靜壓預應力管樁靜載荷試驗異常沉降的原因分析及復壓處理

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摘要：本文分析了一例工程預應力管樁豎向靜載荷試驗異常沉降的原因分析和處理情況，并總結設計和施工應注意的問題。

  關鍵詞：預應力管樁粘土終壓復壓卸壓回彈預應力管樁具有施工速度快、質(zhì)量容易控制、施工時無噪音、震動等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。但越取越高的單樁設計承載力和不合理的工期，給樁基施工帶來了很大的挑戰(zhàn)和問題，應引起各方的注意。1工程概況汕頭市某八層住宅小區(qū)工程單層地下室面積6800m2，基礎采用預應力管樁基礎，雙樁承臺，布樁平面系數(shù)為2.6%。Φ400（壁厚90mm）、Φ500（壁厚100mm）的設計單樁豎向承載力極限標準值分別為3100KN、4300KN，而設計終壓值只為2500KN、3500KN，約為設計單樁豎向承載力極限標準值的80%。按照管樁公司提供的數(shù)據(jù)，設計單樁豎向承載力極限標準值接近樁身容許承載力。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地巖土層分布從上到下分別為：層名土層厚度（m）液性指數(shù)壓縮模量描述qsik/qpk（KPa）1填土0.3-3.0IL(Mpa)松散2砂土3.8-7.2稍密-中密40/-3淤泥5.0-8.41.4342.34流塑18/-4粘性土夾砂1.7-6.90.5008.80可塑50/23005灰色粘土3.5-9.40.8044.38軟塑-可塑40/-6粘性土夾砂0.7-5.90.5797.80可塑50/25007灰色粘土9.5-16.60.7344.08軟塑-可塑50/-8細砂0.8-7.2中密-密實-/64002豎向靜載荷試驗異常沉降情況地下室樁基全面完成后進行豎向靜載荷試驗。其中一根Φ500樁加載到六級時沉降突然加大，沉降量達到50.77mm，在第七級至第九級又穩(wěn)定均勻沉降，最后該樁沉降量為64.74mm，殘余49.50mm。另一根問題樁樁徑Φ500，加載到六級時沉降突然加大，達到48.91mm，最終沉降量為69.55mm，殘余54.98mm。以上兩根樁自施打完成到豎向靜載荷試驗間歇時間(以下簡稱為間歇時間)均為11天，施打過程正常。3原因分析3.1試驗時間根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB5007-2002附錄Q單樁豎向靜載荷試驗要點Q.0.4條規(guī)定：開始試驗時間：預制樁在砂土入土后7天后；粘性土不得少于15天；對于飽和粘性土不得少于25天。本工程由于工期十分緊迫，豎向靜載荷試驗沉降異常的兩根樁都在施打完成后11天進行試驗的。由于樁側(cè)阻力大部分由飽和粘性土承擔，間歇時間太短，樁周土未充分固結，其抗剪強度不能得到充分恢復和發(fā)揮，導致樁的承載力達不到要求。地質(zhì)條件相同，樁端持力層未存在粘土薄層、間歇時間為11天、靜載荷試驗合格的樁的試驗曲線圖。其Q-s曲線較陡，s-lgt曲線顯示在加載到七級之后比前幾級有較大的沉降，說明樁周土固結不充分，可以近似地認為樁側(cè)阻力占樁極限承載力標準值的70%。與事故樁的情況相似。根據(jù)有關文獻，樁側(cè)摩阻力主要由粘土層承擔的工程樁，如樁的設計極限側(cè)阻力qsik取值較規(guī)范表值高出不多（如本工程），則間歇時間為14天時側(cè)阻力可達qsik的90%以上，最終側(cè)阻力可比規(guī)范表值高出40-50%。此次復壓處理，沉降量大于20mm的樁從壓樁到復壓的間歇時間均小于15天；間歇時間大于20天的樁的的復壓沉降量均小于10mm，屬于正常沉降；間歇時間大于25天的樁的復壓時都有不同程度（-1～-14mm）的反彈。說明樁周土的充分固結可以大幅度地提高極限側(cè)阻力。經(jīng)過復壓處理、間歇時間為33天、較有代表性的樁的靜載荷試驗曲線圖。其Q-s曲線較平緩，可以說明樁周土固結較充分，按地質(zhì)考慮樁的承載力還有較大余地。s-lgt曲線在加載到九級之后比前幾級有較大的沉降，從曲線分析樁側(cè)摩阻力約占樁極限承載力標準值的90%。此時樁側(cè)阻力比事故樁提高(90%-60%)/60%=50%，間歇時間11天的樁提高（90%-70%）/70%=29%。這與文獻描述的情況相似。3.2部分樁持力層存在薄弱層通過查閱工程勘察報告，豎向靜載荷試驗異常沉降的兩根樁及復壓中沉降量大于20mm的三根樁附近的鉆孔地質(zhì)柱狀土的地層描述“局部夾可塑性粘土，薄層”，計算出Φ500樁樁端在第八層細砂層的極限端阻力Qpk＝qpkAp＝1256KN，而在第八層中的局部夾可塑性粘土薄層時Qpk＝490KN，可見相差懸殊。Qsk=μ∑qsikli＝2462KN，約等于靜載荷試驗加載到第六級時的壓力值4300*0.6＝2580KN，此時樁總極限側(cè)阻力正好發(fā)揮完，若繼續(xù)加載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔。根據(jù)《地基與基礎》：“充分發(fā)揮樁端極限承載力所需的樁端沉降量則大得多…這個極限沉降量，一般粘性土約為0.25d，砂土為（0.08—0.1）d。”要達到樁端極限阻力，在砂土時沉降量為粘性土的2.5-3.5倍?？梢姌抖顺至訛榫植繆A可塑性粘土層時沉降量遠大于密實砂層。由于樁尖細砂層存在軟弱土層，承載力較低，充分發(fā)揮樁端極限承載力所需的沉降量大，所以在加載到六級后發(fā)生沉降突然加大的情況，是符合常理的。3.3樁的卸壓回彈在飽和粘性土中沉樁時，由于樁對土的擠壓，在樁周厚度達25m的粘土層中產(chǎn)生超孔隙壓力水，超孔隙壓力水隨著土體的隆起和側(cè)移而慢慢消失。如果壓樁速度過快，終壓后復壓過快完成，超孔隙壓力水和土體變形未充分消散，此時的飽和粘性土表現(xiàn)為彈塑性變形特征，土體卸壓恢復過程中樁身被抬起，樁尖脫離持力層。在類似土質(zhì)壓樁的實際觀測中發(fā)現(xiàn)，快速壓樁達到終壓值樁機卸載時樁身最大上浮達50-70mm，扣除正常樁靜載荷試驗回彈量大約為10-18mm，殘余沉降量將達40-50mm，復壓很難消除掉這么大的回彈量；另外，在大壓力下復壓，相當對樁施加很大的沖擊荷載，容易對樁身特別是樁頭法蘭盤與樁身混凝土接觸處、樁接頭焊縫處產(chǎn)生裂縫，有的施工單位并不愿意認真復壓。如果在施打過程中沒有采取逐步加載多次復壓的措施，敷衍了事，這些樁在靜載荷試驗時就可能達不到設計要求。3.4擠土效應召集有關單位分析事故原因的會議上，有的單位堅持事故是由擠土效應引起的。擠土效應一般表現(xiàn)為淺層土體的隆起和深層土體的橫向擠出，擠土效應對已經(jīng)施打的樁的影響表現(xiàn)為樁身傾斜及淺樁（≤20m）上浮。這些情況多發(fā)生在樁距較密、布樁平面系數(shù)大且存在巨厚粘土層的地基。本工程同一承臺樁間距Φ400、Φ500分別為1300mm、1600mm，均大于3倍樁徑；柱距為3.2～7.0m之間，場區(qū)樁距較大，布樁平面系數(shù)小，本工程為2.6%，且樁長≥40m，樁施工時未出現(xiàn)土體隆起現(xiàn)象，周圍路面和建筑物未見因壓樁引起的新的損傷，可見因沉樁擠土引起樁體上抬導致樁尖脫離持力層的說法是不正確的。4復壓處理及結果通過上面分析，此次事故主要原因為：壓樁與靜載荷試驗間歇時間太短、樁端持力層存在粘土薄弱土層、快速沉樁導致飽和粘土層回彈致使樁身上浮。因此，要求施工單位有的放矢地對持力層存在粘土薄弱土層的地質(zhì)鉆探孔至周邊正常地質(zhì)鉆探孔范圍內(nèi)的樁必須全數(shù)進行復壓；選取試驗的樁必須在該樁復壓25天后再進行靜載荷試驗。在復壓時碰到的問題和采取的措施如下：4.1復壓控制4.1.1消除樁周土固結由于樁周土有多層飽和軟塑～可塑粘土層，且層厚大，層數(shù)多，摩擦力大，特別是先施打完成的樁由于土體重新固結，在樁機瞬時大壓力加載下樁可能難于沉降，不能達到復壓目的。在復壓時，先采用極限承載力標準值60%～70%的壓力進行瞬時短暫地反復施壓，以破壞樁周土的固結效應。實踐證明，這個方法是可行的，復壓沉降量較大的樁都在施壓6-8次之后就開始有明顯下沉。4.1.2終壓控制考慮到管樁公司提供的樁身強度有一定安全儲備，把樁復壓終止壓力值控制在單樁豎向承載力極限標準值的100～110%。對首批復壓的21根樁進行小應變試驗，結果其中15根為Ⅰ類樁，6根為Ⅱ類樁，表明樁身質(zhì)量符合要求，終壓控制壓力值是安全的。由于液壓靜力壓樁機的構造特性，對樁頂施加壓力不能象豎向靜載荷試驗一樣維持某個穩(wěn)定的壓力持續(xù)長時間加載，施壓時樁尖遇到受壓縮密實砂層時壓力直線上升，所以復壓壓力接近終壓值時需特別小心，稍有大意，壓力就會急速上升，可能破壞樁身完整性。4.1.3樁機配重樁機配重對樁機施打過程的穩(wěn)定性至關重要。配重不足，樁機壓力接近終壓值時樁頂反力使樁架上抬脫離地面，樁機失去穩(wěn)定性，容易使樁頂受到?jīng)_擊，可能使樁身特別是樁頂法蘭盤與混凝土接觸處損壞。復壓初期就有三根樁的樁頂受到破壞，當要求樁機配重加大到600T后樁頂破壞情況基本得到消除。4.2送樁深度地下室部分送樁深度為0.4-2.5m。由于場區(qū)水位為-0.5m，水位較高，送樁超過1.5m的樁復壓難以進行，主要因為復壓時鋼樁送難以對準樁頭。如復壓時鋼樁送未能對準樁頭，會使樁頭偏心受壓，樁身受拉產(chǎn)生橫向裂紋以至破壞。如果通過大面積開挖，外露的樁必須砍掉樁頭，樁頭沒有法蘭盤約束，在復壓時容易破壞；樁機也難以進入基坑作業(yè)。所以復壓前先挖去場區(qū)400mm以上的表層砂層，以不露出樁頭為限，使絕大部分樁都得以復壓。挖出埋得較深樁頭的砂坑，在樁機的重壓下砂可能流入砂坑。為了解決這個問題，要求在樁頭以下300-500mm處放置厚壁砼井圈，井圈上沿低于地面100mm，避免樁機移動時壓壞井圈和方便就位。4.3沉降觀測為使復壓沉降情況直觀明顯，預制了1.2×1.2的龍門架，待樁機就位后水平穩(wěn)定地安放在樁的周邊。利用龍門架可以方便地在復壓過程中測量樁的沉降和回彈情況。此外，為了查明樁最終沉降情況，利用水準儀測量復壓前及復壓后即時和一天后樁頭的標高差，即為樁的復壓回彈量和最終沉降值。4.4處理結果總共復壓了191根樁，其中19根復壓沉降量超過10mm，5根超過20mm，最大沉降47mm。復壓完成18天后共選擇6根進行靜載荷試驗，最大沉降量為17.4-32.5mm，殘余沉降量為2.5-17.4mm,全部達到設計要求。Q-s曲線無明顯陡降，s-lgt曲線尾部無明顯向下彎曲。該工程已經(jīng)竣工驗收備案，最大沉降量9mm，最小沉降量7mm，地下室結構和上部主體結構未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結構安全可靠。5設計和施工注意問題5.1設計注意問題由于土層的復雜性，特別是持力層為細砂層且局部夾有薄弱土層的情況在地質(zhì)勘察中不一定能被發(fā)現(xiàn)，所以控制壓樁終壓值非常重要，終壓值宜大不宜小，一般不宜小于單樁豎向承載力極限標準值。在飽和粘土中采用開口樁尖可解決在粘土層中快速沉樁引起樁的卸壓回彈問題。由于開口樁尖在沉樁時樁內(nèi)孔可以進入部分土體，可減少超孔隙水壓力和粘土擠土作用，減低樁身上浮的可能性。通過應用對比，實踐證明開口樁樁端承載力與閉口樁基本相同。5.2施工控制措施只要樁基配重能達到單樁豎向承載力極限標準值的1.2倍左右，就不會產(chǎn)生壓樁接近終壓值時樁機抬起晃動引起對樁頭和樁身的沖擊所導致的樁體破壞，樁身完整性也能得到保證?？刂瞥翗端俣炔⒉扇《啻沃鸩郊虞d復壓的措施是有效的，能消除巨厚粘土層中快速沉樁卸壓回彈使樁體上浮的作用。