PHC高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁錘擊法施工中樁材損壞事故分析

  摘要：本文就PHC高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁錘擊法施工中出現(xiàn)的事故，從樁體縱向裂縫，橫向裂縫和擊碎進(jìn)行分析，對(duì)樁材損壞的因素進(jìn)行分析。表明在PHC高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行施工時(shí)需要在裂縫控制和錘擊施工作業(yè)等方面需要加以注意。

  關(guān)鍵詞：PHC高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；縱向裂縫：橫向裂縫；擊碎

  前言

  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是一種優(yōu)質(zhì)的樁基材料，倍受廣大建筑界從業(yè)者歡迎。這種樁型在日本的使用量要占樁材總量的90%以上，占絕對(duì)的主導(dǎo)地位。在我國(guó)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是八十年代末開始研制生產(chǎn)、應(yīng)用的，1993年被建設(shè)部列為全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目后，產(chǎn)量至今已翻了上百倍，發(fā)展迅猛。

  我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁發(fā)展較晚，經(jīng)過20多年的推廣應(yīng)用，獲得了業(yè)界的認(rèn)可。這種樁材具有單樁承載力大、質(zhì)量可靠、造價(jià)便宜、檢測(cè)方便、施工速度快、地質(zhì)適應(yīng)性好、穿透力強(qiáng)、施工文明等優(yōu)點(diǎn)，與其他樁基種類相比較綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是先進(jìn)的，是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目，為此榮獲1999年國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

  在推廣應(yīng)用20多年中，遇到很多植樁施工中管樁損壞問題，其數(shù)量不超過2‰。根據(jù)各地區(qū)不同的地質(zhì)情況，植樁施工中管樁損壞問題主要矛盾在于施工工藝和材料，經(jīng)過案例統(tǒng)計(jì)，按比例應(yīng)為7:3。對(duì)于施工問題（包括少量設(shè)計(jì)上和地質(zhì)上的問題）和管樁質(zhì)量（包括外徑不圓），如果大家都嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，按規(guī)程辦事，則完全能夠?qū)⒅矘稉p壞降到萬(wàn)分之幾的程度。

  目前我國(guó)管樁植樁方法主要有兩種：錘擊法（以柴油錘為主）和壓入法（以抱壓法為主），而錘擊約占70%，地區(qū)不同比例不盡相同。

  柴油錘打樁機(jī)，1938年由西德DELMAG公司首先開發(fā)，很快便在世界各地推廣使用，樁機(jī)發(fā)展至今已十分成熟，它的優(yōu)點(diǎn)是：施工靈活、進(jìn)退場(chǎng)容易、施工進(jìn)度快、操作方便、地層穿透性良好。缺點(diǎn)是噪音和油煙造成環(huán)境污染、振動(dòng)過大、操作不當(dāng)容易造成樁頭打爛和裂縫。操作員的水平對(duì)施工質(zhì)量影響較大，操作員具有良好的技術(shù)素質(zhì)就能正確判斷、靈活處理好施工中各種問題。

  靜壓法最大的優(yōu)點(diǎn)是克服了柴油錘樁機(jī)的噪音和油污染、振動(dòng)過大，但也有明顯的缺點(diǎn)，龐然大物，進(jìn)退場(chǎng)不容易，自重大會(huì)帶來擠土作用和機(jī)身不均勻沉降，夾具不圓，夾塊對(duì)數(shù)少，使管樁表面受力不均，嚴(yán)重應(yīng)力集中是造成管樁夾碎、夾裂的直接原因，且對(duì)施工場(chǎng)地要求高，現(xiàn)主要針對(duì)錘擊施工中出現(xiàn)的損樁問題進(jìn)行分析。

  錘擊法施工中的樁體損壞表現(xiàn)在，樁體縱向裂縫，橫向裂縫和擊碎，歸納起來有以下幾個(gè)方面。

  1、錘擊過程中導(dǎo)致的樁體破壞

  1）較高的壓應(yīng)力致使樁頭混凝土被擊碎，保護(hù)層劈離。

  2）樁尖部位受到強(qiáng)烈的打擊阻力或樁尖滑移使該點(diǎn)混凝土被擊碎。

  3）彎曲反射拉應(yīng)力作用引起管樁的橫向裂縫或被擊碎，有時(shí)裂縫處還有混凝土剝落現(xiàn)象。

  4）由于偏打和水力錘動(dòng)現(xiàn)象引起管樁縱裂和爆裂，其樁體損壞的原因如下：

  2、樁頭受壓破壞

  樁頭受壓破壞。管樁直徑與選用樁機(jī)型號(hào)不協(xié)調(diào)，即使選型合適，樁帽內(nèi)的緩沖墊厚度不夠或沒及時(shí)更換。施工中，選用的沖程沒有與地質(zhì)條件配合好。根據(jù)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，筒式柴油打樁錘的選用可參考表1。

  表1.選擇筒式柴油打樁錘參數(shù)表

  如果選大了錘重和調(diào)大了沖程，都有可能將樁頭打爛，特別是在管樁穿層時(shí)，控制不好沖程，很容易打爛樁頭。

  由于樁帽與混凝土樁頂之間的墊層厚度不夠而打爛樁頭，這是最常見的現(xiàn)象。在打樁現(xiàn)場(chǎng)，施工單位往往只用3～4層硬紙板或三夾板來充當(dāng)墊層，有的甚至說，既然是C80預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，則不墊也不要緊，這是不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的。國(guó)標(biāo)GB13476明確規(guī)定：樁帽與樁頭之間應(yīng)設(shè)計(jì)彈性襯墊，襯墊厚度應(yīng)均勻，且經(jīng)壓實(shí)后的厚度不應(yīng)小于120mm，在打樁期間應(yīng)經(jīng)常檢查，及時(shí)更換或補(bǔ)充。樁帽和樁錘之間應(yīng)用豎紋硬木或鋼絲繩做錘墊，其厚度應(yīng)取150mm～200mm，國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)也類似，而美國(guó)《預(yù)應(yīng)力混凝土樁設(shè)計(jì)制造及設(shè)置實(shí)用指南》更是建議每一根樁采用一個(gè)新的襯墊，以有效地減小錘擊應(yīng)力，由此可見更換襯墊對(duì)管樁在施工中的保護(hù)效果非同一般。

  當(dāng)樁頂與樁縱軸不垂直時(shí)，錘擊力將集中于樁頂高的一邊，即產(chǎn)生偏打。造成這一不利的情況有兩種可能：一是管樁的端板與管樁軸線不垂直，其端面平面度超過國(guó)標(biāo)GB13476所規(guī)定≤0.5mm的規(guī)定；二是施打時(shí)，樁身傾斜率超過GB13476中對(duì)端部?jī)A斜度的規(guī)定即≤0.5%D(D為外徑)。偏打的外觀表現(xiàn)為被打的端板一邊光亮，另一邊為黑色，如不及時(shí)停錘就會(huì)將樁頭全部擊碎，端板就不能拿出，被卡在樁帽內(nèi)，變形嚴(yán)重?zé)o法分清責(zé)任。另一個(gè)比較常見的偏打現(xiàn)象是：管樁在剛開始施打直至爛頭，并沒有出現(xiàn)樁身傾斜現(xiàn)象，但管樁受打端板還是一面光、一面黑，主要原因是施工場(chǎng)地地面松散，在施工過程中，由于震動(dòng)過大 ，樁機(jī)出現(xiàn)陷機(jī)現(xiàn)象，失去了原來調(diào)好的水平，在施打過程中沒有及時(shí)調(diào)整，使樁機(jī)和樁身不在同一條軸線上，故而出現(xiàn)偏打，造成爛樁。

  樁帽與樁徑配合不當(dāng)，過松或過緊，樁帽應(yīng)做成圓筒型，套樁頭用的筒體深度應(yīng)取350mm～400mm為宜，內(nèi)徑比管樁外徑大20mm～30mm，這樣一方面保證錘頭、樁帽、樁身在同一條垂直線上，允許略有偏差，另一方面，使樁頭在錘擊過程中有一定的橫向變形余量。

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  預(yù)應(yīng)力鋼筋的鐓頭不得凸出端板外，否則錘擊時(shí)，鐓頭凸出的縱向鋼筋變形大，它便擠壞鋼筋周邊混凝土，造成爛頭或鐓頭脫落。

  樁頭區(qū)段約3D～4D環(huán)向配筋不足或不勻，使包絡(luò)的芯部混凝土面積小，外部自由混凝土--保護(hù)層不足以抵御錘擊時(shí)的過大應(yīng)力，有時(shí)也可能在生產(chǎn)過程中環(huán)筋松動(dòng)，局部間距過大，環(huán)筋的直徑過小，裙板過窄，端板太薄也是不利因素。

  3、樁尖的受壓破壞--跪樁

  樁尖部位出現(xiàn)極其強(qiáng)烈的打擊阻力引起該部位的混凝土擊碎，這種情況往往在樁尖部位穿越基巖時(shí)就會(huì)遇到。在裸露巖石上打樁的樁尖壓應(yīng)力理論上可以達(dá)到錘頭撞擊樁頭時(shí)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力的二倍。因此，當(dāng)持力層選在中風(fēng)化、微風(fēng)化層、上層巖土薄而較軟時(shí)，施工要特別注意，不一定要打到設(shè)計(jì)高程，按最后十擊貫入度決定收錘，20～40mm十擊即可。

  持力層地形走向比較復(fù)雜，如管樁持力層坡度較大，容易造成樁尖（頭）滑動(dòng)，這時(shí)樁尖段除受垂直壓力外還受橫向彎曲外力，極易造成樁尖破壞或蹩斷，如用十字扳形鋼樁尖時(shí)，遇到持力點(diǎn)坡度大，則往往一邊著力，而另一邊處于騰空狀態(tài)，則樁尖（頭）也易破碎，繼續(xù)施工便發(fā)現(xiàn)實(shí)際用樁米數(shù)與設(shè)計(jì)高程不符，進(jìn)而檢查，便可發(fā)現(xiàn)底部混凝土碎塊，是棄而不用還是補(bǔ)樁，還是繼續(xù)施工達(dá)到收錘要求，要看現(xiàn)場(chǎng)情況而定，一般情況多數(shù)選擇繼續(xù)施，但該樁應(yīng)做靜載試驗(yàn)。

  4、橫向裂縫

  管樁是細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，它在吊裝、運(yùn)輸、堆放環(huán)節(jié)中易受彎而產(chǎn)生橫向裂縫（也叫環(huán)裂），故植樁前要檢查，這里談的是施工過程中的橫向裂縫。

  據(jù)美國(guó)PCI-1994報(bào)告中指出，錘頭打擊樁頭時(shí)，樁頭會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力以波的形式按大約3660m/s～4570m/s的速率沿樁體向下傳播，應(yīng)力波的強(qiáng)度取決于錘頭沖擊速率、樁頭墊層、樁的結(jié)構(gòu)特性和土壤的阻力，而應(yīng)力波的波長(zhǎng)主要取決于錘頭與墊層的接觸時(shí)間，長(zhǎng)的接觸時(shí)間將減小打樁應(yīng)力，沿樁身向下傳遞的壓應(yīng)力會(huì)以拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的形式從樁尖部反射上來。這取決于樁尖部的土壤阻力，如果樁尖部的土壤阻力很小或幾乎沒有，壓應(yīng)力波就會(huì)以拉應(yīng)力波的形式反射上來。樁體內(nèi)任意一點(diǎn)的凈拉應(yīng)力等于沿樁體向下傳播的壓應(yīng)力與沿體向上傳播拉應(yīng)力的代數(shù)和。是否會(huì)出現(xiàn)臨界拉應(yīng)力，將取決于最初的壓應(yīng)力值和與樁長(zhǎng)有關(guān)的應(yīng)力的波長(zhǎng)。為了防止樁的破壞，通常希望應(yīng)力波長(zhǎng)長(zhǎng)些，如果樁尖部的土壤阻力非常大，則最初沿樁身向下傳遞的壓應(yīng)力波將仍以壓力波的形式反射上來，在這種情況下，不會(huì)在樁體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而是在壓應(yīng)力波到達(dá)樁體自由端后將以拉應(yīng)力波的形式再反射回去，此時(shí)，在樁頭附近有可能出現(xiàn)臨界拉應(yīng)力，概括起來，出現(xiàn)橫向裂縫的原因有以下幾個(gè)方面：

  1）樁頭墊層不合要求，就會(huì)產(chǎn)生高振幅和短波長(zhǎng)的應(yīng)力波，這兩種都是潛在的危險(xiǎn)。

  2）當(dāng)錘頭以高速率打擊樁體，便產(chǎn)生高振幅應(yīng)力波，樁體內(nèi)的應(yīng)力與錘擊速度成正比。

  3）在打15.2m長(zhǎng)樁或更長(zhǎng)樁時(shí)，要進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算，樁尖部阻力很小或幾乎沒有，樁內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)臨界拉應(yīng)力，當(dāng)打擊拉應(yīng)力大于混凝土極限拉應(yīng)力與有效預(yù)壓應(yīng)力總和時(shí)，將出現(xiàn)橫向裂縫。管樁按混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力值分為A型、AB型、B型、C型，其值分別為4  N/mm²、6 N/mm²、8 N/mm²、10 N/mm²，所以C型樁的耐打性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A型樁。

  5、管樁縱向裂縫與爆裂

  從預(yù)應(yīng)力管樁生產(chǎn)工藝來看，只有在嚴(yán)寒冬季，又是蒸壓釜降溫操作不符合規(guī)程要求時(shí)，管樁溫度遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度（150℃以上），由溫度應(yīng)力造成的管樁外表面縱向裂縫。施工中的管樁縱裂往往發(fā)生在快收錘時(shí)刻，所以位置往往在樁頭部位，這是由于：

  1）樁頭壓應(yīng)很大，由于材料屬性關(guān)系，此時(shí)的混凝土拉應(yīng)力也很大。

  2）臨近收錘的最后階段，累計(jì)錘擊數(shù)已很高，疲勞現(xiàn)象使混凝土強(qiáng)度下降。

  3）樁到持力層時(shí)貫入度小，錘擊時(shí)，樁體震動(dòng)猛烈，樁頭處造成細(xì)微裂縫。

  4）端頭板不平整或樁身不垂直，偏打，使應(yīng)力集中加劇。

  5）樁頭段如環(huán)筋配筋率不足或直徑過小，裙板不符合要求，樁頭混凝土得不到很好的保護(hù)與加強(qiáng)。

  所謂管樁的內(nèi)部爆裂，觀其外表也是縱裂，但成因與上面的縱裂不同。爆裂的產(chǎn)生是因?yàn)楣軜妒俏捶饪诘闹锌諛?gòu)件，當(dāng)在非常軟的半液態(tài)土壤中打樁時(shí)液體壓力增大引起所謂水錘的水力錘動(dòng)現(xiàn)象，使管樁內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，管樁撐裂樁壁出現(xiàn)縱向裂縫。在砂層中打開口管樁時(shí)，也有可能造成由于泥砂堵塞而樁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部爆裂。

  結(jié)語(yǔ)

  以上各條均屬工地常見之問題，分析不到之處望同行批評(píng)指正。

  參考文獻(xiàn)：

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  3.美國(guó)PCI-1994報(bào)告《預(yù)應(yīng)力混凝土樁設(shè)計(jì)、制造及實(shí)用指南》余洪方:譯，載于中國(guó)水泥制品工業(yè)協(xié)會(huì)系列技術(shù)資料96-4