浅层坚硬地质条件下的PHC管桩沉桩技术
刘阳威+李鼎鼎+张晓欣
摘 要：本文主要对浅层遭遇高密实度粉细砂层地质条件情况下，出现PHC管桩沉桩困难时，对几种可能采取的施工方法进行了对比分析，最终采用了加长桩靴的组合桩的方案，沉桩效果得到有效改善，可供今后类似工程参考。
关键词：浅层坚硬地质；铁板砂；组合桩；PHC管桩沉桩；钢桩靴
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）1-0051-04
1 工程概况
江阴某码头扩建工程，是在已建好的码头平台上游新扩建一个长189m、宽45m的码头平台，其中前平台宽 30m、后平台宽 15m。码头为高桩梁板结构，按靠泊 15 万吨级船舶设计和建设，共有26榀排架，分3个结构段。1#～25#排架桩基采用Φ1000mmPHC桩，靠近下游已建码头的端部26#排架采用Φ1000mm 钢管桩。前平台每榀排架布置8根桩，其2根直桩和6根斜桩；后平台每榀排架布置4根桩，其中2根直桩和2根斜桩。码头平台共有PHC管桩300根，钢管桩12根。原设计桩长，前平台为48m，后平台为46m。前、后平台上部结构均由横梁、靠船构件、纵向梁系、迭合面板及配套附属设施组成，码头结构断面見图1所示。
2 地质情况
本工程地貌上属长江南岸冲积平原，在勘探深度范围内，地基土属冲积环境下沉积的粘性土、粉土及粉砂，按沉积年代、成因类型、土性和状态以及物理力学性质的差异，可分为①～⑦共7个工程地质层，本工程以第⑦层粉细砂作为码头桩基持力层。各土层物理力学性质详见表1，土层分布情况见图2。
从以上地质资料可以看出，本工程桩基在施工过程中，穿过厚度较薄、松散的第①层淤泥后，立即进入第④层，该层为密实度较高及厚度较厚的粉细砂层，俗称“铁板砂”。之后又进入较软弱的第⑤、第⑥层，最后进入持力层第⑦层。
3 设计参数
本工程PHC管桩及钢管桩设计参数详见表2。
4 沉桩情况
本工程先施工下游端部26#排架钢管桩，再施工25#～1#排架PHC管桩，总体上从岸侧往江侧，自下游向上游方向沉桩。沉桩设备，选用能施打68m以上桩长的专用打桩船，配D-138型柴油锤。
2016年1月22日，开始施工26排架钢管桩，D138锤开3档进行锤击，单根桩锤击1500锤左右，最终贯入度为5～10mm，桩顶标高及承载力均满足设计要求。随后开始施工PHC管桩。采用D138锤不低于2档进行锤击，一开始没多久，在桩尖进入第④层粉细砂层时，贯入度就开始逐渐变小，最小时只有1～2mm。但由于入土深度较浅，设计要求继续往下施打。穿过第④-3后，贯入度有所增加，约8～15mm，在接近第⑦层时，贯入度又逐渐减小。最终贯入度在3mm左右时，设计要求停锤，此时总锤击数已达到4500锤左右，超出《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）中锤击数不宜超过2500锤的建议。单根桩锤击时间需2个小时左右，而且柴油锤在长时间不间断锤击时，锤体温度逐渐升高，活塞环密封效果减弱，导致柴油锤锤能变小，打桩锤也容易打坏，因此在锤击过程中需停锤冷却，导致单根桩的施工时间更长，每天只能施工2～3根桩。在过多锤击数的敲击下，部分桩头出现破损甚至桩身出现严重缺陷。大部分桩高出设计标高较多，但经高应变检测，桩基承载力均能达到8000KN以上，桩基高应变检测数据见表3。
5 原因分析
根据试桩情况，大家分析认为PHC桩沉桩困难，主要原因是在浅层就遇到厚度大密实度高的粉细砂层，该层厚11.2～17.9m，而且地勘报告中的标贯击数偏保守。根据经验，粉细砂土在锤击振动作用下，会使桩周土体排水固结从而提高土体抗剪强度，导致桩端阻力增加。而且Φ1000mmPHC管桩壁厚为130mm，土体在桩身的排挤下变得更加密实，引起桩端阻力和桩身侧摩阻力变得更大。
由于PHC桩桩身为高强度预应力混凝土结构，在过多的锤击作用下，容易引起桩头破裂、桩身出现细微的纵向裂纹，甚至断裂，既增加成本，又难以确保桩基质量。为了确保工程顺利进行，必须制定一个切实可行的沉桩方案。
6 方案研究及实施
针对前期试桩情况，为了确保桩基质量，减少锤击数，加快沉桩速度，提高施工效率，我们对多种优化方案进行了分析总结，并进行了试验，具体情况如下：
6.1 全部改打钢管桩
根据26#排架钢管桩沉桩情况，不难发现由于钢管桩壁厚薄，且不用担心桩身出现质量问题，在施打过程中可以适当提高锤能，因此锤击数、贯入度、标高及承载力均能达到设计及规范要求。每天可以完成8根桩左右，所以从技术上讲，全部采用钢管桩是可行的。但是购买一根钢管桩比一根PHC桩需增加约1.1倍的成本，总共需增加1000万左右。
6.2 PHC管桩水冲法沉桩
水冲法沉桩，即采用高压水冲刷桩尖下土层，减小桩端阻力和土层与桩身的摩擦力，达到顺利沉桩的目的。根据以往已有类似工程的施工经验，采用此法施工可能会出现以下问题：
（1）容易引起桩基发生过大偏位，超出设计及规范要求，偏位后又要采取补桩、加大上部结构尺寸等措施补救。
（2）由于桩基较长，拆、接管数量多，且容易发生堵管，正常情况下一天也只能完成3～4根桩，施工效率得不到有效提高，且沉桩费用需增加一倍，约200万元。
（3）后期易产生不均匀沉降，反映至码头面层，使面层产生裂缝。
（4）码头整体稳定性有所降低，在生产作业时码头容易晃动。
6.3 现场加长桩靴2m、4m
根据钢桩靴有较强穿透力的特点，我们提出了在现有1m桩靴基础上，再分别增加几根2m、4m两种长度的钢桩靴。钢桩靴在厂里制作好后，现场拼接好后，进行试验。
经现场试桩发现，加长2m钢桩靴后沉桩效果提升不太明显，但加长4m钢桩靴后，在桩尖达到相同标高时，锤击数能减少600锤左右。说明加长钢桩靴有一定的效果，桩靴越长，提升效果越明显。
6.4 改用桩靴长7m、9m的组合桩
经商讨，继续加长钢桩靴至7m、9m两种规格，同时减短PHC管桩混凝土管节部分，保持桩基总长度不变，两种组合桩，各制作10根，运至现场进行试验。经现场试桩发现，沉桩效果有明显改善，整个沉桩过程都比较顺利，锤击数减少至3000锤左右，贯入度有所提高，能比较顺利的达到设计标高。总体上9m桩靴比7m桩靴锤击数略有减少。经核算，全部采用7m桩靴的组合桩需增加成本约200万元，全部采用9m桩靴组合桩需增加成本约300万元。
经现场实际试桩效果检验，对比各种方案优化效果及费用增加情况，最终选择了施工优化效果较好、最经济的7m钢桩靴组合桩的方案，使得本工程沉桩施工得以顺利进行。
7 效果检查
综合本工程沉桩情况，在沉桩方案优化之前，总共试桩38根，其中出现8根Ⅲ类桩，桩头破损12根，且普遍高出设计标高较多。正常情况下，每天只能完成沉桩2～3根，经常还要修补桩头、补桩、维修打桩锤。不仅浪费了大量的施工成本，工期也无法保证。
经过多种方案对比，选择采用7m桩靴组合桩后，沉桩效果大大改善。经高、低应变抽检，桩基承载力均满足设计要求，在后续270根PHC桩中，只出现了2根Ⅲ类桩，另有6根桩出现桩头破损。这种组合桩不仅制作简单、方便，沉桩速度可以有效提高，每天可以完成沉桩5根以上，最多一天完成了8根。同时采用7m桩靴的组合桩只增加了成本200万元，比全部采用钢管桩节约了800万元，经济效果明显。
8 结束语
高桩码头最关键的工序就是沉桩施工，桩基质量的好坏，直接关系到码头的整体质量及使用寿命。沉桩速度的快慢也制约着上部结构施工的快慢，是码头施工的关键节点，因此如何处理好桩基问题是码头施工的首要问题。
本工程在浅层就遭遇坚硬“铁板砂”的情况下，经过慎重的分析总结，最终采取了即经济、又有利于确保桩基质量的加长桩靴的组合桩办法，解决了沉桩困难的大问题。虽然改进之后，锤击数还是有3000锤左右，相比其他高桩码头，锤击数有所偏高，但在如此坚硬地质条件下能达到这样的效果，在某种程度上是一种经济与技术的合理切入点，值得类似高桩码头借鉴。
摘 要：本文主要对浅层遭遇高密实度粉细砂层地质条件情况下，出现PHC管桩沉桩困难时，对几种可能采取的施工方法进行了对比分析，最终采用了加长桩靴的组合桩的方案，沉桩效果得到有效改善，可供今后类似工程参考。
关键词：浅层坚硬地质；铁板砂；组合桩；PHC管桩沉桩；钢桩靴
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）1-0051-04
1 工程概况
江阴某码头扩建工程，是在已建好的码头平台上游新扩建一个长189m、宽45m的码头平台，其中前平台宽 30m、后平台宽 15m。码头为高桩梁板结构，按靠泊 15 万吨级船舶设计和建设，共有26榀排架，分3个结构段。1#～25#排架桩基采用Φ1000mmPHC桩，靠近下游已建码头的端部26#排架采用Φ1000mm 钢管桩。前平台每榀排架布置8根桩，其2根直桩和6根斜桩；后平台每榀排架布置4根桩，其中2根直桩和2根斜桩。码头平台共有PHC管桩300根，钢管桩12根。原设计桩长，前平台为48m，后平台为46m。前、后平台上部结构均由横梁、靠船构件、纵向梁系、迭合面板及配套附属设施组成，码头结构断面見图1所示。
2 地质情况
本工程地貌上属长江南岸冲积平原，在勘探深度范围内，地基土属冲积环境下沉积的粘性土、粉土及粉砂，按沉积年代、成因类型、土性和状态以及物理力学性质的差异，可分为①～⑦共7个工程地质层，本工程以第⑦层粉细砂作为码头桩基持力层。各土层物理力学性质详见表1，土层分布情况见图2。
从以上地质资料可以看出，本工程桩基在施工过程中，穿过厚度较薄、松散的第①层淤泥后，立即进入第④层，该层为密实度较高及厚度较厚的粉细砂层，俗称“铁板砂”。之后又进入较软弱的第⑤、第⑥层，最后进入持力层第⑦层。
3 设计参数
本工程PHC管桩及钢管桩设计参数详见表2。
4 沉桩情况
本工程先施工下游端部26#排架钢管桩，再施工25#～1#排架PHC管桩，总体上从岸侧往江侧，自下游向上游方向沉桩。沉桩设备，选用能施打68m以上桩长的专用打桩船，配D-138型柴油锤。
2016年1月22日，开始施工26排架钢管桩，D138锤开3档进行锤击，单根桩锤击1500锤左右，最终贯入度为5～10mm，桩顶标高及承载力均满足设计要求。随后开始施工PHC管桩。采用D138锤不低于2档进行锤击，一开始没多久，在桩尖进入第④层粉细砂层时，贯入度就开始逐渐变小，最小时只有1～2mm。但由于入土深度较浅，设计要求继续往下施打。穿过第④-3后，贯入度有所增加，约8～15mm，在接近第⑦层时，贯入度又逐渐减小。最终贯入度在3mm左右时，设计要求停锤，此时总锤击数已达到4500锤左右，超出《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）中锤击数不宜超过2500锤的建议。单根桩锤击时间需2个小时左右，而且柴油锤在长时间不间断锤击时，锤体温度逐渐升高，活塞环密封效果减弱，导致柴油锤锤能变小，打桩锤也容易打坏，因此在锤击过程中需停锤冷却，导致单根桩的施工时间更长，每天只能施工2～3根桩。在过多锤击数的敲击下，部分桩头出现破损甚至桩身出现严重缺陷。大部分桩高出设计标高较多，但经高应变检测，桩基承载力均能达到8000KN以上，桩基高应变检测数据见表3。
5 原因分析
根据试桩情况，大家分析认为PHC桩沉桩困难，主要原因是在浅层就遇到厚度大密实度高的粉细砂层，该层厚11.2～17.9m，而且地勘报告中的标贯击数偏保守。根据经验，粉细砂土在锤击振动作用下，会使桩周土体排水固结从而提高土体抗剪强度，导致桩端阻力增加。而且Φ1000mmPHC管桩壁厚为130mm，土体在桩身的排挤下变得更加密实，引起桩端阻力和桩身侧摩阻力变得更大。
由于PHC桩桩身为高强度预应力混凝土结构，在过多的锤击作用下，容易引起桩头破裂、桩身出现细微的纵向裂纹，甚至断裂，既增加成本，又难以确保桩基质量。为了确保工程顺利进行，必须制定一个切实可行的沉桩方案。
6 方案研究及实施
针对前期试桩情况，为了确保桩基质量，减少锤击数，加快沉桩速度，提高施工效率，我们对多种优化方案进行了分析总结，并进行了试验，具体情况如下：
6.1 全部改打钢管桩
根据26#排架钢管桩沉桩情况，不难发现由于钢管桩壁厚薄，且不用担心桩身出现质量问题，在施打过程中可以适当提高锤能，因此锤击数、贯入度、标高及承载力均能达到设计及规范要求。每天可以完成8根桩左右，所以从技术上讲，全部采用钢管桩是可行的。但是购买一根钢管桩比一根PHC桩需增加约1.1倍的成本，总共需增加1000万左右。
6.2 PHC管桩水冲法沉桩
水冲法沉桩，即采用高压水冲刷桩尖下土层，减小桩端阻力和土层与桩身的摩擦力，达到顺利沉桩的目的。根据以往已有类似工程的施工经验，采用此法施工可能会出现以下问题：
（1）容易引起桩基发生过大偏位，超出设计及规范要求，偏位后又要采取补桩、加大上部结构尺寸等措施补救。
（2）由于桩基较长，拆、接管数量多，且容易发生堵管，正常情况下一天也只能完成3～4根桩，施工效率得不到有效提高，且沉桩费用需增加一倍，约200万元。
（3）后期易产生不均匀沉降，反映至码头面层，使面层产生裂缝。
（4）码头整体稳定性有所降低，在生产作业时码头容易晃动。
6.3 现场加长桩靴2m、4m
根据钢桩靴有较强穿透力的特点，我们提出了在现有1m桩靴基础上，再分别增加几根2m、4m两种长度的钢桩靴。钢桩靴在厂里制作好后，现场拼接好后，进行试验。
经现场试桩发现，加长2m钢桩靴后沉桩效果提升不太明显，但加长4m钢桩靴后，在桩尖达到相同标高时，锤击数能减少600锤左右。说明加长钢桩靴有一定的效果，桩靴越长，提升效果越明显。
6.4 改用桩靴长7m、9m的组合桩
经商讨，继续加长钢桩靴至7m、9m两种规格，同时减短PHC管桩混凝土管节部分，保持桩基总长度不变，两种组合桩，各制作10根，运至现场进行试验。经现场试桩发现，沉桩效果有明显改善，整个沉桩过程都比较顺利，锤击数减少至3000锤左右，贯入度有所提高，能比较顺利的达到设计标高。总体上9m桩靴比7m桩靴锤击数略有减少。经核算，全部采用7m桩靴的组合桩需增加成本约200万元，全部采用9m桩靴组合桩需增加成本约300万元。
经现场实际试桩效果检验，对比各种方案优化效果及费用增加情况，最终选择了施工优化效果较好、最经济的7m钢桩靴组合桩的方案，使得本工程沉桩施工得以顺利进行。
7 效果检查
综合本工程沉桩情况，在沉桩方案优化之前，总共试桩38根，其中出现8根Ⅲ类桩，桩头破损12根，且普遍高出设计标高较多。正常情况下，每天只能完成沉桩2～3根，经常还要修补桩头、补桩、维修打桩锤。不仅浪费了大量的施工成本，工期也无法保证。
经过多种方案对比，选择采用7m桩靴组合桩后，沉桩效果大大改善。经高、低应变抽检，桩基承载力均满足设计要求，在后续270根PHC桩中，只出现了2根Ⅲ类桩，另有6根桩出现桩头破损。这种组合桩不仅制作简单、方便，沉桩速度可以有效提高，每天可以完成沉桩5根以上，最多一天完成了8根。同时采用7m桩靴的组合桩只增加了成本200万元，比全部采用钢管桩节约了800万元，经济效果明显。
8 结束语
高桩码头最关键的工序就是沉桩施工，桩基质量的好坏，直接关系到码头的整体质量及使用寿命。沉桩速度的快慢也制约着上部结构施工的快慢，是码头施工的关键节点，因此如何处理好桩基问题是码头施工的首要问题。
本工程在浅层就遭遇坚硬“铁板砂”的情况下，经过慎重的分析总结，最终采取了即经济、又有利于确保桩基质量的加长桩靴的组合桩办法，解决了沉桩困难的大问题。虽然改进之后，锤击数还是有3000锤左右，相比其他高桩码头，锤击数有所偏高，但在如此坚硬地质条件下能达到这样的效果，在某种程度上是一种经济与技术的合理切入点，值得类似高桩码头借鉴。
