大管桩在码头工程中的应用研究

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摘要：不同桩基码头由于地质条件、施工条件等不同而具有不同的适用范围，且造价相差较大。故本文选取Φ1.2m和Φ1.4m大管桩为研究对象，初步分析了其在码头工程中的应用情况。实践证明，经采用加固措施后的Φ1.4m大管桩，更能满足沉桩要求和施工质量。

关键词：大管桩；沉桩；加固

桩基码头随着港口建设使用要求的持续提高而被广泛地应用，尤其在当前钢管桩造价比较高的背景下，大量大管桩被应用于地质条件比较复杂的大型码头工程中，桩径由Φ1.2m增加到Φ1.4m，相应的，桩锤从D100增加到D125，由此则对桩基提出更严格的要求。本文结合SCT4#~6#泊位工程实践，初步分析了大管桩在码头工程中的应用情况。

1、工程概述

本码头采用全直桩大管桩结构方案，其中6#泊位10根桩均采用Φ1.4m大管桩，5#泊位中间4根为Φ1.2m大管桩，前后轨道梁下各布置2根Φ1.4m大管桩，4#泊位同样如此。本码头地质条件复杂，存在厚度9-18m的厚砂层，且局部区域砂层下还存在3m-5m的粘土层。

2、沉桩情况

2.1D100桩锤沉桩情况

根据对80根D100桩锤沉桩（锤击数2200-3000）锤的结果观测得出，部分Φ1.4m大管桩桩尖落在比较弱的砂质粘土层上，未进入强风化层，而其他大部分均进入，相较而言，Φ1.4m的大管桩比Φ1.2m大管桩打入深度小2.8m。且沉桩后发现纵向裂缝在一些桩顶的内壁。据此判断，在厚砂层条件下，相较Φ1.4m大管桩，D100桩锤对Φ1.2m是更适用，原因在于粉质粘土层的固结沉降将造成桩基负摩擦，不利于桩基承载力。

2.2Dl25桩锤复打桩情况

对于D100桩锤沉桩后高出设计桩顶比较多的桩，本工程采用D125桩锤进行复打沉桩，经测量均打入2.8m左右，桩尖基本落入强风化层，且终锤前的贯入度约6mm，比D100桩锤的初打贯入度大。在同等条件下，D125桩锤仅仅需要锤击1200左右则可以达到设计桩尖，锤击数只占D100的40%。由此可以得出，D100桩锤的贯入能力比D125显著减少，有效能量不足。

2.3D125桩锤沉桩情况

在D125沉桩过程中发现，有部分桩顶内壁产生纵向裂缝或桩基头部集中破损，有的桩底部和中部甚至出现了4-5条长度3m的破坏性的纵向裂缝。经分析原因主要是：

（1）地质因素

本码头地质条件复杂，表层挖泥换砂后抛填中粗砂约5-7m，经振冲密实后，贯入击数达26以上，部分达32-46。如此，则造成刚锤击沉桩时，贯入度和桩入土深度均比较小，随着总锤击次数增加，对桩顶的锤击力相应也增大，最终导致内壁纵向裂缝或出现局部破碎。

（2）桩身、桩头质量因素

部分桩顶的钢抱箍出现偏离，或部分破碎的桩头，桩轴线与平面不垂直，造成锤击平面受力不均匀，混凝土受到锤击后自然容易破损，以至产生一系列的破坏。如在5#泊位前部，3号桩基拼接轴线不在一条线上，造成桩身内侧应力过于集中，最终产生裂缝。可见，高应力锤击对桩身质量要求比较高。

（3）沉桩系统因素

具体是替打、锤垫、桩锤之间协调不一致，Φ1.2m与Φ1.4m共用同一个替打，桩顶压应力比较大，桩垫比较薄，容易引起偏心锤击。

（4）沉桩控制标准因素

本工程施工前对沉桩未进行静载试验，由于高应变动载具有一定程度的误差，设计要求终锤贯入度不大于4mm/击。随着5#、6#泊位砂层分布均匀、且下面无软弱层，应该讲对沉桩控制是比较有利的，但施工中发现，部分桩基沉桩入土深度只有12m左右。鉴于此，本工程进行静载试验，试验桩资料如表2-1所示，主要结论如表2-2所示。

表2-1 试验桩详细资料

表2-2 试桩主要结论

根据表2-2可以得出，试验桩1#的抗拔承载力为3400KN，极限抗压承载力超过10056KN；试验桩1#的抗拔承载力为5100KN，极限抗压承载力超过13000KN。大直径硅管桩(Φ1.4/150)的端承力约占桩总承载力的60%，而侧摩阻力则约占40%。试桩结论得到各参建单位认可，结合前期的高应变测试结果以及地质资料，在后续沉桩施工过程中，压应力控制在19-24MPa，打桩时桩身输入能量在82kJ以上，且入土深度不少于13m，如此则能同时满足稳桩、承载力以及桩基施工质量要求。

最终经过各方一致努力，虽然个别桩基桩顶内壁裂缝、桩基头部破损现象仍然存在，但总体沉桩状况良好，共采用D125桩锤完成沉桩近280根。终锤贯入度一般小于3-5mm/击，锤击数1200~3100，桩尖达到设计位置。

3、大管桩加固方案

3.1 问题的提出

当前，从以往大管桩的工程实践经验来看，大管桩在应用之初主要在地质条件比较好的地区，如桩尖下无软弱层、地质条件比较均匀等。而在复杂的地质条件下，大管桩的应用主要存在以下两个问题。

（1）桩顶、桩身内壁裂缝或桩头破损

桩顶、桩身内壁裂缝或桩头破损的现象具有一定的普遍性，原因比较复杂，要具体情况具体分析。在大多数情况下，桩顶内壁裂缝会被桩内浇注的混凝土封闭，或随桩头被截去，对质量影响不大。至于桩头破损，桩头混凝土的抗锤击能力与沉桩要求不匹配、沉桩系统不稳定发生偏心锤击、桩头的受力状态比较复杂等都是主要原因之一。

（2）纵向开裂

纵向开裂主要发生在桩顶或桩底，桩身中间则不易出现。容易发生在软硬土质突变显著的沉桩位置，如在中风化岩以上分布软土或淤泥的条件下，管桩侧阻力较小，沉桩锤击应力明显增大，造成断桩或纵向开裂。

3.2 大管桩加固方案

1）桩尖加固

在管桩内径与钢桩尖内径大致相同时，适当加长桩尖，在一定程度上有助于保证桩身的安全性，且可以减少过多土体挤入桩内。一般标准的钢桩尖，钢板壁厚仅12mm，长度0.5m，仅适用于地质条件比较好的位置。若需要打入硬土层，则建议壁厚增大为15-19mm，桩尖加长至0.9-1.2m.

2）桩身环向加固

大管桩环向抗拉比较弱、轴向承载力强，原因在于其环向配筋无系列化，而在钢绞线股数、桩径等方面则形成系列化。根据预应力方桩施工经验，大管桩环向配筋应按不同情况配置，即Φ1.4m大管桩应比Φ1.2m大管桩加强环向箍筋等。但实际情况则是两者的环向配筋是相同的。因此，结合本工程地质条件复杂的实际情况，建议增强环向箍筋。故本工程设计提出Φ1.2m和Φ1.4m大管桩的箍筋从8mm增大为10mm，中间管节螺旋筋间距50mm/l00mm维持原状，桩顶和桩底的螺旋筋间距加密为50mm。

3）桩头加固

桩头是预应力钢绞线的锚固部位，同时是受力状态最复杂、受到锤击应力最大的部位。从重要性和受力条件而言，桩头质量应比桩身高。但对于标准型大管桩而言，实际情况同样并非如此，两者无显著区别，只是桩顶增加4mm厚长400mm钢抱箍。故建议在桩顶2m管节以60kg/m3的钢纤维混凝土代替钢抱箍，可显著提高抗锤击性能以及混凝土强度。

为了满足防腐和生产要求，钢纤维混凝土管节一般采用2m的标准节，即1节4m标准管节可由2节2m组成。在沉桩过程中，桩顶最终标高应高于设计0.7m，高出部分将包裹在桩帽内，或截去，无需防腐。但若沉桩偏低，则应采取措施防腐，如玻璃钢包裹等。

3.3 加固效果

本码头工程经采用上述加固方案加固约280根桩，经测算沉桩总锤击数在1150-2750之间，最大可达3450-3750击。其中5#泊位平均锤击数2076，平均入土深度20.8m，终锤贯入度3.9mm；6#泊位平均锤击数1636，平均入土深度16.9m，终锤贯入度4.3mm。实践表明，经加固后的桩头抗锤击能力明显增强，虽然出现少量纵向裂缝和桩头破损，但桩身总体完整，经修补后沉桩可以满足设计标高，施工顺利进行。

结论

总体而言，在地质条件比较复杂的情况下，对于Φ1.4m大管桩，采用D125锤比采用D100锤沉桩更加具有合理性。但考虑到捶击应力相应增大，故应对大管桩采取加固措施，以满足沉桩要求。虽然其存在一定的局限性，但考虑到大管桩出现纵向裂缝的复杂性，故其加固效果有待进一步探讨和论证。

参考文献：

[1] 交通部一航院. 海港工程设计手册[M]. 北京:人民交通出版社，1994

[2] 蒋凯辉等. 码头基桩损坏分析及修复[J]. 中国港湾建设，2004

[3] 刘辉. 超长预应力混凝土方桩施工技术研究[D]. 河海大学，2005

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