混凝土桩基设计与施工常见问题分析与处理

潘 志 芳

(中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461)



混凝土桩基设计与施工常见问题分析与处理

潘 志 芳

(中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461)

从桩基选型与施工工艺两方面，介绍了钢筋混凝土桩基设计中常见的问题，探讨了桩基施工中桩锤的选择原则，并阐述了桩基裂缝的产生原因及处理措施，为桩基的设计与施工积累了经验。

桩基，桩锤，裂缝，承载力

水运工程的钢筋混凝土桩基运用广泛，先后出现了预应力混凝土方桩、后张法预应力混凝土大管桩(大管桩)、先张法预应力高强度混凝土管桩(PHC桩)，相关的行业标准近年来逐步推出并完善，工厂化生产能力也有了很大的提高，如PHC桩现在一次能预制50 m长管节，在工厂拼接可达80 m，若桩架高度和起吊能力允许可拼接更长。桩基实际运用时，在设计选型上存在一些问题，在施工中经常发生不同程度的工程质量问题。本文通过一些工程实践，从设计意图、现场施工条件和施工措施，分析常见桩基问题产生的原因，并提出相应的设计及施工技术要求，供类似工程参考，减少工程质量问题。

1 工程中常遇到的桩基问题

在水运工程实践中，桩基的运用受到各种条件、因素的制约，由此也带来了从不同角度的选型争议，如造价、施工方便优先的PHC桩基，承载力适中、防腐、耐久、经济、方便的传统预应力方形桩基，在其运用条件上北方的多家设计院还未完全统一。

在桩基现场施工中，有些桩基难以达到设计高程，有些桩顶破损，有的出现纵向裂缝、横向裂缝，如有些工程桩损率高达30%以上，给业主、施工单位带来不小损失，给设计人员也带来很大困难和工作量。在使用过程中有的也因为各种原因出现严重断裂，修复检测、设计、施工具有相当大难度。

2 桩基设计常见问题分析

2.1 钢筋混凝土桩基选型问题分析

在复杂地形区域，桩基根据各种条件进行选型设计完成后，往往又出现新的条件，有的甚至被要求彻底变更，给设计造成很大困难。在一些地域，如潮汐性河口、滩涂区域、强腐蚀性、有流冰水域，桩基选型要全面考虑各方面因素，做到结构安全耐久、施工方便。在桩基主要承受竖向荷载时，做以下几种桩型的简单分析。同截面的空心方桩与实心方桩相比，单位桩长能节约20%～30%的混凝土用量，节约40%～50%的钢材用量；等周长的方桩与管桩相比，可以达到同样的单桩摩阻力，对于多桩形成的承台，当以3倍桩径布桩时，可减少桩距、承台面积和承台用钢量。

根据《桩基规范》，抗弯要求较高时，贯入难度不大时，可采用预应力混凝土管桩。等抗裂弯矩的管桩比方桩，主筋用量少约50%，混凝土用量少约25%，刚度小约10%。在工厂技术高速发展的基础上，PHC管桩的成本优势明显，在南方运用广泛，在北方，生产厂家数量少，且桩基的运输、抗冻、防腐性能要求，在普通高桩码头中应用较少，甚至有争议。山东某入海口码头工程，采用PHC桩，由于当地无管桩生产厂，从上海购买，单米桩的费用已超过方桩，且施工时沉桩困难，大面积不能达到设计高程，工期延时。

方桩、管桩计算理论、方法已完善，在码头结构中规范上都可以采用，在多数时候取决于施工条件、地质条件、预制场及工厂化条件。在设计中也要注意安全、可靠、耐久及施工破损率因素，造价经济要排在安全之后。

2.2 施工工艺设计

1)水上施工和陆上施工。水运工程中桩基码头一般由打桩船等在水上进行施工。在一些潮汐性河口或滩涂区域，航道未形成，建设码头时，是先开挖港池、航道还是先施工码头再形成水域成为设计重要考虑因素，即要考虑码头是水上施工还是陆上施工。水上施工需要动用大型船机，桩基、纵横梁、面板全部在水上施工；陆上施工在浅水区域形成围堰，回填出施工平台，陆上施工桩基及码头各种构件，不受潮汐、波浪影响，非常便利。两种方法形成的工程造价差异大，其中干施工法造价经济，施工方便。

现在陆上打桩设备越来越完善。以前比较麻烦的陆上打斜桩问题现在已解决，斜桩施打设备种类、数量越来越多。环保条件允许、原地形水深浅的高桩码头建议采用陆上施工，降低造价，方便施工。

2)桩基来源。桩基来源也是设计中重要考虑因素。预制方桩需要较大型的预制基地，而预应力管桩需要实力较强的工厂。拟建工程处是否有方桩预制厂、管桩生产厂家，是陆上运输还是水上运输，桩长是否受限制等都要综合考虑。如鲁北地区码头从上海购买管桩，和就近在渤海湾沿岸场地预制方桩，可以充分比选桩基来源方案。

水运工程码头的桩基都比较长，对于陆上施工的码头桩，陆上长距离运输存在诸多困难，除在工程设临时预制场外，大多采用水上运输，在临时码头或就近商港通用泊位码头卸货后，拖车运入工地。

3 桩基施工常见问题分析

3.1 桩锤的选择

在桩基设计中，一般不给出选锤的范围，只提出贯入度、桩基承载力检测要求。施工经验丰富的水工企业可以通过试桩、研究地层参数快速准确的选锤并施打桩，而施工能力欠缺的企业有时由于选锤不好造成很多问题，如沉桩困难或桩易碎，影响工程进度，甚至造成浪费。选锤主要根据规范、地质资料通过试桩、检测确定锤重。也可通过附近工程以往资料，通过公式计算初步判定锤重，主要依据动测承载力公式推导，采用英标HILEY公式，公式变形后，以设计贯入度为已知条件，导出选锤的重量范围值。

R(s+C/2)=ηWhh。

其中，s为贯入度；R为桩承载力；η为有效系数；h为锤跳高；Wh为锤重；Wp为桩重；e为与材料有关的桩帽与锤垫之间的恢复系数(0.25

上述公式变形也可通过特定锤重，求出贯入度，进而求得桩身及土体的压缩量；通过各特征值，也可算出承载力，与检测值比较，指导设计和施工。根据该公式，在胶州湾防潮坝工程及寿光码头工程中的选锤预判值与实际选锤重量吻合度较好。

3.2 桩基裂缝问题

3.2.1 预应力方桩裂缝问题分析及对策

1)桩顶击碎。预应力方桩在施工过程中，桩顶混凝土有时因某种原因抗锤击能力弱，出现锤击破损。方桩顶部目前有两种端部处理方式，一为按规范伸出主筋锚固长度，混凝土桩顶设5层钢筋网片，桩顶为实心，箍筋加密；二为桩长混凝土直接包住主筋锚固长度，设钢筋网片，箍筋加密，打至设计高程后，将混凝土凿除露出锚固主筋。第一种方式在码头桩基中为传统方式，运用广泛，第二种方式近年来在水工桩基中也逐步运用。在施工过程中，部分工程桩顶仍然出现损坏。分析原因有多个方面：端头的加固设计不够，如箍筋强度及间距，钢筋网片布置范围等；桩顶的弹性垫层材料厚度不够或在锤击中弹性损耗过大；风荷载对桩架或波浪对打桩船影响，造成锤击偏心致使桩顶破损。针对上述原因，为减少桩顶出现破损，改进的方法主要有：a.对桩头进行加固设计，加强箍筋及钢筋网片，或增加锚筋；在桩头顶面和侧面设钢板形成套箍保护；在桩顶加十字钢箍。b.设置好桩顶的弹性材料。弹性材料由两部分组成，在桩与替打之间和锤与替打之间。桩顶与替打之间弹性材料可用橡胶板、胶合板、牛皮纸(纸壳)、麻绳，厚度不小于100 mm，在使用时要注意其弹性损耗，及时更换；锤与替打之间材料一般采用钢丝绳，也需经常更换。c.风荷载对桩架或波浪引起的打桩船晃动，应尽量在好气象条件下施工，若工期紧张，对于打桩船可以调整方向，使其轴线与波浪方向夹角尽量小，并在陆上设仪器进行观测辅助施工。

2)桩身纵向裂缝。预应力方桩在锤击过程中也会出现纵向裂缝，比管桩出现的少。为此要采取一些加强措施，如加长桩顶混凝土实心段长度，加大桩顶下5 m～9 m段箍筋密度和强度，可以减少纵向裂缝的产生。

3)横向裂缝。横向裂缝，是在硬软土层相间明显的情况下桩长度较大时发生，其机理是因为打桩拉应力过大引起横向裂缝。外力过大引起桩基横向裂缝在此不做讨论。在工程中经常遇到上层为粉质粘土或粉细砂、下层为深厚淤泥的地质，此种地质情况容易出现横向裂缝，出现位置在软硬交界处开始至其下4 m处。锤击过程中，桩身穿过好土层进入淤泥一定深度后，上层好土提供较大侧阻力，下层淤泥桩侧阻力非常小。锤击产生桩加速度，桩加速、减速，进入淤泥一定距离，然后速度变为零停止，在每击后期阶段桩下部由于加速度，惯性力需要淤泥提供的摩阻力来平衡，进入淤泥桩身越长需求越大，但能提供的平衡力有限，需要好土层的侧摩阻力来拉住它，有的会造成现场溜桩，在寿光某码头桩基施工中就出现过。由此产生了最大桩拉应力，若桩基不够强大，就会产生横向裂缝。为避免出现横向裂缝，改进的措施有：进入软土层后，降低锤重或采用抵档锤击，中间有停歇；选用有效预应力更大的桩型；在易出现最大拉应力区段增配非预应力钢筋。

3.2.2 预应力管桩裂缝问题

预应力管桩也容易出现桩顶击碎现象。预应力管节两端有端板，侧面有钢板套箍，桩顶钢板加固方面比预应力方桩有所改善，但其混凝土及配筋、构造加强等内在方面与方桩相比有所欠缺，其特殊的生产工艺决定了：若在管桩顶加钢筋网片，在车间生产时，离心浇筑混凝土只有小颗粒的石子和砂浆流入钢筋网，大颗粒的石子进不去，造成混凝土级配不合理，从而降低混凝土的强度；若在管桩内掺钢纤维，由于流动性差，会造成生产时管壁厚度不均。只能在打桩时通过调整弹性垫层材料对桩顶加以保护，避免出现桩顶破损现象。

预应力管桩在施工中出现的横向裂缝和方桩的机理类似，防止出现横向裂缝的措施与方桩一致。

预应力管桩沉桩时，桩身混凝土受压，管壁混凝土外表面向外膨胀产生拉力，向内膨胀使内表面产生压力，当拉力超过混凝土的抗拉允许值时，就会出现竖向裂缝。其避免措施主要为在其易出现裂缝位置设置多道钢抱箍，沉桩结束后拆除；调整锤击荷载。

4 结语

在设计时充分考虑工程在现场的施工条件、施工工艺，在结构上采取措施防止桩基施工出现各种破损、裂缝情况，施工时各工序要精心组织防止桩基因为锤击沉桩而破坏。上述分析及总结可供类似工程参考。

[1] 蔡小红.大直径PHC桩沉桩过程中常见工程质量问题及对策[J].水运工程，2015(10)：177-181，187.

[2] 李壮志.慎重使用PHC桩的几种情况[J].山西建筑，2008，34(12)：118-119.

[3] 魏汝龙，王年香，杨守华.桩基码头与岸坡的相互作用[J].岩土工程学报，1992，14(6)：38-49.

[4] 张建勋，陈福全，简洪钰.被动桩中土拱效应问题的数值分析[J].岩土力学，2004，25(2)：174-179.

[5] 陈福全，杨 敏.地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析[J].岩土工程学报，2005，27(11)：1286-1290.

Analysis and treatment of common problems in design and construction of concrete pile foundation

Pan Zhifang

(China Traffic Tianjin Harbor Engineering Design Institute Co.， Ltd， Tianjin 300461， China)

From the pile foundation selection and construction craft, the paper introduces the common problems in the reinforced concrete pile foundation design, explores the selection principle for the pile hammer in the pile foundation construction, and illustrates the reasons and treatment measures for the pile foundation cracks, so as to accumulate experience for the design and construction of the pile foundation.

pile foundation, pile hammer, crack, loading capacity

1009-6825(2016)12-0058-02

2016-02-17

潘志芳(1981- )，女，工程师

TU473.1

A