PDA在热带滨海地带大长细PHC桩基施工中的应用探讨

牛涛

摘 要：PDA检测是目前已知对PHC桩基完整性检测与单桩极限承载力检测应用最广泛最普遍的技术。PDA全程监测可在沉桩过程中，监测不同落距下的有效能量对桩身产生的压应力、拉应力、沉降量、桩身完整性、单桩承载力等重要参数并记录，以此作为对希利经验公式校对修正的重要依据。PDA成桩检测可验证桩身完整性与单桩极限承载力，并可配合全程监测提高休止期间内桩身完整性及承载力。基于此，以实际工程为依托，对PHC打入桩施工进行PDA全程监测与成桩检测，通过相关特征值数据的统计分析，在验证PHC桩身完整性与单桩极限承载力的同时总结经验，以对以后的实际施工工作起到指导作用。

关键词：压应力；拉应力；沉降量；桩身完整性；单桩极限承载力

中图分类号：TU45                               文献标识码：A                                    文章编号：2096-6903（2023）11-0084-03

0 引言

某工程位于马来西亚滨海地带，工程勘探揭示的地质表明桥梁所在地存在大量不规则软硬夹层，80 m范围内未见基岩。PHC管桩桩身强度高，穿透力强，在足够的压力下，可穿越较厚的软硬夹层、砂质土层等复杂地质，可适用于马来西亚滨海地带的地质[1]。

PHC桩基直径为600 mm，壁厚为10 cm，桩身设20根Ф9 mm的预应力钢筋，桩身混凝土强度为C80，此种C等级的桩身设计有效预压应力为7 N/mm?（MPa），桩身允许最大压应力为55 MPa。每标准节桩长分为6 m、9 m和12 m，通过桩端的预埋钢板焊接接长，平均施工桩长40～60 m不等。桩靴分为带钢棒的破岩桩靴和钢板焊接而成的十字桩靴两种，根据地质情况由设计选用。

1 检测前准备

1.1 希利动力打桩公式计算锤头落距

希利（Hiley）公式是国际上常用的动力打桩公式，一般可以通过公式（1）（2）计算。

式中：Ru为桩的贯入阻力（kN），以极限承载力代入；Wh为液压锤质量；h为锤的有效落距（cm）；f为锤击效率，无量纲；s为终锤时的贯入度（mm/击）；c为锤击时，桩土体系总的弹性变形（cm），根据经验数据取值取1.27cm；H为锤的实际落距（cm）；ε为锤击下落时的能量折减系数，取0.8；N为恢复系数；一般介于0.25～0.4，取0.4。

根据以上希利公式计算出的实际落距，在终锤过程中产生的桩身极限承载力，满足设计要求的工作荷载的2倍。通过已完桩基的PDA检测发现，按照希利公式计算的落锤高度，产生的极限承载力通常为工作载荷的2.2～2.5倍，冗余合适，满足要求。

1.2 设备调试

大应变PDA检测是通过加装在桩身上的传感器，采集应力波速、力值和时程曲线进行研判分析。因此，传感器在PHC桩身的安装必须平整牢固，安装完成后在数据采集之前需进行仪器自校，以保证检测仪器工作正常[2]。

2 全程监测结果分析

本工程车站范围内PHC桩基在打桩过程中易出现桩身损伤、桩身倾斜、不能停锤等现象，随即抽取正在施工中的P1-21、P1-23两根桩基进行了大应变PDA全程监测。监测在打桩时，中桩身内部出现的压应力、拉应力、单锤沉降量以及对应的单桩极限承载力与桩身完整性等特征值，进而分析查找产生问题的原因，检测的结果（部分）如表1所示。

表1显示，当桩基正常打入至40.8 m开始，每600 mm的落锤高度对桩身产生的压应力在27.9 MPa左右，且没有产生过大的突变，仍然满足55 MPa以内的极限要求。但此时桩身内部的拉应力由3.3 MPa突然增大至4.6 MPa，且单锤贯入度由之前的24 mm增大至35 mm以上。后保持锤头落距不变，继续沉桩至41.7 m，桩身拉应力超出5.1 MPa，但此时桩身完整性检测仍为100%。继续沉桩至43.2 m时，桩身完整性开始下降至90%，至此期间按照600 mm的落距打了77锤。继续沉桩至47.4 m时，此时桩身应力突然增大至5.4 MPa，桩身完整性也直线下降至14%，单锤沉降量也增大至48 mm。此后继续沉桩，桩身内的拉应力一直维持在较高水平，终锤时桩身完整性仅为50%，表明桩身出现断裂。在距桩底35.5 m位置处，入射波形与反射波形出现突然凸起分离，分离越多，表明桩身完整性缺陷越严重，表1中数据也显示桩身此时最大的拉应力为5.4 MPa。

P1-23 PHC桩基PDA全程监测数据（部分）记录表如表2所示。从表2可知沉桩时锤头落距维持在500 mm时，单锤贯入度平均维持在15 mm以内甚至更小，此时桩身最大压应力在21 MPa以内，最大拉应力在3 MPa以内，桩身完整性100%。随着沉桩深度至46.5 m时，单锤贯入度在5 mm左右。加大锤头落距至550 mm时，单锤贯入度没有变化，桩身的最大压应力与拉应力也一直维持在允许范围值中较安全的范围内并保持稳定。

3 成桩检测结果分析

另选一根桩基P2-25进行全程监测时，监测结果与P1-21类似，打桩过程中桩身最大拉应力超过了5 MPa，繼续沉桩至终锤时，桩身出现损伤，完整性下降为70%，但单桩极限承载力为250 t，满足设计200 t要求。第二天对该桩进行PDA检测，检测结果如表3、表4所示。

检测结果显示桩身完整性为80%，单桩极限承载力为300 t，休止期内土体重新固结，桩身完整性有所提高，同时桩基的单桩极限承载力也得到了提高，检测结果与全程监测结果理论相符。

PDA监测结果表明，引起PHC打入桩桩身完成性破环的根本原因在于桩身拉应力过大。通过PHC桩基的结构设计、应用的实际地质情况以及施工过程来进行分析，引起桩身拉应力过大的因素主要包括以下3个方面。

一是桩身垂直度控制不到位。由于直径600 mm的管桩施工桩长普遍在40 m以上，长细比较大，打入桩施工垂直度超标极易引起应力集中造成桩身破环，影响成桩质量。马来西亚滨海地带存在大量不规则的软硬夹层或是孤石，同样易造成桩身垂直度偏差过大，沉桩时易使桩身应力集中拉应力过大，进而加大桩身损坏的风险。

二是地质条件差，存在不规则软硬夹层。对1号桥的桥梁地质勘探孔的勘探资料进行统计分析，发现在有效设计桩长0～50 m范围内，存在有不规则的软硬夹层，马来西亚东海岸铁路位于滨海地带，存在此种大量不规则的软硬夹层[3]。

三是沉桩过程中锤头落距控制不合理。以上监测结果表明，当桩身压应力在允许范围内时，锤击能量大，且贯入度也较大时，桩身的极限承载力较低，桩身易出现较大的拉应力，保持较大的锤擊能量继续沉桩易使桩身缺陷扩大，甚至断桩。沉桩时锤头落距控制不合理，使桩身内产生过大拉应力，是造成桩身破坏的又一主要因素，因此在过程中合理控制锤头落距是确保成桩质量的关键[4]。

4 结束语

采用希利打桩公式下计算得出的落锤距离，在桩身垂直的正常施工情况下，桩身内产生的压应力值一般都在允许范围之内，落锤距离的变化产生的压应力对桩身没有太大的影响。而当单锤贯入度越大时，沉桩时桩身内产生的拉应力一般也会越大，反之亦然。

对于桩身强度C80，桩身直径600 mm的C级管桩，桩身设计有效预压应力为7 N/mm?。但根据全程检测结果分析，当沉桩过程中桩身最大拉应力超过5 MPa时，桩身有可能出现应力损伤，进而引起桩身裂缝等缺陷。因为桩身有效预压应力与桩身极限拉应力之间的对应关系，在施工过程中利用PDA全程监测进行验证并指导施工则显得尤为重要。

马来西亚滨海地带存在大量不规则的软硬夹层或是孤石，易造成桩身垂直度偏差过大。因此在沉桩过程中要辅以高精度水平尺、定位桩、线锤等工具，实时监测桩身垂直度。

软硬夹层的地质常会造成在沉桩过程中贯入度突变，在成桩过程中如遇单锤贯入度较大时，要减小锤头落距，轻锤低击，减小桩身内产生的拉应力，防止出现因锤击能量大、贯入度大、桩身内拉应力大进而引起桩身裂缝甚至破坏的现象。

在正常锤头落距下，单锤贯入度较小时，在满足终锤条件的情况下要按照规范及时终锤，防止因锤击次数过多（一般40 m长桩基总锤击数不应超过3 000锤）引起桩身疲劳破坏，或因桩身贯入度过小引起反弹时桩身拉应力增大，导致桩身出现裂缝等，影响成桩质量。

桩基沉桩完成休止期内，随着土体的重塑固结，单桩极限承载力会随之提高。不同的地质休止期其值会有所不同。在相对密实的砂土层中，在第二天承载力就会有一个大幅度的提升，7 d内基本稳定，在黏土层中一般会在14 d稳定。

参考文献

[1] 蒋志军，王建中.高强度预应力管桩静载试验与高应变试验的对比[J].四川建筑，2008，28（3）：77-78+81.

[2] 郭生浦，梁涛，刘永翔，等.高应变动力试桩法检测预应力管桩的完整性[J].物探与化探，1998，22（3）：234-235+233.

[3] 杜聿麟，林育军，梁培新.高应变动力试桩法对端承管桩检测的分析研究[J].物探与化探，2002（6）：483-487.

[4] 于晓东，高应变动力检测技术在大直径钻孔灌注桩中的应用实例分析[J].工程技术研究，2022，7（18）：35-37.