内河高桩码头PHC 管桩选择及质量控制研究

2021-04-01张鲁生

工程建设与设计 2021年4期

张鲁生

（济宁市港航局港航工程处，山东济宁272100）

1 工程概况

某内河高桩码头工程共需在水上施打2 945 根PHC 管桩，其中包括引桥和平台桩。引桥桩长度为47m，平台桩长度为52m，原定使用桩长33m、直径800mm、壁厚130mm 的B 型PHC 管桩。但由于船机进内河高度等因素的影响，改用桩长30m、直径800mm、壁厚110mm 的C 型PHC 管桩。同时，综合考虑桩型、工程地质以及单桩设计承载力等因素，最终确定引桥和平台PHC 管桩选用的施打锤型号为D100，码头PHC 管桩施打锤型号为D125 或D128。

2 PHC 管桩混凝土原材质量控制

进场的原材料需附有质量保证书，进场后按规定取样送检，检验合格后方可使用。采用525 号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，同时，其质量合格标准应参照现行国家标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》执行。

细骨料应为质地坚硬的天然河砂。如采用复合法，中砂的细度模数应为3.O～2.8；如采用立式法，中砂的细度模数则为3.0～2.3，其杂质含量标准应参照现行行业标准JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》（以下简称《水工规范》）执行。

粗骨料为质地坚硬的碎石，其抗压强度应超过所采用混凝土强度等级2 倍以上。如采用复合法，碎石的粒径应为5～20mm；采用立式法则为5～25mm；采用二级配，其中5～15mm与10～25mm 粒径的比例应经过混凝土配合比设计和试验确定。粗骨料的物理性能和杂质含量应参照《水工规范》的规定执行，其中水锈石含量≤10%，粒径5mm 以下含量控制在约6%。

外加剂与拌和用水的质量参照《水工规范》的规定。此外，在PHC 管桩的制作过程中常添加纤维等掺合料，目的在于提升PHC 管桩的抗冲击与抗裂能力，因为纤维掺合料的高抗拉强度能够降低高性能混凝土脆性和自收缩等情况的发生概率。而这又有利于避免其内部微裂纹的产生，减少裂缝源的数量和缩小裂缝尺度，裂缝尖端的应力强度因子因此得以降低，裂缝尖端受力集中程度也有所缓和，从而达到提升PHC 管桩抗锤击能力的效果。

3 PHC 管桩制作流程与优化设计

3.1 制作流程

PHC 管桩（即预应力高强度混凝土管桩）呈空心圆筒状，其混凝土强度等级不低于C80，是在高压、蒸汽养护下利用先张预应力离心成型工艺制成的混凝土预制构件。

3.2 桩尖

PHC 管桩的适应能力有限，在厚砂层和低压缩性的土岩层中所取得的应用效果欠佳，经过锤击处理后，易伴有管桩开裂等质量问题。鉴于此，在桩底设置桩尖，以提高管桩的穿越能力，避免发生管桩受损的情况。

3.3 锤垫

通过锤垫的应用可有效防护锤的冲击块并削弱锤击力峰值，进而争取更为充足的锤击力作用时间，使桩体获得更为可观的冲量，相较于未设置锤垫，桩体的贯入度有所增加。为达到该效果，要求锤垫材料具有适度的弹性和刚度，具体根据桩径和壁厚情况合理选择，通常以圆环形较为合适，将其稳定在管桩短板处并采取密封措施。

锤垫的存在有利于保护锤的冲击块及桩顶。推荐的制作材料为竖纹硬木垫、石棉板垫、钢丝绳垫等具有一定弹性和刚度的材料。

3.4 桩身开孔

水锤应力也是导致PHC 管桩身开裂的因素之一，解决这一问题常采用的办法是桩身开孔，通过排气（水），保持内外气（水）压基本一致，降低水锤应力。所以，为了降低水锤应力对PHC 管桩的损伤，必须检查进场的PHC 管桩的排气孔排气是否顺畅。

3.5 管桩吊运、堆存和运输质量控制

管桩吊运前加强对桩身质量的检查，在混凝土强度满足要求后方可投入使用。吊运期间将钢桁架作为辅助装置，吊索与桩纵轴呈垂直关系，若采用其他吊装方法，二者夹角需超过45°。为避免桩体失稳，吊运过程中利用钢丝绳绑扎并严格控制吊点的位置，与设计值的偏差不宜超过±200mm。考虑到绳扣易受损的情况，宜在吊点处设置衬垫。吊装作业遵循缓慢、匀速、平稳的原则，尽可能减小震动。

提前规划管桩堆放场地并清理、整平，保证堆放区域具有稳定性。按4m 的间距依次设置支垫，于上方堆放管桩，多层堆放时应根据现场地基承载力、支垫强度等方面的情况合理确定堆放层数。原则上堆放量不宜超过3 层。

4 沉桩质量控制

4.1 沉桩作业前

合格的PHC 管桩是开始沉桩作业的前提，因此，需要专职质检员与监理工程师验收进场的各批次PHC 管桩，确保其实体强度、尺寸与外观质量达标。验收通过后根据现场具体情况探摸沉桩水域的水下地形，并清理可能会妨碍沉桩的障碍物，确保沉桩作业能顺利进行。此外，起吊PHC 管桩时必须对锤帽进行清理，确保锤帽底面平滑无杂物[1]。

沉桩前由专员检测，明确桩架的垂直度，以所得测量结果为准适当调整桩架，使其精准就位。抱桩器抱桩，维持桩体的稳定性，以免在水流的冲刷作用下产生垂直度偏差。待桩体稳定后解除抱桩器，检测桩身与桩架的轴线，要求二者呈平行的关系，否则需根据实际情况合理调整，以免出现偏心锤击的现象。

4.2 沉桩作业中

以现场地质条件、锤型、桩型等方面的施工情况为参考，合理采取沉桩控制措施，提高各项控制参数的合理性。遇黏性土地质条件时以标高为主要控制对象，用贯入度辅助检验；遇风化层时采取贯入度为主、标高为辅的控制方法。

在满足如下要求后可沉桩停锤：（1）DELMAG-100 锤2 档油门锤击，若贯入度≤12cm 且经检测后桩顶满足设计标高要求，可暂停锤击作业；若采用DELMAG-128 锤2 档油门锤击的方法，要求贯入度≤15cm 且桩顶标高满足要求；（2）码头桩打设施工采用DELMAG-128 锤2 档油门锤击时，要求贯入度＜10mm 且桩顶标高达标，满足即可暂停锤击作业。

锤击施工期间的干扰因素较多，需加强检查，打桩船上的人员密切关注锤帽的实际情况，看其是否存在啃桩等异常之处，若确有存在则暂停锤击，在完成对桩船的调整作业后方可施打。锤击施工期间需安排专员密切关注过往船只，对于其航速快且存在涌浪的情况随即暂停锤击作业，后续恢复至平稳状态后方可再次沉桩[2]。

4.3 沉桩结束后

按上述所提方法完成沉桩作业后用反射波法检测桩身，明确其是否存在局部破损的情况，再组织高应动力检测，从而明确桩基轴向承载力的实际情况。为确保所得结果的准确性，检测数量应达到桩总量的10%或更多，且不可少于10 根。实际检测结果表明，PHC 管桩的波形表现良好，无波速异常的情况，桩身完整、未见缺陷。遇低水位时抓住时机及时对沉桩展开外观检测，结果表明存在纵向裂缝的桩体共为5 根，与打设期间桩顶破碎有关，如表1 所示。

5 裂缝修补

5.1 轻微裂缝

码头桩普遍偏长，锤击数量较多，在持续的外力作用下桩身易产生轻微裂缝。考虑到此类裂缝影响较小的特点，提出如下修复方案：在低水位组织修复工作，确定存在轻微裂缝的桩体并于该处夹设围檩，再紧密铺设木板，以搭建作业平台，供施工人员站立于该处安全高效地作业；待桩身达到干燥状态后涂抹环氧砂浆，达到封闭裂缝的效果，若工期较紧或存在其他情况需烘干桩身；确定轻微裂缝的发生区域，用砂纸打磨后再均匀涂抹环氧树脂，随后于该处紧密缠绕玻璃纤维布；经前述流程后取适量环氧树脂，将其均匀涂抹至玻璃纤维表面。

5.2 Ⅲ类桩

受过往船只撞击的影响，桩顶下方存在较明显的缺陷，对其展开低应变检测，结果表明该受损桩体为Ⅲ类PHC 管桩。以实际情况为立足点提出如下修复方案：

扶正桩体，设置槽钢和对拉螺栓杆，使其可保持正常的姿态；检测桩芯内泥面的标高，实际位置高于缺陷下5m，用高压水泵清理，向桩芯内下放钢筋笼并使其达到缺陷下5m 的位置，组织水下灌注混凝土施工，直至达到桩顶处为止。以钢板为基础材料，经过卷板机的卷制处理后制得钢套筒，在顶部通过焊接的方式设置2 根槽钢，启用起吊船，将其稳定吊住钢套筒，于该处稳定设置平板振动器；经检查若无误则开启平板振动器，使该装置缓慢向下振动，到达钢套筒标高处后暂停；经检测后确定泥面的具体位置，泥面高于裂缝3m，则用高压水泵冲洗，将制得的钢筋笼下放至钢套筒内，到达缺陷下3m 处即可停止，采用焊接工艺将下导管与料斗稳定连接，再组织混凝土浇筑作业，到达裂缝上2.5m 处即可停止。在做好前述工作后安排潜水员切割钢套筒，确保其在低水位时不出现外露的情况。