大直徑PHC 樁的試驗結(jié)果相反。這是因為軟弱的鉆孔有利于滲透灌漿和破裂灌漿，以實現(xiàn)較粗糙的樁-土壤界面，而模量降低引起的緩沖效應可以產(chǎn)生更均勻的應力分布。另一方面，如果灌漿質(zhì)量可以提供足夠的樁-土壤粘附效果，使破壞發(fā)生在樁周圍的地層內(nèi)，那么在堅硬地層中安裝的樁基應該表現(xiàn)更好。因此，灌漿接觸面的性質(zhì)和周圍地層的模量降低現(xiàn)象都對大直徑PHC樁的承載能力有顯著影響[5]。

圖3 清除周圍土壤后的樁頭情況

圖4 地層的平均彈性模量與安裝后測試樁中心距離的關(guān)系

4 大直徑PHC樁的施工建議

試驗測試樁的比較結(jié)果表明，灌漿質(zhì)量與地層彈性模量之間的相互作用對PHC樁的承載力具有顯著影響。具體而言，灌漿質(zhì)量的提高有助于增強承載力，但當界面強度達到一定水平后，承載力趨于一個漸進值。

在分析界面強度不變的情況下，發(fā)現(xiàn)軸阻力并非總是隨地層彈性模量的增加而增加。特別是在軟鉆孔環(huán)境中，界面強度相對較低，有利于應力從地層內(nèi)部界面處擴散。然而，實際操作中，彈性模量降低不大的鉆孔通常會導致樁土間隙變得更緊湊和堅硬，進而影響灌漿質(zhì)量。

鑒于上述觀察，本文提出以下建議以優(yōu)化大直徑PHC樁的施工效果：

（1）施工前，應對灌漿界面的抗剪強度進行詳細測試。這種測試應聚焦于確定樁周圍地層的平均彈性模量，以及與之相對應的無量綱界面強度。建議的無量綱界面強度法向值應大于0.02，這有助于確保灌漿質(zhì)量與地層間有效的力學交互。

（2）在灌漿界面的抗剪強度受到材料特性限制的情況下，如果無量綱界面強度低于0.01，則應采用特定措施。這些措施包括引導輔助孔等方法，旨在降低周圍地層的彈性模量，以此來發(fā)揮緩沖作用。通過這種方法，可以在維持較高的灌漿質(zhì)量的同時，減輕地層彈性模量對PHC樁承載力的負面影響。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種新型的混合鉆孔樁系統(tǒng)，包括施工設(shè)備組成和施工工藝流程及技術(shù)要點進行分析，并對兩根試驗樁進行了載荷測試，樁安裝深度約為15m，置于風化花崗巖中，以驗證大直徑PHC 樁在堅硬地層中的適用性和改進的承載能力。與通過自重將大直徑PHC 樁打入地下不同，這種新的系統(tǒng)允許大直徑PHC樁與混合鉆孔同時下降，并充當套管材料。該設(shè)備中設(shè)計的反饋回路有效地將實時打樁狀態(tài)的測量施工參數(shù)自動傳遞給啟動或停止執(zhí)行器的命令，使系統(tǒng)能夠及時適應地質(zhì)條件的波動，保證安裝平穩(wěn)和穩(wěn)定。本文所提出的混合技術(shù)極大地提高了大直徑PHC樁對各種地質(zhì)條件的可行性和適應性。