超长PHC桩沉桩的可行性研究

胡 钧，张建龙，高倚山，孙亚哲，黄文君

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院，上海 200063)

1 概述

近年来, 在软土地区, 随着中、高层建筑及大跨度桥梁的大规模建设, 超长PHC桩以其具有较高单桩承载力的优点在工程上应用数量急剧增多。由于超长PHC桩有效桩长较长，沉桩过程中穿越土层较厚，一般需要较大的锤击能量及较高的锤击数，容易引起桩头、桩身疲劳破坏，无法沉桩至设计标高等问题；且沉桩过程中穿越软硬交替土层较多，当穿越硬软土层时，容易形成较强的拉应力波从而导致桩身开裂。为此，笔者开展了超长桩工况下的一系列可打性数值模拟分析及现场试验研究，以期得出超长PHC桩沉桩时更加合理的技术参数与打设措施。

2 研究方法

2.1 打桩波动方程分析程序

对于超长PHC桩，可以利用打桩波动方程模拟计算特定地质条件下的打桩全过程，得到桩身动应力变化、承载力情况及锤击数等丰富信息，可以帮助设计人员确定桩基类型、承载力及打桩系统，以及提前进行沉桩可行性的分析评价。目前世界上首选打桩波动方程分析程序就是GRLWEAP，它可模拟冲击或振动打桩机在打入过程中桩的运动及受力情况。对于给定的桩锤系统，可依据实测的锤击数计算打桩阻力、桩身动力应力变化及预估承载力；可利用贯入度替代锤击数进行振动打入桩分析；对于已知土质情况及承载力要求，可帮助选择合适的锤和打桩系统；可打性分析可确定打桩过程中桩身应力是否超限或拒锤不能打入预期深度；另外还可估计总打入时间。

2.2 高应变检测试验

高应变检测试验技术是从打入式预制桩发展起来的，试打桩和打桩监控属于其特有的功能，高应变法不仅能够检测工程桩的桩身完整性,也能够测试单桩竖向抗压承载力,还能对打桩过程进行监控。它能监测预制桩打入时的桩身应力(拉、压应力)、锤击系统的能量传递率、桩身完整性变化,进而控制打桩过程中的桩身应力和减少打桩破损率，为合理选择沉桩设备、桩型、确定合理的沉桩工艺参数、桩端持力层以及停锤标准提供依据,进而进行沉桩可行性分析评价。因此，在试桩和工程桩阶段采用高应变动测来检验沉桩可行性，可以确定优化打桩工艺，合理的桩基设计，以及良好的工程桩检验效果。

3 工程概况

某公司拟在崇明岛建设燃气—蒸汽联合循环机组作为支撑电源，本工程是老厂机组改造，易地新建电源点的工程项目。由于电厂机组设备的上部结构和设备荷重较大，对地基土的强度和变形要求均较高，根据可研阶段的岩土工程勘察资料，重要建构筑物需采用桩基才能满足工程要求，为了选择合适的桩型、桩长，须进行试桩。厂区场地勘察深度范围内的地基土划分为10层，具体物理性质指标见表1。

表1 工程场地地基土物理性质指标

本工程场地开阔，周围建构筑物较少，从拟建场地土层分布和工程地质性质来看，可选择沉桩速度快的桩型为主，建议采用PHC桩。根据表1的可研勘察成果分析，拟建电厂工程场地内的⑤2、⑨1土层分布较为稳定。

⑤2灰色粉质粘土、砂质粉土互层：层顶标高－29.40～－31.11 m，平均厚度7.40 m，静力触探锥尖阻力平均值为2.07 MPa，压缩模量Esp0～p0+0.2为9.00 MPa，可以考虑作为一般建构筑物的桩基持力层，且桩端尽可能进入该层中下部，但其下卧⑧1粉质粘土为软可塑土，可作为沉降要求不高的辅助建筑物桩基持力层，不能作为主要建筑物和荷重较大的附属建筑物的桩基持力层。

⑨1青灰色粉细砂：层顶标高－51.98～－61.59 m，分布稳定，静力触探锥尖阻力平均值为10.50 MPa，压缩模量Esp0～p0+0.2为37.00 MPa，且其下伏没有软弱夹层，可以作为主厂房、余热锅炉烟囱、GIS等重要建构筑物的桩基持力层。但⑨1土层其深度超过60 m，属于超长桩工况，容易引起桩头、桩身疲劳破坏，无法沉桩至设计标高等问题，本文据此展开研究，为工程选择合适的桩型和施工工艺提供可行方案。

4 GRLWEAP计算结果及分析

根据沉桩场地的基本物理性质，利用GRLWEAP软件对超长PHC桩打桩全过程进行模拟，桩型采用PHC 600 AB 110-62，入土深度为61.4 m，采用D80单动筒式柴油锤沉桩。沉桩可行性计算结果见图1，GRLWEAP承载力图计算结果见图2。

由GRLWEAP沉桩可行性计算结果可知，PHC 600 AB 110-62桩型计算初打土阻力为2792 kN，终锤贯入度为12.2 mm/击，总锤击数为1586击，均在比较理想的范围内；输入桩身能量一般为40～70 kJ，沉桩过程中桩身最大压应力一般为14～29 MPa左右，最大可达35 MPa；桩身最大拉应力一般为1～3 MPa左右，均在PHC桩允许范围内，由此可以判断，该桩型沉桩过程中，桩身应力在PHC桩允许范围内，总锤击数适中，进入持力层后贯入度适中，最终可以顺利沉至设计标高。

图1 GRLWEAP沉桩可行性计算结果

图2 GRLWEAP承载力图计算结果

由GRLWEAP承载力图计算结果可知，随着初打土阻力的增大，每米锤击数亦相应增大，贯入度减小，当初打土阻力超过4500 kN时，每米锤击数高达460.5击/m，贯入度接近2 mm/击，此时继续沉桩较为困难，可能出现拒锤情况，如持续打桩，可能引起桩头破损、桩身断裂等问题。故当初打土阻力超过4500 kN时，应考虑更换锤重更大的桩锤，与此同时，应重新计算桩身最大压应力及最大拉应力。

5 高应变检测试验结果及分析

对超长PHC桩进行高应变跟踪检测，采用锤击法进行沉桩，本次试桩采用的桩机为SP110履带式打桩机、40 t履带吊车。采用DELMAG62和DELMAG80锤沉桩，桩垫为纸垫，油门挂档基本控制在一档，桩的焊接采用NEC400 CO2 保护焊机，焊条型号E5003，共打设3根型号为PHC 600 AB 110-62的超长PHC试桩。

超长PHC桩每米平均锤击数与贯入深度关系见图3，实测锤击数996～1305击，平均1130.0击；实测锤击数10～14 mm/击，平均11.7 mm/击；实测初打土阻力2830～3030 kN，平均2950 kN，GRLWEAP计算结果为，计算锤击数1586击，计算贯入度12.2 mm/击，计算初打土阻力为2792 kN，计算结果与实测数据较为接近。

选取T5、T6号桩的高应变数据进行分析，高应变检测曲线见图4、图5。通过对2根试桩高应变实测曲线以及桩身应力分析可知，在沉桩过程中最大锤击能量一般为50～65 kJ，桩身最大压应力一般在30 MPa之内，最大拉应力一般在3 MPa之内，最大也仅有6 MPa左右，由GRLWEAP沉桩可行性计算结果可知，PHC 600 AB 110-62桩型沉桩过程中输入桩身能量一般为40～70 kJ，沉桩过程中桩身最大压应力一般为14～29 MPa左右，最大可达36 MPa；桩身最大拉应力一般为1～4 MPa左右，计算结果与实测数据较为接近。

图3 超长PHC桩每米平均锤击数与贯入深度关系

根据多种方法综合分析结果可知，PHC 600 AB 110-62桩型沉桩过程中，桩身应力在PHC桩允许范围内，总锤击数适中，进入持力层后贯入度适中，最终均可顺利沉至设计标高，故只要合理选择打桩系统、打桩工艺，超长PHC桩施工是完全可行的。

图4 T5号桩高应变动测实测曲线及应力分析曲线

6 结论

通过对超长PHC管桩的GRLWEAP可打性数值分析和高应变检测现场试验研究，主要得出以下几点结论：

(1)在沉桩前采用GRLWEAP打桩波动方程分析程序进行沉桩可行性研究，在沉桩过程中采用高应变进行跟踪监测的沉桩可行性综合分析评价研究方法是非常必要且行之有效的，实践证明两种方法计算结果与实测数据较为接近。

(2)超长PHC桩沉桩在理论及实践中都是可行的，沉桩过程中锤击数、贯入度、最大锤击力、最大锤击能量均基本可以控制在合理的范围内，桩身最大压应力及最大压应力也基本可以控制在PHC桩容许范围内。

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