桩靴形式对PHC桩穿透性能的影响

先张法预应力离心高强混凝土管桩(简称PHC桩)在港口中的应用日渐增多[1]，国内外学者对PHC桩的沉桩机理及质量控制，做出了大量的研究[2-6]。

PHC桩为部分挤土桩，其穿透性能较同直径的钢管桩弱，通常需要设置桩尖，常用PHC桩桩尖形式包括纯钢护筒桩靴、内嵌十字桩尖的钢护筒桩靴、加端板的十字桩尖和外突十字桩尖钢护筒桩靴等形式，杨绪军等[7]分析了桩靴钢板厚度及端板外侧增加钢箍对于基桩穿透性能的影响；宋杰[8]分析了PHC混凝土管桩结合超长钢桩靴的混合桩型方案,能较好地达到目标持力层。而对于不同桩尖形式PHC桩的穿透性能对比的研究鲜见报道。本文通过对不同桩尖形式、不同桩靴长度以及钢桩靴与PHC桩法兰盘焊接是否采用斜角坡板的PHC桩穿透性能进行对比分析，为设计和施工提供参考。

1 工程概况

工程地处坦桑尼亚达累斯萨拉姆港，为东非第二大港口。施工内容包括新建1个滚装泊位和升级改造1#～7#泊位，施工岸线总长约1.7 km，桩基采用直径800、1 000 mm的PHC桩，数量分别为320、694根，总计1 014根，含有直桩以及倾斜度为8:1、6:1、4:1、3:1的斜桩，钢桩靴长度分别为1.5、5.0、6.0 和7.0 m，斜桩扭角为12°，滚装泊位单个结构段内部平行于码头岸线方向轴之间的PHC 桩间距为8 m，共7排。1#～7#泊位每个排架布置3根PHC桩，排架桩间距5.5～7.2 m。PHC桩参数见表1，单个结构平面布置如图1所示。

表1 坦桑尼亚达累斯萨拉姆港PHC桩参数

图1 滚装泊位基桩平面布置 (单位：m)

2 不同桩靴形式的PHC桩沉桩规律分析

珊瑚礁砾砂层广泛分布在坦桑尼亚达累斯萨拉姆港，在每个地质钻孔中均发现，埋藏较浅。基于该地质条件，分析不同桩靴形式的PHC桩沉桩规律。

2.1 沉桩停锤标准

基于永安YC-30液压锤、锤芯跳高30 cm工况下，满足以下条件之一，即可停锤：

1)最后3阵，每阵10 击，平均贯入度≤7 mm且达到设计高程，可以停锤；如果贯入度大于7 mm，应继续锤击直至贯入度小于7 mm。

2)未达到设计高程，平均贯入度≤5 mm(最后3阵，每阵10 击)且桩尖距设计高程≤1.0 m，可以停锤。

3)其他异常情况应停锤；检查桩身质量，综合评估总锤击数、地质和贯入度的情况，并及时反馈设计。

2.2 PHC桩的桩靴类型

项目采用的桩尖形式有3种：纯钢护筒桩靴、内嵌十字桩尖的钢护筒桩靴、外突十字桩尖的钢护筒桩靴，材质为Q345B钢，钢桩靴桩尖0.5 m范围内外贴18 mm厚加强箍，分为两瓣，桩靴顶部侧端肋板之间焊接有纵向肋板，纵向肋板分为矩形和梯形两段，桩靴和PHC段由桩头端板连接。桩靴长度分别为1.5、5.0、6.0、7.0 m；钢桩靴与基桩法兰盘连接方式有带和不带斜角坡板。外突十字桩尖钢桩靴和带斜角坡板的钢桩靴见图2。

图2 外突十字桩尖和带斜角坡板的钢桩靴(单位:mm)

2.3 基桩总锤击数

2.3.1 不同桩尖形式基桩总锤击数

针对不同桩尖形式基桩，分别选取100根桩进行总锤击数统计，见图3。纯钢护筒桩靴基桩总锤击数平均值为1 768击；内嵌十字桩尖的钢护筒桩靴基桩的总锤击数平均值为1 564击；外突十字桩尖的钢护筒桩靴基桩的总锤击数平均值为1 387击。总锤击数最高的为纯钢护筒桩靴基桩，平均值比内嵌十字桩尖的钢护筒基桩高13.0%、比外突十字桩尖的钢护筒桩靴基桩高27.5%。

图3 不同桩尖形式基桩的总锤击数

2.3.2 不同桩靴长度基桩总锤击数

不同桩靴长度基桩总锤击数见图4。桩靴长度为1.5、5.0、6.0、7.0 m基桩的总锤击平均值分别为1 883、1 665、1 564、1 466击。桩靴长度越长，平均总锤击数越少。1.5 m长桩靴的总锤击数明显比其他长度桩靴基桩总锤击数大。

图4 不同桩靴长度基桩的总锤击数

2.3.3 不带与带斜角坡板基桩总锤击数

不带与带斜角坡板基桩总锤击数见图5。不带斜角坡板的基桩总锤击数平均值为1 452击；带斜角坡板的基桩的总锤击数平均值为1 316击；带斜板的基桩平均总锤击数更少，约少10.3%。

图5 不带与带斜角坡板基桩的总锤击数

2.4 不同桩靴形式基桩的停锤规律

2.4.1 不同桩尖形式的桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

针对不同桩尖形式基桩，分别选取100根进行实际桩尖高程与设计值对比，并统计其贯入度，见图6～8。纯钢护筒桩靴基桩实际桩尖高程比设计值平均高出0.72 m,大于1 m的有7根，大于5 m的有2根且补桩，终锤平均贯入度2.9 mm/击；内嵌十字桩尖基桩的实际桩尖高程比设计值平均高出0.55 m,大于1 m的桩有5根，终锤平均贯入度3.5 mm/击；外突十字桩尖基桩桩尖高程比设计值平均高出0.31 m,大于1 m的桩有3根，终锤平均贯入度4.2 mm/击。

图6 钢护筒桩靴基桩桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图7 内嵌十字桩尖基桩桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图8 外突十字桩尖基桩桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

2.4.2 不同桩靴长度基桩桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

不同桩靴长度桩尖高程及终锤贯入度见图9～12。桩靴长1.5 m基桩实际桩尖高程比设计值平均高出0.75 m,大于1 m有8根，大于5 m有1根且须补桩，终锤贯入度平均值为2.8 mm/击；桩靴长度5.0 m 基桩的实际桩尖高程比设计值平均高出0.61 m,大于1 m有8根，终锤贯入度平均值为3.4 mm/击；桩靴长度6.0 m 基桩设计桩尖比设计值平均高出0.54 m,大于1 m有5根，终锤贯入度平均值为3.6 mm/击；桩靴长度7.0 m 基桩实际桩尖高程比设计值平均高出0.46 m,大于1 m基桩有4根，终锤贯入度平均值为3.8 mm/击。

图9 1.5 m桩靴长度桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图10 5.0 m桩靴长度桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图11 6.0 m桩靴长度桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图12 7.0 m桩靴长度桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

2.4.3 不带与带斜角坡板基桩桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

不带与带斜角坡板基的实际桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度见图13、14。不带斜角坡板的基桩实际桩尖高程比设计值高出0.48 m,大于1 m的有6根，终锤贯入度平均值为3.9 mm/击；带斜角坡板的基桩的实际桩尖高程比设计值平均高出0.27 m,大于1 m的桩有1根，终锤贯入度平均值为4.4 mm/击。

图13 不带斜角坡板实际桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

图14 带斜角坡板实际桩尖高程与设计值差距及终锤贯入度

3 不同桩靴形式的基桩穿透性能对比

3.1 试验桩桩位地质桩孔情况

针对不同桩尖形式、不同桩靴长度以及带与不带斜角坡板，选取SGR06和SGB07这两个钻孔分别选取3根基桩进行沉桩试验，对穿透性能进行对比分析。SGR06地质钻孔见表2，持力层为珊瑚礁砂砾。

表2 SGR06钻孔地层情况

注：50/190、50/210表示50 cm/190击、50 cm/210击。

3.2 不同桩尖形式基桩穿透性能对比

根据纯钢护筒桩靴基桩、内嵌十字桩尖基桩和外突十字桩尖基桩3种不同的桩尖形式，在SGB06钻孔附近选取3根桩沉桩，桩靴长度均为5.0 m，桩径均为1.0 m，对不同土层的贯入度、桩身最大能量、桩身压应力、拉应力进行对比分析，见图15。

图15 不同桩尖形式相同桩靴长度基桩的贯入度及相关参数变化

由图15可知，纯钢护筒桩靴、内嵌十字桩尖、外突十字桩尖基桩的沉桩贯入度依次增加，桩身拉、压应力依次减少，而能量并无显著差异，因此上述3种桩尖形式的基桩穿透能力依次增强。

3.3 不同桩靴长度基桩穿透性能对比

在SGB07钻孔附近选取4根基桩，持力层为粉性砂质黏土，钻孔地层情况见表3，基桩的桩径均为1.0 m，均采用带斜角坡板形式，桩尖形式为内嵌十字桩尖，桩靴长度分别为1.5、5.0、6.0和7.0 m，对不同土层贯入度进行对比分析。4根桩不同土层贯入度变化见图16。

表3 SGB07钻孔地层情况

注：50/200、50/250表示50 cm/200击、50 cm/250击。

图16 不同桩靴长度贯入度变化

由图16可知，1.5 m长钢桩靴的沉桩过程贯入度值明显比其他长度贯入度小，而5.0～7.0 m长钢桩靴贯入度依次增大，但变化并不明显，因此随着桩靴长度增加，基桩穿透性能增加，且1.5 m长桩靴其基桩穿透能力明显要比5.0～7.0 m桩靴基桩弱。

3.4 不带与带斜角坡板基桩穿透性能

在SGR07钻孔附近选取不带与带斜角坡板的桩靴形式的2根基桩进行沉桩试验，对不同土层贯入度进行对比分析。见图17。带斜角坡板基桩的贯入度较大，主要是斜角坡板在沉桩过程中起缓冲作用，减少侧阻力，更有利于基桩穿透硬层，达到设计高程，贯入度较大。

图17 桩靴带坡板与不带坡板贯入度变化

4 结论

1)在相同的地质条件下，外突十字桩尖的PHC桩的穿透性能最强，纯钢护筒桩靴的PHC桩穿透能力最弱。

2)在相同的地质条件下，桩靴长度越长，其基桩穿透能力越强，但桩靴长度大于5 m时，基桩穿透性能增强并不明显。

3)在相同的地质条件下，带斜角坡板能减少基桩沉桩过程的土阻力，PHC桩贯入度较大，穿透性能较强。

4)基于总锤击数、贯入度、桩身压应力和拉应力等参数考虑，从桩尖形式、桩靴长度及是否带斜角坡板这3方面灵活选取不同桩靴形式的PHC桩，使PHC桩沉桩至设计高程，保证沉桩质量。