復雜地質條件下預應力高強混凝土管樁施工技術

馬國梁 馮家強 安會麗

中建二局第二建筑工程有限公司 廣東 深圳 518052

預應力高強混凝土（PHC）管樁是采用離心和預應力工藝成形的圓環形截面預應力高強混凝土預制構件。PHC管樁主要由圓筒形鋼筋混凝土樁身、鋼端頭板和樁套箍等組成，樁身混凝土強度等級為C80及以上。管樁上、下節常采用焊接、法蘭連接或機械接頭（螺紋式、嚙合式）連接。樁尖常采用十字形、圓錐形鋼樁尖和開口型鋼樁尖。PHC管樁是通過打入或壓入地基內達到所需的深度，來滿足建筑物對土質軟弱且埋藏較厚的地基強度、變形和穩定性要求。PHC管樁適用于穿越黏性土、淤泥土、粉土、黃土等土層，樁端進入硬黏土、密實砂土、強風化巖層等持力層，但管樁穿越厚砂土、碎石土、礫石夾層等困難，需采用特殊工藝施工[1-3]。

為解決在復雜地質條件下PHC管樁沉樁遇到的問題，前人采用錘擊貫入法、引樁法、工字型鋼-PHC管組合樁、小鋼管引孔和信息化等施工技術和樁基檢測方法[4-7]進行了施工實踐。預應力管樁很難穿過厚砂層，采用長螺旋鉆機引孔，再沉入預應力管樁，PHC管樁的施工質量大為改善[8]。針對預應力混凝土管樁無法穿越鈣質結合層，使用長螺旋引孔輔助沉樁使管樁順利進入持力層，保證了管樁的施工質量[9]。

本文以某海濱大型建筑物的PHC樁基施工為實例，針對強腐蝕性地下水和土，厚砂層、孤石、粗砂透鏡體、硬夾層、砂混淤泥等復雜地質條件下PHC管樁沉樁遇到的多種問題，對不同地質采用不同的施工工藝和控制措施，達到了較好的PHC管樁沉樁效果。

1 工程概況

1.1 地質水文概況

某大型建筑物位于濱海地帶，場地原始地貌北側主要為坡洪積臺地貌，南側主要為沖洪積階地與濱海灘涂交接地帶，現狀地面呈緩圓形-斜坡傾斜。場地的地層主要有：①人工填土、②海積層、③沖海積層、④沖洪積層、⑤坡洪積層、⑥殘積土層、⑦全風化巖、⑧強風化巖、⑨中風化巖和⑩微風化巖。場地巖土種類多，分布不均勻，各巖土層的分布、埋深、厚度及性質變化較大，不均勻性差，地下水與海水相連。建筑物地基為半挖半填地基，地質條件復雜。

1.2 樁基概況

建筑物的基礎共使用3 000多根PHC管樁（PHC 600 AB 130型）。PHC管樁的樁端需進入持力層⑧砂礫狀強風化巖不小于1.0 m。設計單樁抗壓、抗拔和抗推承載力特征值為3 000、600、150 kN。錘擊管樁沉樁以樁端進入持力層貫入度為主、樁長為輔的雙控收錘標準。

2 工程重難點

2.1 不良地質情況

2.1.1 地下水和地基土的腐蝕性

建設場地屬海岸帶腐蝕環境。場地主要由人工填土層及第四系全新統（含海積和沖海積）和上更新統沖（坡）洪積砂層組成，滲透性強，與海水相連，受潮汐影響，地下水位變化大，上層地基土處于干濕交替區。場地地下水和地基土對鋼結構和鋼筋混凝土結構具強腐蝕性。

2.1.2 不均勻風化殘留體（孤石）

巖土勘察揭露場地內不均勻分布的風化殘留體（孤石）、砂礫狀強風化硬夾層異常發育，大部分孔段揭露的孤石呈串珠狀，厚度較大。因此需要根據如此復雜的巖土地質條件選擇樁型和樁基施工工藝。

2.1.3 密實的厚砂層

巖土勘察揭露建設場地內大部分地段砂層厚度大，有粗砂透鏡體等，砂土層厚度大或密實度較高。

2.1.4 淤泥質土和砂混淤泥

場地淺層土存在淤泥質土和砂混淤泥層。砂混淤泥在錘擊樁機的施工振動作用下，會出現液化現象，在下臥淤泥質土和砂混淤泥上沉樁常常出現管樁傾斜致使管樁垂直度不滿足設計要求。

2.2 沉樁異?，F象

錘擊PHC管樁試沉樁過程觀察到以下現象：

1）錘擊PHC管樁遇到地基中的密實厚砂層、粗砂透鏡體時，管樁下沉困難，出現反彈，甚至出現樁頭爆裂。

2）錘擊PHC管樁遇到地基中風化殘留體（孤石）或砂礫狀強風化硬夾層時，PHC管樁突然發生傾斜，樁身爆裂。

3）在下臥淤泥質土和砂混淤泥上錘擊PHC管樁沉樁常發生管樁傾斜，垂直度不能滿足要求。

3 PHC管樁沉樁

針對PHC管樁在復雜地質中沉樁出現的異?，F象，通過現場反復試驗和地質勘探，針對不同的地質條件確定采用不同的施工工藝：

1）地質勘探確定地基下無孤石、硬夾層、密實厚砂層或砂混淤泥的范圍內，采用錘擊法沉樁。

2）地質勘探確定地基下有孤石的范圍內，采用植入法沉樁。

3）地質勘探確定地基下密實厚砂層或砂混淤泥層的范圍內，采用長螺旋鉆機引孔穿越厚砂層或砂混淤泥層再錘擊沉樁。

3.1 錘擊法沉樁

建筑物地基下存在粗砂層，地下水位低，不宜采用靜壓法沉樁，且周圍無居民，故PHC管樁主要采用錘擊貫入法沉樁，根據管樁規格、入土深度和工程地質條件等因素選擇HD72型筒式柴油錘擊樁機施工。

為了提高PHC管樁的抗腐蝕性能，管樁的樁身采用C80P12高強抗滲混凝土，混凝土保護層厚度為40 mm，管樁的接頭端板、套箍，樁尖等外露鋼部件考慮增加3 mm的腐蝕裕量，并涂刷防腐蝕耐磨涂料。

管樁上、下節連接采用嚙合式機械連接并采用電焊封閉樁端板之間的縫隙。接頭焊縫自然冷卻后，涂刷2遍環氧瀝青涂料，然后才可以繼續沉樁。當管樁的樁端持力層為全風化花崗巖或強風化花崗巖等遇水易軟化地層時，管樁樁底采用如圖1所示的C30微膨脹混凝土封底2.0 m，防止管樁因接頭或樁尖漏水導致持力層遇水軟化而降低管樁的承載力。

圖1 管樁樁端封底防水處理

根據試樁結果，當管樁貫入度或樁端標高接近持力層時，通過最后3陣每陣10擊的單節樁貫入度小于等于30 mm（兩節樁50 mm），或最后3陣單節樁貫入度小于等于80 mm（兩節樁120 mm）作為終止錘擊的收錘標準。錘擊管樁達到收錘標準要及時收錘，不得超擊，防止爆樁。

3.2 長螺旋引孔輔助沉樁

為了解決PHC管樁在砂質土上沉樁困難，出現爆樁和淺層下臥淤泥質土上沉樁傾斜現象，當砂層厚度達到2 m或者砂層的標準貫入度擊數大于30擊，以及下臥淺層淤泥質土層的情況，都采用長螺旋鉆機引孔穿越厚砂層或砂混淤泥層再錘擊沉樁。

長螺旋鉆機使用大動力扭矩動力頭驅動長螺旋鉆桿使鉆頭旋轉進土層，進入土層過程中也將地下土層通過螺旋葉片帶出，鉆孔中大部分泥土通過螺旋葉片送出，只有很小部分的泥土被擠壓到土層中，鉆桿在旋轉取土過程中，螺旋葉片上的泥土與螺旋鉆形成土柱，孔內的側向泥土不易坍孔。

長螺旋鉆機引孔的直徑為400 mm，引孔的深度應穿越密實厚砂層、粗砂透鏡體、淤泥質土或砂混淤泥土層，至其下方1 m，干作業成孔，在確保樁端能進入設計要求的持力層及保證設計有效樁長的前提下盡量減小引孔長度。

長螺旋鉆機引孔和錘擊管樁沉樁應隨鉆隨打，防止鉆孔坍塌。由于管樁在下層未引孔區段持力層與錘擊貫入法沉樁的持力層相當。引孔輔助沉樁的終錘標準與未引孔錘擊法沉樁的收錘標準相同。

3.3 植入法沉樁

場地內分布孤石和硬夾層，錘擊管樁遇到孤石無法下沉時，采用旋挖鉆機先鉆孔貫穿孤石，然后向孔內灌注細石混凝土，再向樁孔內插入管樁，最后錘擊沉樁。植入法管樁沉樁的施工工藝流程為：樁位測量放樣→旋挖鉆機成孔→澆筑樁側水下混凝土→錘擊樁機就位→吊樁插入→樁身對中調整→壓樁、送樁、接樁→沉樁貫入收錘。

從植入法PHC管樁的施工流程可以看到，施工流程的前半部分與旋挖成孔灌注樁的成孔和灌注水下混凝土的工藝流程基本相同，工藝流程的后半部分與錘擊管樁的施工工藝基本相同。

植樁成孔的直徑比PHC管直徑大200 mm，成孔的深度應穿越孤石或透鏡體，盡可能減小成孔深度。砂質土層宜采用泥漿護壁成孔，成孔后應及時采用導管灌入水下C25細石混凝土（粗骨料直徑小于10 mm），澆筑混凝土的體積宜為螺旋成孔的容積減去PHC管樁的體積，混凝土澆筑完畢后應立即進行錘擊管樁沉樁。

旋挖鉆機鉆孔的直徑比PHC管樁大200 mm，因此沉樁過程中確保PHC管樁的垂直度對施工質量尤為重要。為了保證PHC管樁沉樁的垂直度，在混凝土澆筑后管樁沉樁前，在旋挖成孔埋設的護筒頂部安裝對中裝置，對中裝置的內徑僅比PHC管樁的直徑大20 mm，管樁通過插入對中裝置中的圓孔沉樁，可保證沉樁的垂直度。

通常1節管樁的長度不超過15 m，當旋挖鉆機成孔的深度大于1節管樁的長度時，可能出現下節管樁送樁后還沒來得及與上節樁連接就掉入樁孔的現象。為了防止此類問題發生，植樁孔深大于樁長時，在沉樁時需在下節樁的上部安裝抱箍，下節樁沉樁后通過抱箍掛在對中裝置上，上、下節樁接樁完畢后去掉抱箍方可繼續沉樁。

4 沉樁施工結果

根據地質勘探揭露的地質條件，該工程2 143根PHC管樁采用錘擊法施工，215根PHC管樁采用長螺旋鉆機引孔輔助沉樁，890根PHC管樁采用植入法施工。通過現場施工記錄分析和樁基檢測，得到沉樁施工結果。

4.1 沉樁結果

1）雖然已根據巖土勘察報告，將揭露地層中有孤石區域的采用植入法沉樁，有厚砂層和砂混淤泥的區域采用長螺旋鉆機引孔輔助管樁沉樁，但地質條件復雜，錘擊管樁沉樁的合格率為92%。

2）長螺旋鉆機在密實厚砂層和砂混淤泥層引孔輔助沉樁，只要引孔下部沒有孤石，預制管樁沉樁順利，垂直度也在可控范圍內。

3）旋挖鉆機在有孤石的分布區域先鉆孔，再澆筑混凝土，后錘擊管樁沉樁，沉樁合格率為82%。植入法管樁施工工序多，質量管控要點多，施工中會發生以下異?，F象：

① 樁孔較深時，預制管樁無法穿透混凝土，出現樁頭爆裂等。

② 當旋挖成孔的深度很大時，可能出現下節管樁送樁后還沒來得及與上節樁連接就掉入樁孔。

當植樁區孤石埋藏深度較深時，如局部達到20 m以上，有效樁長較長，部分植入的管樁存在難以完全穿透鉆孔內灌筑的混凝土，疑為混凝土離析，或混凝土澆筑后沒及時沉樁，樁端無法擠出富集于孔底的混凝土粗骨料所致。

4.2 樁基檢測結果

管樁沉樁施工后，采用低應變對樁身完整性和單樁靜載試驗對預制管樁的單樁承載力進行檢測，檢測得到各種工藝施工的樁基承載力標準值如表1所示。

表1 管樁承載力

對比不同工藝施工的PHC管樁承載力可知，不同工藝施工的PHC管樁承載力基本相同。引孔輔助沉樁和植入法沉樁相對于錘擊法沉樁都減小了擠土效應，單樁的豎向承載力有所降低；但由于植入法施工的管樁等效于增大了管樁的直徑，PHC管樁的水平承載力有所提高。

5 結語

1）PHC管樁在一定厚度的粗砂層地基上可采用錘擊法沉樁，但砂層厚度較大或者砂層密實，或有孤石時，不應直接采用錘擊法沉樁。

2）PHC管樁在有厚砂層或密實砂層，軟弱砂混淤泥上沉樁時，采用長螺旋鉆機引孔輔助沉樁，能達到較好的施工效果。

3）PHC管樁沉樁當下有孤石時，可采用旋挖鉆機成孔、孔內灌筑細石混凝土和錘擊管樁植入法施工，成孔深度不大時可取得較好的施工效果；當成孔深度較大時，會出現預制管樁接樁困難，預制管樁無法穿透孔底混凝土等問題。

4）采用植入法和長螺旋鉆機引孔輔助施工的PHC管樁與錘擊法施工的PHC管樁承載力基本相同。