芯柱嵌巖樁設計與施工問題分析范文

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摘要:嵌巖樁作為一種比較特殊的樁基礎形式，其施工工藝控制要求對嵌巖樁設計至關重要。結合工程實例經驗，針對預制型芯柱嵌巖樁設計與施工過程中關于選取預制樁斜率、控制終錘貫入度、規定孔內沉渣厚度要求、確定泥漿指標等問題，通過列舉分析工程實例、試算軸向承載力及分析規范計算公式，得出了預制型嵌巖樁設計過程中關鍵參數的取值注意要點及建議值，此外還給出了施工常見問題及處理措施。

關鍵詞:嵌巖樁；斜率；貫入度；沉渣厚度

嵌巖樁包括灌注型嵌巖樁、灌注型錨桿嵌巖樁、預制型植入嵌巖樁、預制型芯柱嵌巖樁、預制型錨桿嵌巖樁或組合式嵌巖樁等。嵌巖樁具有單樁承載力高、沉降小、施工工藝相對復雜等特點，嵌巖樁廣泛應用在我國華南、東南沿海等基巖埋藏較淺區域的碼頭工程中，而其中又多以采用預制型芯柱嵌巖樁為樁基礎的工程，當中不乏10萬~30萬噸級深水大碼頭工程。預制型芯柱嵌巖樁通過在預制樁空腔內對基巖鉆孔，下放鋼筋籠后通過灌注芯柱混凝土將上部預制樁與下部基巖進行錨固。預制樁可采用鋼管樁或者混凝土管樁，筆者總結預制型芯柱嵌巖樁的碼頭工程經驗，提出預制型芯柱嵌巖樁在設計與施工方面除應考慮目前規范的要求外還應特別注意的幾個關鍵問題:選取預制樁斜率、制定合適預制樁的終錘貫入度、規定孔內沉渣厚度、確定泥漿指標。

1選取預制樁斜率

預制樁斜率的選取應考慮結構計算要求、施工期穩樁要求、成孔方式(鋁、沖)等因素綜合確定。表1統計了我國華南、東南地區近10年來的部分較典型的嵌巖樁碼頭工程的預制樁斜率情況。預制型芯柱嵌巖樁見圖1。從目前實施的工程案例來看，多數嵌巖樁工程的預制樁樁型斜率采用5.1或者更陡；部分覆蓋層較厚、土性較好的嵌巖樁工程采用4.1或者3.5.1也有成功案例。但對于斜率采用3.5.1且采用沖擊成孔項目，發現由于預制樁斜率較緩、沖擊成孔效率低下，更容易出現卡錘現象，這點須引起設計者注意。

2控制預制樁終錘貫入度

與普通樁基通過增加樁基入土深度和樁端打入良好持力層來獲得樁基軸向承載力不同，預制型芯柱嵌巖樁的樁基軸向承載力更多是通過錨固在基巖端的混凝土芯柱來提供結構所需要的軸向承載力。某工程預制型芯柱嵌巖樁入土情況見圖2。分別按鋼管樁打入強風化巖層0.5m或2.5m、中風化巖層內嵌巖段長度3m來計算鋼管嵌巖樁抗壓、抗拔承載力，計算結果見表2。從表2可以看出，預制型芯柱嵌巖樁絕大部分的軸向承載力都是由嵌巖芯柱來提供，因此上部預制樁打入部分的入土和入巖深度并非沉樁的主要控制要求。由于預制型芯柱嵌巖樁需要通過預制樁空腔在基巖內成孔后澆筑芯柱鋼筋混凝土而成，如果預制樁出現樁底(尖)卷邊、樁身變形等現象，會給后續的嵌巖成孔帶來很大的施工難度，很可能影響嵌巖的質量，進而影響承載力。因此設計中對預制型芯柱嵌巖樁在預制樁的沉樁終錘貫入度控制標準中應考慮此重要因素，尤其在基巖埋藏較淺的區域，在滿足穩樁、沉孔不塌孔的情況下宜比常規的打入樁適當放松，幾個工程案例顯示，終錘貫入度在8~10mm是較為合適的。

3規定孔內沉渣厚度

«碼頭結構設計規范»1中提供的嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力計算公式如下:式中:Qcd為嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設計值(kN)；U1和U2分別為覆蓋層樁身周長(m)和嵌巖段樁身周長(m)；ξfi為樁周第i層土的側阻力計算系數；qfi為樁周第i層土的單位面積極限側阻力標準值(kPa)；li為樁穿過第i層的長度(m)；γcs和γcR為抗力分項系數；ξs和ξp分別為嵌巖段側阻力和端阻力計算系數；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值(kPa)；A為嵌巖段樁端面積?？梢姡街袠抖说亩俗枇Ζ蝡frkA是采用嵌入基巖的巖石飽和單軸抗壓強度frk進行計算的。如果澆筑完芯柱混凝土后樁底還存留沉渣將會顯著降低樁基承載力。«碼頭結構施工規范»2規定，澆筑芯柱混凝土前，孔底沉渣厚度滿足設計要求且不大于50mm。根據嵌巖樁的承載力計算理論，筆者認為應要求芯柱混凝土澆筑后沉渣厚度為零，而不是僅對澆筑混凝土前的沉渣厚度做出規定；或者可規定通過嵌巖樁的典型施工來確定澆筑前的沉渣厚度，前提也是要求典型施工的成孔后沉渣厚度為零，這樣典型施工后確定的芯柱混凝土澆筑前的沉渣厚度可作為設計對后續嵌巖樁施工的沉渣厚度控制要求。如后期檢測過程中發現樁基出現沉渣厚度過大的情況，可通過對樁底進行高壓注漿處理。

4確定泥漿指標

碼頭結構設計規范中提供的嵌巖樁單樁軸向抗拔承載力計算公式如下:式中:Qtd為嵌巖樁單樁軸向抗拔承載力設計值(kN)；ξ′fi為第i層土的側阻力抗拔折減系數；γts和γtr為抗力分項系數；ξs為嵌巖段側阻力抗拔計算系數；G為樁重力(N)；α為樁軸線與鉛垂線夾角，其余參數含義見式(1)。從式(1)和(2)可以看出，嵌巖樁的單樁軸向抗壓、抗拔承載力計算中，樁側的摩阻力U2ξsfrkhr、U2ξ′sfrkhr也是采用嵌入基巖的巖石飽和單軸抗壓強度frk進行計算的。如果施工過程中使用泥漿護壁進行成孔并且在澆筑芯柱混凝土時仍保留有一定的泥漿濃度，那么不可避免地會造成芯柱混凝土與成孔的基巖之間存在泥漿，泥漿作為“潤滑劑”一樣的存在將會削弱混凝土芯柱和基巖之間的連接強度，降低嵌巖樁的芯柱側摩阻力。目前規范中對嵌巖樁的施工規定中對此項內容尚未有要求，建議設計時宜規定澆筑芯柱混凝土前應做到清水清孔。如有必要時也可輔助采用刷孔器對基巖孔內四周的泥漿進行刷除。

5嵌巖樁施工常見問題處理

嵌巖樁施工工藝流程較多，須經過預制樁沉樁、樁內成孔、鋼筋籠下放、水下澆筑混凝土等工序，各道工序前后緊密聯系，由于地質變化、機械設備、工人操作經驗等原因容易出現鋼管樁沉樁后變形、塌孔、卡鉆、斜孔等影響施工進度和沉樁質量的問題，各個問題相應的處理方法建議見表3。

6結語

1)考慮到施工期穩樁、成孔效率等因素，建議嵌巖樁的上部預制樁設計斜率宜控制在4.1左右。2)由于嵌巖樁的軸向承載力主要是由嵌入基巖的混凝土芯柱提供，為確保預制樁沉樁時不發生卷邊、變形，確保后續嵌巖芯柱的施工質量，建議預制樁的沉樁終錘貫入度采用8~10mm。3)為確保嵌巖樁軸向承載力符合設計，成孔后澆筑芯柱混凝土前宜清水清孔，成孔后的沉渣厚度宜為零。4)嵌巖樁施工工藝流程較多，施工質量易受地質情況、機械設備、施工經驗等因素影響，建議做好施工方案研究。5)建議嵌巖樁設計時多考慮后續施工可能帶來的影響，并在設計文件中有針對性地做出相關說明和要求。

參考文獻:

1中交第一航務工程勘察設計院有限公司.碼頭結構設計規范JTS167—2018S.北京人民交通出版社2018.

2中交第四航務工程局有限公司.碼頭結構施工規范JTS215—2018S.北京人民交通出版社2018.

作者：楊克勤 單位：中交第四航務工程勘察設計院有限公司