复杂地质条件下预应力高强混凝土管桩施工技术

2022-11-19马国梁冯家强安会丽

建筑施工 2022年8期

马国梁冯家强安会丽

中建二局第二建筑工程有限公司广东深圳 518052

预应力高强混凝土（PHC）管桩是采用离心和预应力工艺成形的圆环形截面预应力高强混凝土预制构件。PHC管桩主要由圆筒形钢筋混凝土桩身、钢端头板和桩套箍等组成，桩身混凝土强度等级为C80及以上。管桩上、下节常采用焊接、法兰连接或机械接头（螺纹式、啮合式）连接。桩尖常采用十字形、圆锥形钢桩尖和开口型钢桩尖。PHC管桩是通过打入或压入地基内达到所需的深度，来满足建筑物对土质软弱且埋藏较厚的地基强度、变形和稳定性要求。PHC管桩适用于穿越黏性土、淤泥土、粉土、黄土等土层，桩端进入硬黏土、密实砂土、强风化岩层等持力层，但管桩穿越厚砂土、碎石土、砾石夹层等困难，需采用特殊工艺施工[1-3]。

为解决在复杂地质条件下PHC管桩沉桩遇到的问题，前人采用锤击贯入法、引桩法、工字型钢-PHC管组合桩、小钢管引孔和信息化等施工技术和桩基检测方法[4-7]进行了施工实践。预应力管桩很难穿过厚砂层，采用长螺旋钻机引孔，再沉入预应力管桩，PHC管桩的施工质量大为改善[8]。针对预应力混凝土管桩无法穿越钙质结合层，使用长螺旋引孔辅助沉桩使管桩顺利进入持力层，保证了管桩的施工质量[9]。

本文以某海滨大型建筑物的PHC桩基施工为实例，针对强腐蚀性地下水和土，厚砂层、孤石、粗砂透镜体、硬夹层、砂混淤泥等复杂地质条件下PHC管桩沉桩遇到的多种问题，对不同地质采用不同的施工工艺和控制措施，达到了较好的PHC管桩沉桩效果。

1 工程概况

1.1 地质水文概况

某大型建筑物位于滨海地带，场地原始地貌北侧主要为坡洪积台地貌，南侧主要为冲洪积阶地与滨海滩涂交接地带，现状地面呈缓圆形-斜坡倾斜。场地的地层主要有：①人工填土、②海积层、③冲海积层、④冲洪积层、⑤坡洪积层、⑥残积土层、⑦全风化岩、⑧强风化岩、⑨中风化岩和⑩微风化岩。场地岩土种类多，分布不均匀，各岩土层的分布、埋深、厚度及性质变化较大，不均匀性差，地下水与海水相连。建筑物地基为半挖半填地基，地质条件复杂。

1.2 桩基概况

建筑物的基础共使用3 000多根PHC管桩（PHC 600 AB 130型）。PHC管桩的桩端需进入持力层⑧砂砾状强风化岩不小于1.0 m。设计单桩抗压、抗拔和抗推承载力特征值为3 000、600、150 kN。锤击管桩沉桩以桩端进入持力层贯入度为主、桩长为辅的双控收锤标准。

2 工程重难点

2.1 不良地质情况

2.1.1 地下水和地基土的腐蚀性

建设场地属海岸带腐蚀环境。场地主要由人工填土层及第四系全新统（含海积和冲海积）和上更新统冲（坡）洪积砂层组成，渗透性强，与海水相连，受潮汐影响，地下水位变化大，上层地基土处于干湿交替区。场地地下水和地基土对钢结构和钢筋混凝土结构具强腐蚀性。

2.1.2 不均匀风化残留体（孤石）

岩土勘察揭露场地内不均匀分布的风化残留体（孤石）、砂砾状强风化硬夹层异常发育，大部分孔段揭露的孤石呈串珠状，厚度较大。因此需要根据如此复杂的岩土地质条件选择桩型和桩基施工工艺。

2.1.3 密实的厚砂层

岩土勘察揭露建设场地内大部分地段砂层厚度大，有粗砂透镜体等，砂土层厚度大或密实度较高。

2.1.4 淤泥质土和砂混淤泥

场地浅层土存在淤泥质土和砂混淤泥层。砂混淤泥在锤击桩机的施工振动作用下，会出现液化现象，在下卧淤泥质土和砂混淤泥上沉桩常常出现管桩倾斜致使管桩垂直度不满足设计要求。

2.2 沉桩异常现象

锤击PHC管桩试沉桩过程观察到以下现象：

1）锤击PHC管桩遇到地基中的密实厚砂层、粗砂透镜体时，管桩下沉困难，出现反弹，甚至出现桩头爆裂。

2）锤击PHC管桩遇到地基中风化残留体（孤石）或砂砾状强风化硬夹层时，PHC管桩突然发生倾斜，桩身爆裂。

3）在下卧淤泥质土和砂混淤泥上锤击PHC管桩沉桩常发生管桩倾斜，垂直度不能满足要求。

3 PHC管桩沉桩

针对PHC管桩在复杂地质中沉桩出现的异常现象，通过现场反复试验和地质勘探，针对不同的地质条件确定采用不同的施工工艺：

1）地质勘探确定地基下无孤石、硬夹层、密实厚砂层或砂混淤泥的范围内，采用锤击法沉桩。

2）地质勘探确定地基下有孤石的范围内，采用植入法沉桩。

3）地质勘探确定地基下密实厚砂层或砂混淤泥层的范围内，采用长螺旋钻机引孔穿越厚砂层或砂混淤泥层再锤击沉桩。

3.1 锤击法沉桩

建筑物地基下存在粗砂层，地下水位低，不宜采用静压法沉桩，且周围无居民，故PHC管桩主要采用锤击贯入法沉桩，根据管桩规格、入土深度和工程地质条件等因素选择HD72型筒式柴油锤击桩机施工。

为了提高PHC管桩的抗腐蚀性能，管桩的桩身采用C80P12高强抗渗混凝土，混凝土保护层厚度为40 mm，管桩的接头端板、套箍，桩尖等外露钢部件考虑增加3 mm的腐蚀裕量，并涂刷防腐蚀耐磨涂料。

管桩上、下节连接采用啮合式机械连接并采用电焊封闭桩端板之间的缝隙。接头焊缝自然冷却后，涂刷2遍环氧沥青涂料，然后才可以继续沉桩。当管桩的桩端持力层为全风化花岗岩或强风化花岗岩等遇水易软化地层时，管桩桩底采用如图1所示的C30微膨胀混凝土封底2.0 m，防止管桩因接头或桩尖漏水导致持力层遇水软化而降低管桩的承载力。

图1 管桩桩端封底防水处理

根据试桩结果，当管桩贯入度或桩端标高接近持力层时，通过最后3阵每阵10击的单节桩贯入度小于等于30 mm（两节桩50 mm），或最后3阵单节桩贯入度小于等于80 mm（两节桩120 mm）作为终止锤击的收锤标准。锤击管桩达到收锤标准要及时收锤，不得超击，防止爆桩。

3.2 长螺旋引孔辅助沉桩

为了解决PHC管桩在砂质土上沉桩困难，出现爆桩和浅层下卧淤泥质土上沉桩倾斜现象，当砂层厚度达到2 m或者砂层的标准贯入度击数大于30击，以及下卧浅层淤泥质土层的情况，都采用长螺旋钻机引孔穿越厚砂层或砂混淤泥层再锤击沉桩。

长螺旋钻机使用大动力扭矩动力头驱动长螺旋钻杆使钻头旋转进土层，进入土层过程中也将地下土层通过螺旋叶片带出，钻孔中大部分泥土通过螺旋叶片送出，只有很小部分的泥土被挤压到土层中，钻杆在旋转取土过程中，螺旋叶片上的泥土与螺旋钻形成土柱，孔内的侧向泥土不易坍孔。

长螺旋钻机引孔的直径为400 mm，引孔的深度应穿越密实厚砂层、粗砂透镜体、淤泥质土或砂混淤泥土层，至其下方1 m，干作业成孔，在确保桩端能进入设计要求的持力层及保证设计有效桩长的前提下尽量减小引孔长度。

长螺旋钻机引孔和锤击管桩沉桩应随钻随打，防止钻孔坍塌。由于管桩在下层未引孔区段持力层与锤击贯入法沉桩的持力层相当。引孔辅助沉桩的终锤标准与未引孔锤击法沉桩的收锤标准相同。

3.3 植入法沉桩

场地内分布孤石和硬夹层，锤击管桩遇到孤石无法下沉时，采用旋挖钻机先钻孔贯穿孤石，然后向孔内灌注细石混凝土，再向桩孔内插入管桩，最后锤击沉桩。植入法管桩沉桩的施工工艺流程为：桩位测量放样→旋挖钻机成孔→浇筑桩侧水下混凝土→锤击桩机就位→吊桩插入→桩身对中调整→压桩、送桩、接桩→沉桩贯入收锤。

从植入法PHC管桩的施工流程可以看到，施工流程的前半部分与旋挖成孔灌注桩的成孔和灌注水下混凝土的工艺流程基本相同，工艺流程的后半部分与锤击管桩的施工工艺基本相同。

植桩成孔的直径比PHC管直径大200 mm，成孔的深度应穿越孤石或透镜体，尽可能减小成孔深度。砂质土层宜采用泥浆护壁成孔，成孔后应及时采用导管灌入水下C25细石混凝土（粗骨料直径小于10 mm），浇筑混凝土的体积宜为螺旋成孔的容积减去PHC管桩的体积，混凝土浇筑完毕后应立即进行锤击管桩沉桩。

旋挖钻机钻孔的直径比PHC管桩大200 mm，因此沉桩过程中确保PHC管桩的垂直度对施工质量尤为重要。为了保证PHC管桩沉桩的垂直度，在混凝土浇筑后管桩沉桩前，在旋挖成孔埋设的护筒顶部安装对中装置，对中装置的内径仅比PHC管桩的直径大20 mm，管桩通过插入对中装置中的圆孔沉桩，可保证沉桩的垂直度。

通常1节管桩的长度不超过15 m，当旋挖钻机成孔的深度大于1节管桩的长度时，可能出现下节管桩送桩后还没来得及与上节桩连接就掉入桩孔的现象。为了防止此类问题发生，植桩孔深大于桩长时，在沉桩时需在下节桩的上部安装抱箍，下节桩沉桩后通过抱箍挂在对中装置上，上、下节桩接桩完毕后去掉抱箍方可继续沉桩。