水上施打PHC桩桩顶破损分析与对策

刘慧波 陈勃 徐鸣

摘 要：PHC桩沉桩时常会出现桩顶破损或纵向裂缝等现象，给施工带了诸多不便。本文通过对其破损原理的分析，提出相

应对策，并在实际工程中对PHC桩的制作和施工过程采取相应措施，以验证对策的实际效果，使其更好地指导施工。

关键词：PHC桩 纵向裂缝 环向膨胀应力

预应力高强混凝土管桩（简称PHC桩），由于其在单桩承载力、抗弯性能、质量稳定性及施工方便程度等方面体现了良好的实用性和经济性，故其在港口工程建设中的应用越来越广泛。但PHC桩在沉桩施工过程中，经常出现桩顶破损或纵向裂缝等现象，如不及时处理，会给工程留下诸多质量隐患。针对这些问题，本文结合苏州港太仓港区美锦码头工程施工实际，分析了PHC桩桩顶破损及桩顶以下1m范围局部砼破碎两种重要破损情况，并经过理论分析，提出了从钢管桩制作及沉桩施工两方面减少PHC桩破损的措施，并在工程实践中加以验证，以便更好地指导施工。

工程概况

苏州港太仓港区美锦码头工程共有PHC桩1999根，其中Φ800PHC桩816根，桩长44～50m；Φ1000PHC桩1183根，桩长46m～52m。根据地质资料分析，Φ800PHC桩尖进入Ⅶ1灰色粉砂，Φ1000PHC桩尖进入Ⅶ层灰色粉砂层，该层中密-密实，标贯击数为31～48击，个别≥50击。

土含量高，为砂质粉土。实测标贯击数一般为20～45击，局部击数较大，大于50击。静力触探比贯入阻力Ps加权平均值为8.79MPa。

PHC桩桩顶破损实例调查

通过对中交第三航务工程局南京分公司所属的8个项目1750根PHC进行汇总，共有66根桩存在桩顶破碎缺陷，桩顶沉桩破损率： 66/1750=3.77%，破损情况统计如下表：

表1 ：PHC桩桩身破损情况统计表

由上述调查可知，PHC桩在沉桩中出现的质量问题以桩身破碎和开裂的现象较为常见，主要部位在桩顶以下1m范围内。

PHC桩桩顶破损分析

1、纵向裂纹的产生

PHC桩在沉桩过程中桩身混凝土除了会产生纵向压应力外，同样会产生环向膨胀应力。锤击应力过大会导致桩顶混凝土受挤压而破碎，环向膨胀应力过大则会引起管桩出现纵向裂缝。

环向拉力的产生和作用可以做如下理解：试想在PHC桩沉桩中，从桩身上截出一个“典型段”做受力分析（如图1）。当锤击，时该典型段的上方受到向下的压力Fa（锤击力），典型段的下方就有一个向上的反力Fb（作用力与反作用力），贯入度越小时，反力越大。当典型段受到上下的夹击力时，圆柱体就会向内外两侧方向膨胀，产生内外侧的环向膨胀应力（Fd1和Fd2）。PHC桩的内侧由于空气压力Fc的存在，相当于受到极大约束，无法变形突破（即Fd1与Fc力基本相抵消）。故“典型段”在向外侧的环向膨胀应力Fd2作用下，有向外侧膨胀的趋势。向外膨胀意味着表面的扩张，也就是在桩的表面出现拉力，混凝土是脆性材料，当混凝土的抗拉强度小于拉力时，只能以裂缝的形式满足它的膨胀，于是出现初步的表面裂缝，随着继续锤击，裂缝继续发展，直至形成桩顶出现纵向可见裂纹。

2、“桩顶以下1m范围局部砼破碎”的产生

“桩顶以下1m范围局部砼破碎”的现象的出现有两种原因，第一种为桩身自身质量缺陷。主要表现在：制桩原材料差，端板和裙板加工精度不高，造成桩顶平整度、倾斜度不符合要求；管桩制作时，桩头严重跑浆，形成空洞，裙板不能和混凝土严格锚固。在这种情况下，当PHC桩正常沉桩时，桩顶混凝土因为平整度不好形成不均匀受力，在巨大的锤击力下，不均匀受力点容易破损，造成桩顶局部砼破碎；当端板、裙板和混凝土锚固不合格，桩头有空洞等情况下， 沉桩时裙板与混凝土容易脱落，造成桩顶破损。

“桩顶以下1m范围局部砼破碎”的第二种原因为沉桩施工原因。主要表现在偏心施打沉桩，造成桩顶发生破损。偏心打桩可能因为打桩船因水流、风力等因素发生移位；或者因为打桩锤选取不当，施打时桩锤、替打和桩身轴线未始终保持在同一中心线上，发生偏心锤击；或者因为替打与桩头不匹配、桩垫材料太薄或未加衬垫等原因。当偏心打桩后，锤击力集中在偏心部位，该区域的环向膨胀应力远大于桩身混凝土的抗拉力，形成裂缝密集区，当裂缝向里发展至PHC桩身钢筋时，PHC桩的抗拉力改由钢筋承担，抗拉强度顿时增至很大，裂缝停止向里发展，改为沿着钢筋外侧环向发展，造成桩身混凝土与钢筋脱离，形成桩身混凝土破碎情况。因为桩顶是受锤击力最大最直接的区域，故砼破碎情况一般发生在桩顶区域。

减少PHC桩桩顶破损的措施

为了防止和减少PHC桩在沉桩过程中出现桩顶破损和开裂，必须从PHC桩的生产制作和沉桩施工两方面来控制，根据上述分析，我们在本工程PHC桩生产制作和沉桩施工中采取了如下几种措施：

1、桩顶钢筋加密

混凝土结构减少裂缝的通常做法就是增加钢筋抗拉，但参考类似工程，加密PHC桩桩顶钢筋笼的箍筋，并不能有效减少桩顶裂缝出现的概率。我们分析，因为箍筋用的圆钢，延伸率较大，但混凝土是脆性材料，当环向膨胀应力增大时，箍筋受拉延长，但混凝土无法延长只能产生裂缝。且根据上面典型段的受力分析，PHC桩在锤击应力下可能外壁受拉内壁受压，而箍筋在中和轴，故箍筋对增加管桩外壁的抗拉能力帮助不大。但增加桩顶非预应力筋和加密箍筋，能有效提高桩顶的抗打击能力，使桩顶混凝土不会因受挤压而破碎。针对上述情况，我们在桩顶40cm范围内加密非预应力筋和加密箍筋，并提高桩顶端板和裙板的加工精度，且对桩顶端板裙板的锚固筋进行加密加强的方法。端板和加密的钢筋对锤击力的传递和桩顶混凝土的抗打击能力有明显提高；裙板的抱箍作用对桩顶混凝土抵抗环形膨胀应力有直接作用。

2、提高桩身混凝土密实度

混凝土的抗拉能力与混凝土强度及密实度有很大关系，强度和密实度越差，混凝土的耐锤击抗拉能力越低，出现纵向裂缝的几率越大。PHC 桩已经采用的是高强度混凝土（C80），无法从提高强度上入手。关于混凝土的密实度方面，PHC桩采用离心的方法使混凝土密实，密实度较差，但无法改变其制造工艺。于是我们从减少混凝土坍损量入手，通过选型合适外加剂，提高混凝土运送速度，采取砼搅拌用水二次投放的方法，增强PHC桩桩身混凝土性能。

3、桩尖加焊环形钢筋

众所周知，PHC摩擦桩在沉桩时，沉桩反力主要来源于桩尖端承力和桩身的侧摩擦力。随着桩身的入土深度越大，侧摩擦力就大，直至最后，反力主要来源于侧摩擦力，桩尖的端承力几乎可以忽略不计。为了有效减少桩身的侧摩擦力，我们将PHC桩的桩尖外侧加焊一根Φ20的圆钢，即桩尖截面半径比桩身半径大2cm，大大减少了沉桩时的桩身侧摩擦力。

4、改善施工工艺

选择合适的锤击能量。当贯入度较小时，锤击能力越大，桩身的反力就越大，造成的环向膨胀应力越大，故越容易造成桩身破坏。本工程我们选用三航局“三航桩7#”和“三航桩11#”打桩船，分别配DELMAG-100和DELMAG-128型柴油锤进行施工。

在施工中，基本上采用DELMAG-100型柴油锤开3挡，DELMAG-128型柴油锤开2挡，采用重锤轻打的方法进行施工。沉桩情况表明，该能量能满足Φ800和Φ1000PHC桩的沉桩要求，能沉桩至设计标高，未产生贯入度异常现象。

选用合适的桩垫木，本工程第一批桩采用的桩垫木厚度为10cm，在受力压缩后变薄，未能有效起到缓冲效果，后将桩垫厚度增加到了15cm，实践证明能有效降低施打应力。

喂桩时要校准桩、替打与锤心位于同一轴线。替打的大小与桩径要配套，在沉桩过程中保障打桩船的稳定，结合各种方法，确保不出现偏心沉桩。

实施效果

桩顶破损情况：在实施上述改进措施后的约1600余桩中，破损12根，破损率0.75%，大大低于未采取措施时的3.77%，检测报告显示桩身质量完整，全部符合Ⅰ类桩的标准。

沉桩效率：在加焊了桩尖环形钢筋后，因桩身侧摩擦力减少，有效减少了锤击数。在未采取该项措施前，同等条件下锤击数约为1800～2200；采取该措施后锤击数普遍降低至1200～1500锤，沉桩效率明显提高。

沉桩承载力：PHC桩的承载力主要靠桩身侧摩擦力，当我们扩大桩尖截面半径时，部分技术人员质疑是否会减少桩基承载力。扩大桩尖截面半径只是暂时减少了沉桩时的桩身侧摩擦力，当沉桩完成后，土层会重新固结恢复其侧摩擦力。通过检测机构对现场桩基承载力的检测结果显示：高应变复打时，加焊了桩尖环形钢筋后的桩基承载力与不加焊钢筋的桩基承载力几乎一致，且桩身质量完整，全部符合Ⅰ类桩的标准。事实证明，稍微扩大桩尖截面半径完全不影响桩基的承载力。

结论

目前PHC桩在水运工程中发展迅速，但因各种原因，桩顶在沉桩过程中容易破损，这已经严重影响到PHC 桩尤其是大直径桩的应用。事实证明，在不改变PHC桩制作和施工工艺原则的方法下，能够通过对桩顶钢筋加密、提高桩身混凝土密实度及桩尖加焊环形钢筋等方面改善PHC桩的预制质量；以及通过选择合适的锤击能量、合适的桩垫木和喂桩时要校准桩、替打与锤心位于同一轴线等方面加强PHC桩沉桩施工工艺。预制和施工方面的改善是完全有效的减少了桩顶破损情况，提高了沉桩施工效率。但在采取相应改善措施时，应注意以下几点：

扩大桩尖截面半径的方法应参考当地的地质条件，当沉桩区域地质资料显示标贯击数很大的土层有较厚时，慎用该方法。

沉桩停锤标准中的贯入度应合理确定，避免在地质条件复杂的水域施工时，低贯入度情况下仍持续锤击，造成桩顶环向环向膨胀应力过大，桩顶破损。