剑三轻功特效披风:高强预应力管桩基础断桩、缺陷桩事故处理实例

2010-05-11 15:24:58|  分类：结构设计 阅读171 评论0   字号：大中小
[提要]针对厦门市某在建工程在桩基础施工过程中，主楼桩筏基础出现较多短桩和断桩的情况，主要分析了发生这种情况的原因，重点讨论了该工程事故的处理意见和施工方案，总结了经验和教训；该工程事故的处理方案可供类似工程设计时参考，对类似工程地质情况时预应力管桩的施工有借鉴作用。
[关键词] 短桩 断桩 三类桩 压桩 孤石 补桩 高压灌浆法
一、    前言：
近年来，高强预应力管桩因其竖向承载力较高，施工方便，工期较短的特点，在许多新建高层建筑的基础工程中应用较为广泛；同时，在工程实践当中也出现了一些问题。比较普遍的是工程桩出现“短桩”“断桩”“斜桩”及“三类桩”等缺陷桩，原因复杂；既有设计方面考虑不周的因素，也有施工单位现场施工的因素。再加上各地区工程地质情况有较大差异，施工队伍的作业水平良莠不齐.。出现此类情况后，事故的处理往往造成基础工程造价增加，工期延长，业主损失较大。下面是笔者以厦门某一在建工程预应力管桩施工过程中出现的问题为实例，通过补充勘察、现场取证、分析检测数据，结合结构计算，揭示了造成工程事故原因，提出了具体的处理意见，希望与大家交流。
二、     基础工程概况：
厦门市某在建工程，地上部分为三十层商住楼，地下部分为平战结合的一层人防地下室。基础采用直径500的的高强预应力管桩，其型号为PHC500-125-A型，砼强度等级为C80，桩身强度设计值为3300KN，桩身允许施压的压桩力为5130KN。本工程管桩基础的桩端持力层为强风化花岗岩层，单桩承载力设计值为2400KN，采用静压法施工；设计要求静压终压力为4920KN，压桩结束前允许复压三次。
本文主要讨论该高层建筑其塔楼范围的基础情况
塔楼范围的基础型式为厚板桩筏基础，筏板厚2400，砼强度等级为C40；设计布置管桩数量共251根，桩间距控制为1800~2000。根据工程地质勘察报告，该区域范围内管桩的有效桩长约为17.0~23.0m。管桩施工完毕后的统计分析显示，有较多的“短桩”和“断桩”现象。本文中所谓的“短桩”是指桩长与地质报告对比严重不符，相差悬殊的桩。所谓的“断桩”是指压桩时桩身折断，失去承载能力的桩。其中短桩83根，有效桩长8~13m者67根，有效桩长小于8m者16根；初步查明断桩3根。为进一步检测管桩的桩身完整性，对该范围内所有管桩均采用反射波法对桩身进行小应变检测，最终查明该区域内“断桩”数量为3根，“三类桩”数量为28根，“三类桩”大多分布在“短桩”区域内。有关“断桩”“短桩”及“三类桩”的分布详见图一。
三、     工程地质情况：
先简单介绍一下场地土的地质情况：
场地土由上至下的分层情况为杂填土层1.8m~2.6m，残积砂质粘土层18.0 m~29.0 m，全风化花岗岩层3.0 m~6.0 m，其下依次为强风化花岗岩和中风化花岗岩层；从工程地质报告提供的岩土力学指标来看，残积砂质粘土层较厚，标准贯入试验为12.0~29.0击，压缩模量标准值为8.0~10.0MPa，为中压缩粘土，全化花岗岩层标准贯入试验为30~50击，压缩桩量为15.0MPa，强风化花岗岩层由砂砾状向碎块状过渡，标准贯入试验为50击以上。必须注意到的是：个别地质勘探孔揭示，残积砂质粘性土层中有“孤石”存在，或者说有“中微风化夹层”存在。
静压预应力管桩基础其桩固土的分布一般可见下图图二：
四、    事故原因分析
由图一可注意到，产生“短桩”和“断桩”现象的预应力管桩基础多分布在筏板范围的北侧，南侧小范围亦局部存在。为了进一步明确该范围内的地质情况，经与有关单位协商，在发生“短桩”和“断桩”现象的区域补充地质勘探孔6个，其具体位置见图一中B1~B6，补勘结果提示，该6个补勘孔在钻进过程中都发现有中微分化花岗岩夹层“孤石”存在。“孤石”均分布在残积砂质粘性土层中，个别钻孔如B3、B4、B5，“孤石”由上至下呈糖葫芦串分布。中微风化岩“孤石”的竖向位置：B1孔为标高-12.10m处，B2孔为标高-10.80m处，B3孔为标高-15.40m处，B4孔为标高-16.40m处，B5孔为标高-11.0m处，B6孔为标高-15.0m处。
由此可以得出结论，桩基施工出现“短桩”、“断桩”及“三类桩”的现象是由于压桩穿越的土层中存在“孤石”造成的，或者说是由于土层中存在“中微风化岩夹层”造成的；由于“中微风化花岗岩夹层”岩面标高变化明显，厚薄差异较大，压桩机在施工时桩端遇“孤石”发生脆断或无法继续沉桩，部分管桩的桩身出现较明显的裂纹。
五、     处理方案：
由于工程桩中存在3根断桩和28根“三类桩”，而且存在较多分布集中的“短桩”，桩筏基础的承载力不能满足规范要求，拟考虑按以下措施进行补强处理。具体可详见图三。
在此处特别补充说明的是：抽取4根桩采用慢速维持荷载法进行桩竖向抗压静载试验，其竖向极限承载力标准值满足规范要求。该4根试验桩桩号为49#，99#，169#，216#，特别抽取2根“短桩”49#和99#，试验桩平面位置见图一，其单桩竖向抗压静载试验结果见表一。
单桩竖向抗压静载荷试验结果
表一
桩号
桩长（m）
桩径（㎜）
最大试验荷载（KN）
最大试验荷载下桩顶沉降（㎜）
残余
变形
（㎜）
单桩竖向极限承载力（KN）
极限承载力下桩顶沉降（㎜）
备注
49#
11.04
φ500
3840
9.79
2.27
不小于3840
99#
8.30
φ500
3840
9.60
2.40
不小于3840
169#
14.84
φ500
3840
10.45
1.63
不小于3840
216#
24.38
φ500
3840
21.44
4.78
不小于3840
1、          补桩
在“断桩”和“三类桩”分布较为集中的区域，进行补桩。桩型仍采用PHC500-125-A型；为避免再次出现断桩现象，将压桩的终压力由原来的4920调整为4500；在靠近基桩围护桩的一侧，由于施工作业面太小，采用“边桩器”补桩，桩型 为PHC400-95-A型，终压力为2000KN。（其单桩承载力设计值按1000KN考虑）。其中PHC500-125-A型号桩补桩21根，PHC400-95-A型号桩补桩共15根。
另外应提到，在桩筏基础东南角范围，考虑到该角部的工程桩桩长均较短，上部支撑有主塔楼的剪力墙和框架柱等竖向受力构件，荷载较大，为避免出现角部桩基础承载力不足或沉降变形偏大的现象，应采取有效措施进行补强。考虑到该区域孤石较多，用管桩进行补桩效果不理想，设计要求采用桩径φ1000的冲孔灌注桩进行补桩处理，在冲孔桩的桩位处，由地质勘探部门进行了补勘作业，钻探结果表明冲孔桩的施工切实可行。
2、          三类桩补强：
经对所有工程桩进行小应变检测，共发现有28根三类桩。检测结果表明桩身某一位置有明显缺陷。其中46#桩动测结果表明桩顶设计标高下3.0m处有缺陷，经对其进行现场开挖验证，发现桩头砼破碎，下部为中微化花岗岩孤石。
为进一步判明桩身缺陷的程度，查明出桩头发生破碎的三类桩的数量，施工单位采用100型钻机沿管桩内壁钻下洗孔，结果发现4根桩孔内有桩身碎片，其余在钻机钻进时无障碍。
可以得出结论，28根三类桩，其中4根桩系桩端遇孤石破碎而桩身在压力下持续下沉，继续碎断，桩端在与孤石交接处形成砼碎片结合体。其余24根桩可判明为桩身某位置处存在明显裂缝。综合以上情况，研究决定采用高压灌浆法对该28根“三类桩”进行补强，具体方法如下：
（1）                  沿桩芯通长埋没φ22高压注浆管，对桩底有砼碎片结合体的桩，注浆管应埋设至孤石表面。注浆管沿管身范围内每隔0.5m开孔一处，每处对称开孔4个，孔径5.0㎜。
（2）                  浆体材料为425#普通硅酸岩水泥，水灰比为0.50。
（3）                  灌浆压力为0.5~2.0MPa，待浆液溢出桩顶为止。
（4）                  桩芯通长埋没钢筋4φ20，同管桩基础与承台的锚筋。
3、          桩间土补强：
该桩筏基础上部荷载较大，而短桩，三类桩的数目较多且分布范围较集中。对“短桩”区域内抽取一根桩进行竖向抗压静载实验，其承载力满足设计规范要求；尽管如此，考虑到“短桩”和“三类桩”桩底地质情况难以一一查明，桩底持力层处端阻力发挥作用尚有不确定因素；即使在该区域内已采取了“补桩”加强措施，仍然考虑对桩间土采取加强措施。端桩间土为残积砂质粘性土，强度较高，具中等压缩性，（fa=220KPa,Es=10~12MPa）；设计采取的方案是对桩间土采用高压灌浆法进行加强，目的是加大桩间土的刚度，提高短桩分布区域内桩侧土体对桩的摩阻力，增强桩身特别是桩端持力层处土体的稳定性和强度，保证短桩桩底端承力稳定发挥作用，保证桩和桩间土可以更协调的工作，提高桩间土的承载能力，减少上部荷载作用下的变形，协调整个桩筏基础在上部荷载作用下的差异沉降。
高压灌浆法施工前可选择某一具有代表性的位置进行试灌浆，进一步确定有关的施工要求。
灌浆管分布按照每四根桩中央设一根注浆管，注浆管长度取相邻桩中较长的桩长度，沿管长范围内每隔0.5m开孔一处，每处对称开孔4个，孔径5mm；浆体材料为425#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，注浆压力为0.5~2.0MPa。
六、     经验教训：
1、          基础设计时场地土中有较多的孤石或较硬的强、中风化岩夹层时，应慎用预应力管桩基础。在前期的工程勘察时，应要求勘察单位适当增加勘探孔的数目，减小勘探孔之间的間距，尽可能表明场地土内孤石的分布情况，查明坚硬岩土层的分布和岩层标高变化情况。
2、          在持力层标高变化较大，持力层为坚硬岩层时，设计时应适当降低桩的承载力，特别是桩长较短时。桩基础施工时应适当降低终压力，减小复压次数不超过三次。另外，为避免桩头碎裂，可考虑在桩端加设钢板桩尖。
3、          在残积砂质粘性土，砂土或其它与本工程地质情况相似的土层中压桩时，如桩端遇“孤石”或“中微风化坚硬夹层”，可能出现如下几种情况，值得注意：
a．           孤石”或“中微风化坚硬夹层”面比较平整或者说桩端与“孤石”或“中微风化坚硬夹层”的接触面较平整时，此时压桩机的油压表读数会“骤升”，继续施压桩身一般不会再下沉，管桩一般不会发生脆断。（桩长较短，压桩力较大时除外）此种情况下桩身完整性一般较好，承载能力一般不会受到影响。
b．          孤石”或“中微风化坚硬夹层”面倾斜度较大时，此时在压桩力不大的情况下，管桩桩底沿坚硬而倾斜的岩面迅速滑移、折断，此时桩身会有较大震动，有较大的“异响”，压桩机的油压表读数“突降”，桩身骤然下沉较多，可以判定桩身已断裂；此种情况下，管桩承载能力受到较大削弱，一般按“废桩”考虑。
c．          还有一种情况，桩端遇“孤石” 或“中微风化坚硬夹层”时，桩端会连续、均匀的持续碎裂，碎裂的桩身混凝土在桩底位置附近不断堆积、挤密，最终在桩底形成一个承载面，压桩的终压力一般可以满足设计要求。这类桩其承载能力受到一定削弱，其影响大小应视具体情况考虑。一般认为此类桩为可利用的工程桩，但必须有可靠的补强措施。