PHC管桩在港区陆域设施工程的应用

王凤杰，魏宝柱

（丹东港集团有限公司，辽宁 丹东 118300）

引 言

丹东港大东港区位于鸭绿江口，为滨海平原，砂层覆盖较厚，结合PHC管桩施工速度快、承载力高、质量稳定、检测方便及摩擦桩的抗拔性能、各类桩型抗弯特性等，陆域设施基础90 %为PHC管桩，桩型为 AB型，开口型桩尖。本文以港区筒仓、防风网、库房等工程的基础设计、施工为例，探讨HPC管桩单桩竖向承载力、持力层选择及沉桩措施。

1 工程概况

1.1 粮食仓储设施

图1 筒仓桩位布置示意

散粮筒仓配套建设铁路卸车线、铁路罩棚、转运塔、提升塔、中控室、消防泵房及输送栈桥。筒仓结构安全等级二级，抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级乙级，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值为 0.2g，建筑场地类别为 II类。桩位布置见图1。

1.2 散货堆场防风网

防风网总长约12 km，网高为21 m、17 m，结构安全等级二级，抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级丙级。

1.3 液体散货罐区

罐区包括燃料油罐组、汽柴油罐组、沥青润滑油罐组、LPG罐组、液体化工品罐组及办公楼、变电站、装卸站台等。

1.4 钢材库

单层钢结构仓库建筑高度20.7 m，建筑面积36 370 m2。

以上工程基础均采用PHC桩，基桩参数汇总见表1

表1 桩基参数

2 地质条件

港区位于东沟平原、鸭绿江西水道入海口的江海分界线附近，潮间浅滩高程约-2.1～4.5 m（港区零点），岸坡坡度为1°～5°，滩面向海倾斜。

土层由上下两部分（不含回填土）。上部为海相软土，厚度20～26 m，层顶高程-2.1～4.5 m；下部为古三角洲相砾石类土，层顶高程-19.1～-26.2 m，钻孔可见厚度约18 m。在海相和陆相地层之间布局存在一层粘性土与砂石，属海陆交替的沉积物。

依据地层层序与岩性，自上而下分别为第一层素填土、第二层细砂（吹填）、第三层淤泥、第四层淤泥质细砂和粉砂、第五层细砂、第六层砂卵石。经岩土参数的统计、分析，桩的侧阻和端阻极限承载力标准值见表2。

根据场地土质和地下水埋藏条件，结合标准贯入试验，按国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）判定，第四层淤泥质细砂和粉砂为中等—严重液化土。液化土层主要分界深度为9.3～11.3 m，以上土层N/Ncr为0.3～-0.75，以下土层N/Ncr为 0.81～0.95。

表2 桩的侧阻和端阻极限承载力标准值

3 基桩选择

根据现场勘查，分析港区岩土工程地质条件，结合上部结构类型、荷载特征、施工技术与环境、工程造价、工期要求及各类基桩特点等综合因素，确定基桩为AB型PHC管桩。

3.1 基桩对比分析

PHC管桩与灌注桩和水泥搅拌桩、旋喷桩、CFG桩等相比，单桩承载力高，抗弯性能好，质量可靠、工期短，受地下水和土质影响小，基础稳定性好，造价低。

1）单桩承载力高。桩身混凝土强度等级为C80，直径500 mm的PHC桩单桩竖向承载力可达2 700 kN，竖向承载力比同直径的灌注桩高。

2）抗弯性能好。桩身为高强预应力钢筋混凝土，其抗弯、抗裂性能好，桩穿透力强、耐打，能穿透密实砂层，适用于粘性土、粉土、砂土、碎石类土及持力层为强风化岩层、密实的砂层或卵石层等地质条件。

3）质量可靠、工期短。工厂化生产、质量容易控制；吊装运输便捷，接桩快捷；桩长度不受施工机械的限制，桩节搭配较灵活。

4）受地下水和土质影响小。预制管桩避免了灌注桩等的缩颈、塌孔、断桩等现象；采用高强混凝土，材料水化充分、致密、氯离子渗透速度较小。

5）基础稳定性好。桩与台座、轨道基础形成的刚性结构，基桩承载力高，承台荷载分担比小，基础沉降均匀、沉降量小，基础稳定性优于其它类桩。

6）造价低。单桩承载力高，摩擦桩具有抗拔能力，较其它类桩每吨承载力造价一般最低。

3.2 PHC管桩的缺点

桩与吊具、石块、运输设备、桩等发生碰撞后，桩体易发生断裂；沉桩锤击能大、回弹强、贯入度小时，桩头易碎裂；桩身截面小、薄壁构件，抗剪能力弱；受运输、吊装、沉桩设备等条件限制，单节桩长不大，长桩接头因施工缺欠易形成薄弱环节。

4 基桩承载力

4.1 单桩竖向承载力特征值

基桩竖向承载力应符合下列要求[1]：

荷载效应标准组合，轴心竖向力作用下Nk≤R。

地震作用效应和荷载效应标准组合，轴心竖向力作用下NEk≤1.25R。

桩竖向承载力特征值Ra=Quk/K。

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；K为安全系数，取K=2。

4.2 单桩竖向极限承载力标准值

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值：

式中：qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；u为桩身周长；li为桩穿越第i层土的厚度；Ap为桩端面积。

4.3 单桩极限抗拔承载力标准值

按群桩呈非整体破坏，计算基桩的抗拔极限承载力标准值：

式中：Tuk为基桩抗拔极限承载力标准值；ui为桩身周长；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；λi为抗拔系数，沙土取 0.5～0.7，粘性土、粉土取0.7～0.8。

单桩竖向极限承载力计算见表3。

表3 单桩竖向极限承载力计算

4.4 基桩试桩要求

建议桩长分别为30 m、36 m、28 m。其中，PHC500 AB 125-30承载力特征值采用2 000 kN，建议静压桩压力控制值4 600 kN，锤击桩贯入度控制30 mm/10击。试桩数量为总数的1 %（现场确定），不应少于3根，根据试验结果，绘制荷载～沉降（Q～S）关系曲线，确定单桩竖向极限承载力标准值。

4.5 基桩检测

采用单桩竖向静载试验确定单桩极限承载力[2]。使用 JCQ-503E载荷测试仪控载并观测沉降。利用2台3 200 kN千斤顶加荷，与ZYJ-800型静力压桩机组成反力系统，以100 MPa压力表测压，用2块百分表对称布置观测试桩沉降，试验时桩顶铺设10 mm厚粗砂找平，首级加荷和终载分别为单桩竖向承载力特征值的0.4倍、2倍。在每级荷载作用下，每小时内的桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现两次，认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。桩基检测见表4。

表4 桩基检测统计

表4中PHC500 AB 100-36型桩抗拔力要求490 kN，单桩竖向抗拔静载试验，最大上拔量23.49 mm，终极载荷700 kN，尾部弯曲变化前一级载荷为560 kN，满足设计要求。

s～lgt曲线平缓，无明显曲折。Q～s曲线为缓变型，最大沉降量小于 20 mm，卸载回弹率45.6 %～53.4 %，竖向承载力最大值可取试桩终载加荷值，单桩承载力特征值为一半的承载力最大值，均能满足设计要求。U～△曲线为缓变形曲线，根据上拔量和△～lgt曲线变化综合判定，即△～lgt曲线尾部显著弯曲的前一级荷载为极限荷载。动测实测波速4 400～4 750 m/s，波速正常，桩身完整。

4.6 单桩承载力分析

1）根据地质资料，计算PHC500 AB 125-30、PHC400 AB 95-30、PHC500 AB 100-36 、PHC 500 AB 100-28、 PHC400 AB 95-28桩单桩竖向承载力特征值分别为2 218 kN、1 639 kN、2 949 kN、2 095 kN、1 541 kN，为设计单桩竖向承载力的1.09～1.47倍。

2）检测终级荷载均达到设计要求，最大沉降量3.35～19.28 mm，Q～s曲线为缓变型，卸载回弹率 45.6 %～53.4 %，单桩竖向承载力满足设计要求。单桩竖向极限承载力计算值比静载测值小45 %～37 %[3]，估算实际竖向承载力约为设计值的1.5倍。

3）根据工程地质资料液化土层为淤泥质细、粉砂层，主要分界深度为 9.3～11.3 m，以上土层（最大厚度 3.5 m，平均厚度 0.6 m）N/Ncr为0.3～0.75，确定土层液化影响折减系数ψl为0、1/3或 2/3；以下土层N/Ncr为 0.81～0.95，土层液化影响折减系数ψl为 1[4]。液化土因震动引起的承载力与侧摩阻力下降可导致桩的过度下沉，将抗震规范中N/Ncr小于0.8的土层液化影响折减系数ψl调整为0[5]，按以上要求计算侧摩阻力特征值最大折减值为131 kN，小于单桩竖向承载力特征值的计算值与设计值的最小差139 kN。根据工程结构计算书，荷载效应标准组合轴心竖向力作用下基桩轴心竖向力Nk与地震作用和荷载效应标准组合下基桩轴心竖向力 NEK，1.0Nk＜NEK＜1.25Nk，得出NEK≤1.25Ra，单桩竖向承载力满足抗震设计要求。

4）PHC500 AB 100-36桩沉桩贯入度小于10 mm/10击，入土深度约 35 m（有效桩长约32 m），经设计、勘察、监理、施工和建设单位研究后，调整为PHC500 AB 100-32桩，以卵石层为桩端持力层，桩进入持力层1 000 mm，沉桩贯入度控制15 mm/10击。

5）基桩考虑地震水平力作用，选用AB型桩，保障基桩抗弯、抗剪强度。

5 桩基施工

根据地质条件、桩型、桩的密集程度、单桩竖向承载力及现场施工条件等因素，确定桩机、桩锤、施工工艺[6]。静压桩采用ZYJ680液压静力压桩机。锤击桩采用轨道式、履带式、步履式打桩机。

5.1 静压桩

工艺流程为测量定位→压桩机就位→吊桩、插桩→桩身对中调直→静压沉桩→接桩→再静压沉桩→送桩→终止压桩→切割桩头。

桩端平面位移超限或遇到地下障碍物时，将桩吊离孔外，待处理后，再调机施工。沉桩控制以压力值为主控，桩长为辅的“双控”原则。

遇到下列情况应立即停止施工，与设计、勘察、监理单位沟通，确定解决方案。一是压桩深度超过设计5倍桩长，油压值却达不到要求；二是桩顶和桩身混凝土破碎或产生明显裂纹；三是与相邻桩入土长度相差悬殊，或桩端不能落在同一持力层上。

5.2 锤击桩

工艺流程为测量定位→桩基就位→吊桩、插桩→校正竖向度→下达 0.5 m→复核竖向度→打桩至桩上端距离地面0.5～1.0 m→上节桩就位→电焊焊接→打桩→终止送桩。

插桩时的竖向度偏差不得超过0.5 %，确保位置及竖向度符合要求后先利用桩锤的自重将桩压入土中。根据工程地质条件，锤击沉桩初期时可能下沉量较大，宜低锤重击，随着沉桩加深，沉速减慢，起锤高度可逐步增加。

根据试桩检测，经设计、勘察、监理和建设单位论证，确定沉桩技术要求，即桩端位于第五层细砂层时，以控制桩端设计高程为主，贯入度可作参考，锤击桩贯入度30 mm/10击控制；桩端达到第六层砂卵砾石层时，以贯入度控制为主，锤击桩贯入度15 mm/10击控制，桩端高程可作参考。

遇到下列情况应立即停止施工，与监理、设计、勘察单位沟通，确定解决方案。一是沉桩过程中桩的贯入度发生突变；二是桩头混凝土剥落、破碎；三是桩身突然倾斜、跑位；四是贯入度或锤击数与试验成果明显不符。

管桩进场多为夜间、照明不足，多层堆存，造成质检有遗漏。场区原为苇塘、虾池、滩涂，修建围堰、吹填、回填形成陆域，围堰为山皮石堤心，回填为山皮石或山皮土，场区内最大块石直径达1.5 m，严重影响沉桩施工。围堰边坡内基桩施工，采取沉桩前表层3.5 m换填处理，并用同直径闭孔钢桩冲孔，停锤桩贯入度大于30 mm/3击控制，且冲孔深度大于12 m，即冲孔穿过回填层至少3 m。

初期沉桩桩锤不回弹，增加落距，整桩一次入土，桩顶入土深度1～1.5 m，导致接桩困难，不利于沉桩质量控制。原因分析为回填层厚度小、塑性变形大，重锤低击、沉桩慢、不回弹；增加桩锤落距后，土体剪切破坏，吹填层细砂侧摩阻低、端阻小，基桩在桩和桩锤的重力和惯性力作用下迅速下沉；据了解，基桩桩长10～12 m易发生初沉速率过大，基桩桩长15 m及以上不易发生初沉速率过大。锤击桩施工措施为保持重锤低击，逐步增加桩锤提升高度。静压桩施工有类似问题，施工措施为控制沉桩压力、逐步加荷。

6 结 语

港区陆域面积大，陆域基础设施种类多、荷载大；河口滨海平原为软土地基，土层较为均一，持力层较深、有起伏，地下水具腐蚀性；抗震设防要求高，基本地震烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g。PHC管桩经工程实践，验证了承载力高、抗弯和抗裂性能好、质量容易控制、工期短、沉降量小、总成本低等优越性，是河口港区陆域设施桩基础的最佳选择。结合工程实例分析基桩持力层选择和沉桩措施等，为后续工程桩型、桩长确定及制定施工方案提供参考。

1）经基桩施工、检测及结果统计，细砂层厚度大、密实度较好，不受地震液化影响可作为基桩持力层。

2）基桩竖向承载力高，且有抗拔、均匀沉降等特殊要求时，选择卵石层为持力层，进入持力层深度易为2～3倍桩径，沉桩贯入度控制15 mm/10击。

3）经抗震设计计算，选用AB型PHC管桩，并加强桩头与承台的连接，满足地震水平荷载对基桩抗弯、抗剪的要求。

4）陆域形成的回填块石对沉桩施工影响大，应在港区详规、项目设计、工程实施各阶段、全过程考虑，围堰与基桩无法相互避让时，在基桩沉桩施工前采取换填、冲孔的方法处理。

5）PHC管桩初期沉桩控制，采取重锤低击或减载静压，控制冲击力与静压力在正常沉桩荷载的20 %～30 %。