預制樁基質(zhì)量問題分析與處理

周劍 劉洋 張建強

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 西安710065）

引言

預應力混凝土管樁（PHC）由于其樁身混凝土強度高、施工工期短、造價低、樁身質(zhì)量有保證等優(yōu)點，被業(yè)內(nèi)人士所認可。特別是采用靜壓法施工，無噪聲，對周圍環(huán)境影響小，在我國特別是南方地區(qū)得到廣泛應用。

與此同時，工程中PHC管樁的質(zhì)量問題也越來越多。這主要是由于相對于同直徑的混凝土灌注樁，PHC管樁截面面積較小，截面抗彎、抗剪能力較差，應用于表層覆有深厚軟土的地區(qū)，沉樁速率過快、基坑支護不當或開挖不當?shù)纫蛩鼐锌赡茉斐蓸扼w偏位或樁身斷裂事故[1-4]。

目前，國內(nèi)學者對軟土地區(qū)PHC管樁質(zhì)量事故的調(diào)查研究主要集中在施工工序的不合理方面[1-8]，由于資料較少，結(jié)論往往帶有推測性。同時，以往的研究成果中，注漿微型鋼管樁應用于樁基質(zhì)量問題的處理案例卻幾乎沒有。

本文結(jié)合某軟土地區(qū)PHC管樁詳實的地質(zhì)鉆孔資料、施工打樁記錄及樁基檢測數(shù)據(jù)，對預制樁基質(zhì)量問題進行深入的分析，找出PHC管樁質(zhì)量問題原因，并針對結(jié)論采用注漿微型鋼管樁進行樁基事故處理。文章的研究內(nèi)容可為類似的工程提供一定的借鑒作用。

1 工程概況及地質(zhì)資料

1.1 工程概況

某項目位于廣東省順德市，抗震設防烈度7度（0.10g），場地類別Ⅲ類，地震分組第一組。建筑高度18.00m，框架結(jié)構(gòu)，地下1層，地上5層，地下主要功能為人防及地下車庫，地上主要建筑使用功能為學生宿舍。

1.2 地質(zhì)資料

該場地地貌類型屬于江河攜帶泥沙沖積而成的珠江三角洲平原（見圖1），主要地層如下所示：

①層砂性素填土：松散-稍密，層厚1.50m～3.50m，平均2.29m。

②1淤泥質(zhì)土：流塑～軟塑，含腐殖質(zhì)及少量貝殼碎屑，有腐殖臭味。層厚0.50m～2.70m，平均1.09m。

②2粉砂：飽和，分選性較好，級配不良。層厚0.80m ～5.00m，平均2.63m。空間分布不均勻，結(jié)構(gòu)松散，高壓縮性。

②3淤泥質(zhì)土：含腐殖質(zhì)和較多貝殼碎屑，有腐殖臭味，層厚1.40m ～10.00m，平均4.91m。該層在場地內(nèi)分布很廣，連續(xù)性較好，空間分布不均勻，流塑～軟塑，高壓縮性。

②4粉砂：飽和，松散，分選性較好，級配不良。層厚1.30m ～3.90m，平均2.20m。該層土在場地內(nèi)分布很少，不連續(xù)，呈透鏡狀，空間分布不均勻，結(jié)構(gòu)松散，高壓縮性。

②5粉質(zhì)粘土：層厚0.50m ～6.10m，平均2.62m。該層結(jié)構(gòu)及空間分布不均勻，土層不連續(xù)，可塑～硬塑，具中等壓縮性。

④1全風化泥質(zhì)砂巖：層厚0.50m～5.00m，平均1.82m。屬極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

④2強風化泥質(zhì)砂巖：層厚1.20m～20.90m。屬極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。

④3中風化泥質(zhì)砂巖：屬軟巖～較軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

圖1 地質(zhì)剖面Fig.1 Geological section

2 地基與基礎選型

基礎采用樁筏基礎，筏板厚度700mm，柱下設置柱墩以滿足沖切要求。樁基采用直徑500mm（AB型）預應力管樁，樁基設計等級為乙級?，F(xiàn)場接樁采用焊接接樁，樁基持力層選擇④2強風化泥質(zhì)砂巖層，且要求樁端進入④2不小于2.5m，單樁承載力特征值Ra＝1250kN。

由于場地持力層起伏較大，預估樁長設計值為8m～16m。施工沉樁以貫入度控制為主，樁長控制為輔，樁基設計參數(shù)如表1所示。

表1 樁基設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of pile foundation

依據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗，預制管樁采用靜壓法施工，根據(jù)規(guī)范[9]，樁間距取2.0m。該工程共設置904根樁。

3 低應變試驗結(jié)果及分析

3.1 檢測結(jié)果

該工程共檢測樁基362根，占總樁數(shù)的40%，滿足規(guī)范[10]要求。其中21根樁為Ⅲ類樁，占檢測樁總數(shù)的5.8%，見表2。Ⅲ類樁的檢測不符合項為“距檢測面10m、9m、8m附近存在明顯缺陷”，與施工打樁記錄相差7.51m～11m。

表2 Ⅲ類樁低應變檢測結(jié)果Tab.2 Low strain detection results of class III piles

低應變試驗預設樁長20m，樁身截面直徑500mm，縱波波速4200m／s。選取具有代表性的Ⅲ類樁Z413、Z740、Z753的低應變試驗曲線，如圖2所示。選取具有代表性的I類樁的低應變試驗曲線，如圖3所示。

圖2 Z413、Z753、Z740低應變曲線Fig.2 Low strain curve of Z413，Z753 and Z740

圖3 I類樁低應變曲線Fig.3 Low strain curve of pile type I

3.2 缺陷成因分析

對比Ⅰ類樁與Ⅲ類樁的試驗曲線（圖2、圖3），同時對照打樁記錄與檢測樁長（如圖4所示，選取勘探鉆孔ZK09附近的Ⅲ類樁），對缺陷成因進行分析，結(jié)論如下：

1.Ⅰ類樁為完整樁的反射曲線，樁入巖嵌固情況較好，樁底未出現(xiàn)反射，焊接接頭處反射不明顯或基本無反射。

2.Ⅲ類樁除Z402外，均表現(xiàn)出缺陷位置出現(xiàn)在接樁位置附近，推斷Ⅲ類樁的成因是斷樁，斷樁發(fā)生在焊接接頭處。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，施工過程中接頭焊縫施工質(zhì)量差，焊縫不飽滿。另外，焊縫在空氣中冷卻時間短，且地下水位較淺，焊縫在沒有充分冷卻的情況下就開始壓樁，相當于焊縫淬火，極易發(fā)生焊口裂縫。

圖4 ZK09附近Ⅲ類樁樁長關(guān)系（單位：m）Fig.4 Length relationship of class Ⅲ piles near ZK09（Unit：m）

這一觀點從打樁記錄中也可以得到印證，見表3。規(guī)范[9]要求直徑500mm的樁，焊接時間宜為15min～22min，但表3數(shù)據(jù)顯示：壓樁、焊接及焊縫冷卻時間總和最大值才17min，現(xiàn)場焊接時間及冷卻時間均不滿足規(guī)范[9]要求，焊縫沒有充分冷卻就已開始沉樁。

表3 ZK09附近Ⅲ類樁打樁時長Tab.4 Pile driving time of class Ⅲ near ZK09

4 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結(jié)果及分析

4.1 檢測結(jié)果

樁基施工完畢后，對樁基進行單樁豎向抗壓靜載荷試驗，以判定樁基豎向抗壓承載力是否滿足設計要求。單樁豎向靜載荷試驗加載、卸載方式及中止加載條件均按照規(guī)范[10]要求執(zhí)行，最大加載量采用兩倍的單樁承載力特征值2500kN。

該工程單樁豎向抗壓靜載荷試驗共檢測了28根樁，包括第一次檢測的20根樁和擴大檢測的8根樁，具體過程如下：

首先，檢測數(shù)量依據(jù)規(guī)范[10]要求不少于總樁數(shù)的1%。但由于施工手續(xù)不全，檢測樁數(shù)根據(jù)當?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門要求按2.0%執(zhí)行，即20根樁，樁基檢測結(jié)果中有6根樁不滿足設計要求，見表4。

表4 不滿足單樁承載力要求的試驗樁檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of test pile which does not meet the requirement of single pile bearing capacity

表4中，Z444、Z271單樁抗壓極限承載力均為2250kN，與設計要求相差1%，且中止加荷對應的沉降量分別為16.89mm、24.17mm，沉降相對較小。經(jīng)專家論證，通過采取調(diào)整上部結(jié)構(gòu)，減小上部荷載的措施，減小單樁承載力，使Z444、Z271滿足承載力要求。

然后，對其余不滿足設計要求的4根樁基進行擴大抽檢，擴大抽檢樁數(shù)為不合格樁數(shù)的2倍，即擴大檢測8根樁，檢測結(jié)果顯示擴大檢測的8根樁均滿足設計要求。

4.2 單樁豎向承載力不足的原因分析

本工程904根樁全部采用了兩節(jié)管樁進行接樁，第一節(jié)長度為10m～12m，第二節(jié)長度為8m～10m。根據(jù)打樁記錄并結(jié)合地質(zhì)勘探孔點，顯示樁端均已入巖，且樁端進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層均不小于2.5m。

依據(jù)第3.2節(jié)分析結(jié)果，施工過程中發(fā)生斷樁，斷樁發(fā)生在焊接接頭處。再結(jié)合第1.2節(jié)地質(zhì)資料，場地第④2強風化泥質(zhì)砂巖層基巖面起伏較大，可以推斷：斷樁位置處于上部軟土層或進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層深度不足，周邊土層對斷樁接頭約束較差，斷樁會引起單樁豎向承載力不足。

5 Ⅲ類樁對樁身承載力的影響

若Ⅲ類樁斷樁位置已穿透上部軟土層進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層，周邊土層對斷樁接頭約束較好，則斷樁對承載力影響較少或無影響。

5.1 Ⅲ類樁單樁承載力試驗驗證

Z852號樁先后進行了低應變檢測試驗及單樁靜載荷試驗。低應變檢測結(jié)果為Ⅲ類樁（見表2），單樁靜載荷試驗結(jié)果為合格樁。

Z852號樁位于地質(zhì)鉆孔ZK10附近，根據(jù)打樁記錄及地質(zhì)鉆孔資料，顯示Z852號樁接樁位置已進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層。

Z852號樁單樁靜載荷試驗的Q-S曲線如圖5所示，從圖中可以看出，Q-S曲線呈緩變形，當加載到2500kN時，沒有出現(xiàn)明顯的向下轉(zhuǎn)折段，也沒有出現(xiàn)第二個拐點，樁基沒有達到極限狀態(tài)，即Z852滿足單樁承載力特征值Ra≥1250kN的要求。

圖5 Z852靜載荷試驗Q-S曲線Fig.5 Test Q-S curve of Z852 static load test

Z852號樁試驗結(jié)果表明，低應變檢測結(jié)果的Ⅲ類樁，樁身缺陷是否對承載力有影響，應根據(jù)缺陷位置（或稱為斷樁位置）是否入巖及入巖深度綜合判定。

5.2 Ⅲ類樁斷樁位置入巖驗證

現(xiàn)場對Ⅲ類樁Z413、Z753、Z740進行取樣，取樣的深度分別對應低應變檢測缺陷位置的深度，分別為10.50m、10.30m、9.50m，土樣照片如圖6所示。

經(jīng)判斷，圖6a、6c為巖芯呈碎塊狀的④2強風化泥質(zhì)砂巖，圖6b為巖芯呈硬土狀的④2強風化泥質(zhì)砂巖。取樣結(jié)果表明斷樁位置均已進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層。

現(xiàn)場取樣結(jié)果表明，選取的Ⅲ類樁Z413、Z753、Z740在低應變檢測缺陷位置（或稱為斷樁位置）處均已入巖。

圖6 土樣照片F(xiàn)ig.6 Soil sample

6 處理原則及處理措施

6.1 處理原則

由上述論述可知，低應變檢測Ⅲ類樁的成因是斷樁；單樁豎向承載力檢測不合格是由于樁基發(fā)生了斷樁，且斷樁位置尚未進入或進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層深度不足引起的。

根據(jù)專家論證結(jié)論，工程中樁基處理采用以下原則：將斷樁位置進入④2強風化泥質(zhì)砂巖層2.5m作為分界點，斷樁位置若已入巖，且入巖深度不小于2.5m，則不會對單樁承載力產(chǎn)生影響，原則上對此類樁可不進行處理；斷樁位置若入巖深度小于2.5m或未入巖，判定其會影響單樁豎向承載力，則需要對此類樁基進行處理。

6.2 處理措施

考慮到地層復雜性、施工質(zhì)量及抽查結(jié)果的不全面性，采用如下處理措施：

（1）擴大低應變檢測范圍，對所有樁基均進行低應變檢測。

（2）結(jié)合地勘鉆孔持力層深度情況，對低應變檢測缺陷位置在檢測面9m以內(nèi)的Ⅲ類樁，判定為樁基沒有入巖，采用補樁處理。

（3）對低應變檢測結(jié)果缺陷位置在檢測面以下大于9m的Ⅲ類樁均進行混凝土灌芯處理，以對斷樁進行補強。

（4）對單樁承載力檢測不合格的樁基采用補樁處理。

（5）減少上部荷載，將屋面種植土替換成培養(yǎng)液。

（6）對樁基有限元計算結(jié)果中樁反力NK＞1000kN的區(qū)域進行補強樁處理。

（7）根據(jù)現(xiàn)場施工條件及地層情況，補樁及補強樁采用注漿微型鋼管樁（見8.2節(jié)）。

7 斜樁處理

由于基坑支護不當，基坑開挖過程中出現(xiàn)局部小范圍坍塌，施工單位馬上進行了基坑土回填，同時加固基坑。但由于基坑土回填過程中，施工機械和回填方式未注意對樁基的保護，基坑再次開挖以后，發(fā)現(xiàn)基坑坍塌區(qū)域的部分樁基出現(xiàn)斜樁。經(jīng)測量，發(fā)生傾斜的根數(shù)有41根，斜樁最大角度已達51°13′（圖7）。

圖7 斜樁照片F(xiàn)ig.7 Oblique pile photo

經(jīng)專家論證，斜樁傾斜角度較大，按廢樁處理，對該區(qū)域的斜樁采用注漿微型鋼管樁進行補樁。

8 注漿微型鋼管樁

8.1 選型

注漿微型鋼管樁是樹根樁的一種，是在小型鉆孔中下入鋼管，再進行壓力注漿。樁體由壓力灌注的水泥（砂）漿或細石混凝土形成的注漿體和鋼管兩部分組成。壓力注漿體在形成樁體的同時，漿液還滲透到樁周土層內(nèi)，加固周圍土體，最終形成“內(nèi)注漿體+鋼管+注漿加固土體”的復合樁體。

注漿微型鋼管樁具有良好、可控的成樁質(zhì)量及承載力[11，12]，早期用于地基加固中，現(xiàn)逐漸推廣至樁基質(zhì)量問題處理工程中。

本工程注漿微型鋼管樁采用鉆孔直徑300mm，鋼管直徑250mm，鋼管空內(nèi)填充碎石后壓力注漿，間歇一段時間后，進行二次注漿，以保證成樁質(zhì)量。

8.2 補樁原則

1.對斜樁區(qū)域，要求微型鋼管樁入巖深度達到6.5m，承載力特征值要求達到600kN，并進行單樁承載力載荷試驗。

2.對樁基有限元計算結(jié)果中樁反力NK＞1000kN的區(qū)域進行補強樁處理，補強樁采用微型鋼管樁，要求樁端入巖2.0m，略小于預制樁入巖深度2.5m，以減少預鉆孔對樁端持力層巖體整體性的破壞。

3.對小應變擴大檢測范圍，后續(xù)擴大檢測結(jié)果中缺陷位置在檢測面以下8m內(nèi)的樁，進行微型鋼管樁補樁，處理要求同“斜樁”。

入巖深度要求達到6.5m的注漿微型鋼管樁承載力特征值Ra＝600kN，樁基施工完成后，要求進行靜載荷試驗以確定樁基承載力是否滿足設計要求。

8.3 檢測結(jié)果

注漿微型鋼管樁施工完畢后進行單樁靜載荷試驗，試驗樁數(shù)為3根，根據(jù)檢測結(jié)果，3根檢驗樁均能滿足抗壓極限承載力大于1200kN的要求，且Q-S曲線平緩、無明顯陡降段，終止加載時刻沉降量分別為0.85mm、1.39mm 及2.75mm，說明注漿微型鋼管樁尚具有較大的承載能力儲備。

9 結(jié)論及建議

按照本文方法對問題樁基進行相關(guān)處理后，樁基各項指標檢測合格，滿足設計要求。通過以上分析和處理結(jié)果，得出以下結(jié)論和建議：

1.預制樁基在焊接接頭位置處易發(fā)生斷樁，施工過程中應加強對接頭焊接質(zhì)量和焊縫冷卻時間的控制。

2.預制樁基Ⅲ類樁的處理措施應結(jié)合地層情況進行綜合判定，對承載力無影響的Ⅲ類樁可不進行處理。

3.對廣東地區(qū)較厚淤泥質(zhì)土場地的預制樁基，樁側(cè)淤泥質(zhì)土對管樁水平約束作用較差，在打樁過程中應注意對樁身垂直度的控制，打樁結(jié)束后的基坑開挖過程中更應重視對預制樁基的保護。避免樁基兩側(cè)不均勻堆土、基坑開挖高差過大及挖掘機碰撞樁基，造成斜樁或斷樁事故。

4.對PHC管樁質(zhì)量事故的分析與處理應綜合考慮施工及地層因素，必要時，應擴大樁基的檢測范圍。注漿微型鋼管樁可作為一種可靠的樁基處理方式在同類工程中加以應用。