PHC管桩沉设桩身破损原因及施工对策

2011-03-12陈俊海胡伟

中国港湾建设 2011年1期

陈俊海，胡伟

（渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300452）

1 工程概况

某27万t/a脂肪酸甲酯项目码头工程，位于江苏省南通市经济技术开发区江海港区老通常汽渡码头与江山农化码头之间，由码头、引桥和引道三部分构成，为高桩梁板式结构。

码头总长215m、宽25m，共分3个分段，码头排架间距8.3m，每个排架设3根直桩、4根斜桩，斜率采用5∶1或7∶1，桩顶标高3.20m，桩长46～51m不等。两座引桥自上游起分别为1号引桥、2号引桥，长度分别为176.373m、188.339m，宽12m；靠码头端设喇叭口，引桥排架间距16m，近岸侧部分受水位影响，采用φ1 000灌注桩，其余部分全部采用PHC管桩，其中斜桩斜率采用5∶1或6∶1，桩顶标高5.34～6.34m，桩长为50m、41m两种。码头及引桥管桩全部采用φ800C+B混合型PHC管桩（上管节C型，长30m），共计298根。

2 地质情况

工程所在地区地貌类型属长江三角洲平原长江潮间带，江堤外为长江现代河床，泥面向江心倾斜，岸侧至码头前沿高程从+1.60m渐变为-10.0m。根据勘探情况本工程揭露土层自上而下划分为5个大层，及分属不同层次的14个亚层，各土层的工程地质特征[1]如下：

Ⅰ1素填土：主要分布在拟建引桥根部的长江大堤边，为黏性土，厚度为0.6～0.9m。N63.5=4击左右。

Ⅰ2冲填土（粉砂性）：分布在拟建码头引桥根部长江大堤的陆域侧，顶面标高为+7.59～+7.12m，厚度为4.9～5.4 m。N63.5=8～11击。

Ⅲ2灰色粉细砂夹淤泥质粉质黏土：该层和Ⅲ1灰色淤泥质粉质黏土夹粉砂呈相变关系，分布比较零散。顶面标高为－3.0～－13.7m，厚度为 1.4～6.5m，N63.5=3～7击。

Ⅳ1灰色粉细砂：饱和，稍密～中密。该层顶面标高为－5.0～－17.0m，厚度为 4.0～12.0m。N63.5=10～20击。

Ⅳ1t灰色粉细砂夹粉质黏土：饱和，松散～稍密。该层以透镜体状零星分布在Ⅳ1层中，分布比较零散。顶面标高为－16.0～－24.0m，厚度为 1.3～4.0m，N63.5=7～12击。

Ⅳ2灰色粉细砂：饱和，中密，局部为密实状。该土层在勘探区内均有分布，顶面标高为－13.0～－27.0m，厚度为4.0～18.0m。N63.5=17～33击。

Ⅳ2t灰色粉细砂夹粉质黏土：饱和，稍密（局部为中密状）。该层以透镜体状零星地分布在Ⅳ2灰色粉细砂层中，分布也较为零散。顶面标高一般为－22.0～－40.0m，厚度为 2.0～3.2m，N63.5=11～15击。

Ⅳ3灰色粉质黏土：饱和，可塑偏软～可塑。1号引桥区顶面标高为－23.70～－29.50m，厚度为6.0～13.7m，而其它区域顶面标高为－33.0～－40.0 m，厚度为 2.0～5.0 m。N63.5=4～9击。

由于企业资质审核不严，造成长三角地区危险品道路运输环境呈现出小、散、乱的特点，安全管理不达标。所以，要通过学习国外成熟的行业规章，制定与我国国情相符合的危险品道路运输行业市场准入机制，提高企业的市场准入门槛，例如：要求相关人员获得从业资格证并定期进行资质考核。与此同时，控制危险品道路运输企业数量的增长，并以此进行行业内的适度垄断，遏制恶性价格竞争的蔓延，促进符合安全管理标准的企业在良好的外部环境中发展，并且要彻底查处挂户经营行为，规制行业内的竞争乱象，以促进危险品道路运输行业的有序发展。

Ⅳ3t灰色粉细砂夹粉质黏土：饱和，稍密～中密。该层顶面标高为－31.5～－44.0m，厚度为2.0～8.6m不等。N63.5=12～20击。

Ⅴ1灰色粉细砂：饱和，中密～密实。该土层在勘探区内均有分布，顶面标高为－35.9～－49.0m，厚度为4.6～13.6 m。N63.5=20～40击。

Ⅴ1t灰色粉细砂夹粉质黏土：饱和，稍密～中密。该土层在拟建区域以透镜体状零星分布于Ⅴ1层中，顶面标高为－43.7～－47.3m，厚度为 1.7～2.0m。N63.5=15击。

Ⅴ2灰色粉质黏土：饱和，可塑（局部近可塑偏软）。该土层仅在勘探孔Y5和MZK2孔中有揭示，该层顶面标高为－41.3～－44.1m，厚度为 5.0～6.0m。

Ⅵ灰色细砂：饱和，密实（局部为中密状）。该层分布较广，顶面标高为－43.6～－53.2m，厚度均未揭穿。N63.5=30～48击。

3 PHC管桩沉设状况

根据《港口工程桩基规范》[2]，结合设计文件要求及地质勘查报告，选用“三航桩6号”、“奔腾桩1号”打桩船，分别配备D100、D128柴油锤进行PHC管桩水上沉设；沉桩采用GPS定位系统进行测量定位，辅之以陆上全站仪进行测量校核。

管桩沉设施工按照先引桥后码头的总体沉桩顺序，开始时沉桩施工进展顺利，桩顶标高均达到设计要求。但在随后的码头区D7、D8、C7、C7补、C8、B5桩施工过程中，连续出现突然锤击声音及沉桩贯入度异常情况，经检测为桩身破损，破损位置1根位于B型（下节）与C型（上节）桩接头以上20 cm左右，其余5根均断在接头以下20 cm处；根据现场沉桩记录及地质勘察报告，发生桩身破损时管桩接头除D7、C7补桩外，其余桩均位于泥面附近+2m位置，见表1。

表1 异常桩沉桩记录表

研究分析后，采用更换D128锤为D100锤、增加桩垫厚度至30 cm，以及“停停打打”的沉桩方法，选择下游段15G、16G、17G桩位进行试桩，但沉桩完毕经低应变检测，桩体存在严重裂纹，判定为断桩。

4 断桩原因分析

参照沉桩记录及地质勘察报告，对桩身破损原因进行分析。

1）1号引桥与码头虽然位置临近、桩长相近，但地质情况差异较大，引桥区域的河床标高为+0左右，砂层相对较薄，标贯击数较低；而码头区域河床标高普遍为-9m左右，砂层较厚，标贯击数较大，且埋深较浅。

2）码头泊位区域IV2层（灰色粉细砂）层位较高、标贯大，且自上游到下游厚度逐渐加大，对于上游IV2层不太厚时，该桩基本能轻松穿过去，一旦IV2层较厚时，沉桩阻力加大，锤击数及打桩应力必将同时增大。

3）码头5～7排架是桩身破损集中区域，最近的地质勘察钻孔Y3距该区域约23m，虽然现有勘察报告不能完全反映该异常区域地质情况，但根据对桩身破损沉桩过程分析，也可初步判断该区域的砂层较周边埋深较浅，厚度大。

4）相关研究资料[3-4]表明：沉桩过程中，在桩的承载力较小的情况下，锤击能量越大，压应力和拉应力也越大；如锤击能量一定，则阻力越大，压应力越大，拉应力也越大；在桩的承载力较大的情况下，锤击能量的变化对桩身产生的拉应力大小没有明显的影响。本工程沉桩开始后，桩尖快速穿透上部承载力较弱的土层，由标贯N63.5约10击左右的土层进入标贯N63.5达20击以上的IV2灰色粉细砂层，而此时上、下节管桩设计的接缝正处于泥面附近，桩身入泥深度较浅。众所周知，桩的承载力是由桩端承载力和桩侧负摩阻力构成的，桩周土体为桩身提供了横向约束，但由于桩身入土浅，桩身的长细比和自由度大，再加上由软弱土层突然进入硬持力层，没有过渡层，桩端阻力的突变，使桩的压应力及拉应力突然加大，最终导致整个桩体韧性最差的接头，正处于晃动弯矩最大处附近，从而引起桩身破损。

5 措施及效果

1）第一、二分段剩余60根φ800mm C+B混合型PHC管桩调整为C型φ1 000mm PHC管桩，第三分段调整为通长C型φ800mm PHC管桩，桩长均缩短8～9m。

2）根据试桩确定最终方案和桩锤型号，采用“重锤轻击”的方式调整D100锤为D128锤，达到设计标高后对试桩进行高应变测试，确保承载力满足设计承载力要求和桩身完整性。

3）更换替打内的缓冲钢丝绳，调整桩垫厚度为30 cm。

4）严格控制沉桩速度，当桩尖进入IV2灰色粉细砂层，贯入度突然变小时，及时调整油量避免锤体回跳过高，降低冲击体冲击能对桩身应力的影响。

5）调整桩长、桩径，并经试桩确定最终设计和沉桩工艺方案，使桩基施工得以顺利进行，确保了沉桩质量和工期。

6 承载力理论验算与检测

6.1 承载力理论验算

根据《港口工程桩基规范》[2]按承载力经验参数法确定单桩垂直极限承载力设计值计算公式：

式中：Qd为单桩垂直极限承载力设计值，kN；γR为单桩垂直承载力分项系数，取1.45，当地质条件复杂或永久作用所占比重较大时取1.55；U为桩身截面周长，m；qfi为单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值，kPa；li为桩身穿过第i层土的长度，m；qR为单桩极限桩端阻力标准值，kPa；A为桩身截面面积，m2。

结合《27万t/a脂肪酸甲酯项目码头工程岩土工程勘察报告》的桩基设计参数推荐值（见表2），经验算，如调整原设计持力层Ⅴ1灰色粉细砂层为Ⅳ2灰色粉细砂层中下部作为桩基持力层（桩尖置于标高－26.0～－35.0m），则：当采用φ800mmPHC管桩时，单桩垂直极限承载力标准值可达4 290～5 730 kN；当采用φ1 000mmPHC管桩时，单桩垂直极限承载力标准值可达5 300～7 090 kN左右，满足设计承载力要求。