傾斜P(pán)HC 管樁的處理方法及剩余承載力研究

何稼超

（同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的基建事業(yè)發(fā)展迅猛，基建項(xiàng)目遍地開(kāi)花，基建中有許多民生保障類(lèi)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的特點(diǎn)無(wú)一例外都將工期作為主要的控制因素。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土（PHC）管樁以其施工速度快、造價(jià)低廉、沉樁質(zhì)量容易保證等諸多優(yōu)勢(shì)，在這類(lèi)工程建設(shè)中大量采用，且效果良好。

但是，在我國(guó)很多地區(qū)，由于其場(chǎng)地土質(zhì)偏軟，在工程實(shí)施過(guò)程中，容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁體出現(xiàn)傾斜、偏位、彎曲、裂縫，甚至斷樁等情況的發(fā)生。這些情況發(fā)生的主要原因總結(jié)如下：樁尖、樁頭制作的偏差、大面積高密度的群樁基礎(chǔ)引起的擠土效應(yīng)、基坑圍護(hù)出現(xiàn)邊坡滑移等。此類(lèi)樁基質(zhì)量問(wèn)題引起的后果相當(dāng)嚴(yán)重，會(huì)對(duì)建構(gòu)筑物的安全性帶來(lái)威脅。因此，如何科學(xué)合理、正確評(píng)價(jià)有缺陷的工程樁的剩余承載能力，或通過(guò)合理的處理手段使其基本恢復(fù)原有的承載能力，是工程實(shí)踐中經(jīng)常面對(duì)的問(wèn)題。這類(lèi)問(wèn)題處理得當(dāng)，對(duì)工程有著實(shí)際的重要意義。

1 工程及地質(zhì)概況

沿海某市污水廠(chǎng)的改擴(kuò)建工程，其初沉池直徑40 m，池體高度5.5 m，中心筒位置再落深3 m，是典型的鋼筋混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)。

擬建場(chǎng)地屬浙東南沿海濱海相沉積平原地貌類(lèi)型?？碧缴疃确秶鷥?nèi)地基土主要為5 個(gè)工程地質(zhì)層。從上至下依次為：①0雜填土、②1含粉砂淤泥、②2淤泥、③2黏土、④2粉質(zhì)黏土、⑤2粉質(zhì)黏土。各層土的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 所列。

表1 初沉池位置地質(zhì)土層情況一覽表

由于池底持力層土性較差，承載能力嚴(yán)重不足，加之地質(zhì)淺層有高厚軟土，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC 管樁）。

根據(jù)分析和計(jì)算，樁端持力層?、?粉質(zhì)黏土層，設(shè)計(jì)采用直徑600 mm 的PHC 管樁，型號(hào)AB110，樁長(zhǎng)50 m，單池布樁166 根。單樁豎向承載力特征值600 kN，無(wú)抗拔承載力的要求。

2 工程樁實(shí)施情況

由于該項(xiàng)目用地緊張，工藝平面布置時(shí)，初沉池與生物反應(yīng)池的基坑相距僅5 m，初沉池的底板高于生反池基坑底4 m 多，由于生反池基坑開(kāi)挖時(shí)，未有妥當(dāng)?shù)膰o(hù)措施，加之邊坡開(kāi)挖深度內(nèi)的雜填土和含砂淤泥土性過(guò)于軟弱，生反池基坑靠近初沉池側(cè)出現(xiàn)土體滑移現(xiàn)象，造成初沉池靠近生反池較近的已完成沉樁的工程樁共計(jì)有54 根出現(xiàn)不同程度的傾斜，樁頂明顯向生反池側(cè)傾斜，最大樁頂偏位達(dá)95 cm。

樁基布置及樁頂偏位示意圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 初沉池樁基偏位圖

3 工程樁偏位分析

沉樁時(shí)施工正常、后期土體滑移造成的工程樁偏位，符合德比爾（De Beer）所說(shuō)的“被動(dòng)樁”概念，即承受由樁周土水平位移所產(chǎn)生水平荷載的樁。此類(lèi)樁會(huì)隨著樁周土的水平運(yùn)動(dòng)，樁身繼而產(chǎn)生傾斜、撓曲變形，樁的水平位移可達(dá)到開(kāi)挖深度的1%～2%，甚至更大。根據(jù)德比爾和沃拉斯（De Beer and Wallays）等對(duì)承受土體水平運(yùn)動(dòng)的樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，軟粘土地基側(cè)向流動(dòng)引起的作用于樁上的側(cè)向壓力很大，足以使較大尺寸的樁產(chǎn)生變形，甚至破壞[1]。

經(jīng)分析判斷，土體滑移造成樁頂偏位意味著工程樁可能出現(xiàn)如下缺陷：

（1）樁身未損壞、樁整體傾斜；

（2）樁身出現(xiàn)裂縫、樁整體傾斜；

（3）樁身出現(xiàn)裂縫、樁出現(xiàn)整體撓曲；

（4）樁身彎折及出現(xiàn)斷點(diǎn)（斷裂），折點(diǎn)（折斷）位置的上部樁身傾斜、下部略有傾斜或基本保持豎向。

情況（1）和（2）的樁身保持直線(xiàn)完整性，無(wú)彎折現(xiàn)象，但存在豎向傾斜角。情況（3）的樁身往往較長(zhǎng)，比較柔，由于撓曲后其曲率半徑的存在，樁身會(huì)有附加彎矩。情況（4）的樁折點(diǎn)（折斷）位置一般在土層滑移深度下方的樁身彎剪力最大處、或樁身薄弱處（接樁處），上部樁往往由于傾斜率過(guò)大，且與下部有折（斷）點(diǎn)，容易使整根樁基本失去承載能力。

樁整體傾斜、撓曲變形或樁身出現(xiàn)裂縫、樁身折斷均會(huì)造成工程樁的承載能力降低。從工程應(yīng)用實(shí)際和安全出發(fā)，人們最關(guān)注的是已偏位的工程樁是否還能滿(mǎn)足工程需要，缺陷樁的剩余承載能力或者其經(jīng)過(guò)修復(fù)后是否還能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這是迫切需要解決的首要問(wèn)題。

4 檢測(cè)結(jié)果

4.1 樁身完整性檢測(cè)結(jié)果

在54 根偏位樁中，共存在I 類(lèi)樁3 根，II 類(lèi)樁19 根，III 類(lèi)樁32 根，無(wú)IV 類(lèi)樁。

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》定義，I 類(lèi)樁樁身完整。II 類(lèi)樁指樁身有輕微缺陷，不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載能力。III 類(lèi)樁指樁身有明顯缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響。無(wú)IV 類(lèi)樁意味著工程樁未出現(xiàn)樁身折斷等嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)承載力的情況。

4.2 樁身垂直度檢測(cè)結(jié)果

按照工程樁偏位值，結(jié)合樁身完整性檢測(cè)結(jié)果，共選取了8 根樁作傾斜率（角）測(cè)定。結(jié)果詳見(jiàn)表2所列。

表2 樁身垂直度檢測(cè)結(jié)果一覽表

4.3 檢測(cè)結(jié)果分析

分析上表中具體數(shù)值可以得出的基本結(jié)論是：

（1）偏位樁一般均存在樁身垂直度的問(wèn)題，有一定的傾斜角。

（2）偏位數(shù)值和樁身完整性無(wú)必然聯(lián)系，即不存在偏位值大的樁其完整性一定就差。

（3）接樁處一般為樁身薄弱位置（表中缺陷深度的位置基本同上部單節(jié)樁長(zhǎng)，只有樁號(hào)310 例外），當(dāng)樁受上部土體滑移影響，接樁處承受彎剪能力弱于樁身。

（4）偏位值和樁身傾斜角無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，即不存在偏位值大的樁其傾斜角就大。

（5）基本無(wú)樁身彎曲現(xiàn)象。

5 處理思路

由于現(xiàn)行樁基規(guī)范僅對(duì)錘擊沉樁時(shí)，樁的插入垂直度偏差有不得超過(guò)0.5%的要求（折算傾斜角為0.28°），未對(duì)沉樁后的樁身垂直度定出允許的偏差值。其定義的II 類(lèi)、III 類(lèi)樁對(duì)承載能力的影響，一般認(rèn)為是指樁身基本垂直情況下的結(jié)論。該工程受生反池基坑滑坡影響，樁身發(fā)生傾斜偏位，傾斜角度一般在2.5°～4.1°之間。當(dāng)樁身傾斜超過(guò)一定角度后，樁的承載能力會(huì)有影響。為保證工程的安全性，必須正確評(píng)估傾斜角與基樁承載力損失的關(guān)系。

（1）對(duì)傾斜角與基樁承載力損失的關(guān)系進(jìn)行研究分析；

（2）采用靜載試驗(yàn)抽樣驗(yàn)證上述評(píng)估結(jié)論；

（3）根據(jù)現(xiàn)狀樁的實(shí)際位置對(duì)初沉池底板內(nèi)力和配筋進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

6 樁身傾斜角與基樁承載力關(guān)系的理論分析

樁身發(fā)生傾斜對(duì)豎向荷載下基樁承載力的影響主要有三個(gè)方面：沉降值、樁身彎矩和樁身剪力。

對(duì)于承受豎向荷載的傾斜樁，其承載能力的特性國(guó)內(nèi)外均有一定的研究。他們一般采用的試驗(yàn)方法是室內(nèi)模型測(cè)試，理論分析采用巖土專(zhuān)業(yè)的有限差分軟件FLAC3D。

鄭剛等[2]人的研究結(jié)論是：存在著基于樁身傾斜度對(duì)樁頂沉降影響的沉降影響門(mén)檻值和對(duì)樁體破壞模式影響的破壞模式門(mén)檻值。即當(dāng)樁體傾斜角小于門(mén)檻值時(shí)，其在相同豎向荷載作用下樁頂沉降的值小于豎直樁，其豎向承載能力不低于豎直樁。當(dāng)樁體傾斜角超過(guò)相應(yīng)的門(mén)檻值時(shí)，其沉降會(huì)大于豎直樁，豎向承載能力小于豎直樁。他們給出的兩者門(mén)檻值為傾斜度4%（合2.29°）。土質(zhì)條件、樁身剛度和強(qiáng)度、樁頂約束條件等都會(huì)影響該門(mén)檻值大小。在軟土地質(zhì)中，門(mén)檻值有所增大，其中沉降影響門(mén)檻值為傾斜度5%（合2.87°），破壞模式門(mén)檻值為傾斜度4%～5%。

蘇子將等[3]分析了軟土地區(qū)中承臺(tái)下樁基的傾斜度對(duì)豎向荷載承載力的影響。該研究以樁基沉降40 mm 時(shí)的荷載作為容許承載力，即僅研究?jī)A斜度與樁頂沉降的關(guān)系來(lái)評(píng)判豎向荷載作用下的樁基承載力，結(jié)論是：在傾斜度0°～12°范圍內(nèi)，容許承載力隨傾斜度成正比；超過(guò)12°時(shí)，隨傾斜度增大容許承載力逐漸減少。

上述兩項(xiàng)研究的結(jié)果差異較大，仔細(xì)分析一下，形成這個(gè)結(jié)果的原因有：

鄭剛等人研究的對(duì)象為模型樁，樁頂端無(wú)約束，為自由狀；試驗(yàn)土體采用砂土；研究的內(nèi)容為樁頂沉降和樁身彎曲破壞兩個(gè)方面。蘇子將等人研究的是工程樁，樁徑1 200 mm，樁長(zhǎng)71 m，單個(gè)承臺(tái)下有11 根樁，可以理解為樁頂有約束的群樁基礎(chǔ)，樁周土為淤泥、粘土和圓礫石；研究的內(nèi)容僅為樁頂沉降。

樁彎曲后，樁的豎向極限承載力會(huì)減少。這一點(diǎn)，在國(guó)外也有相同的研究成果。根據(jù)瑞典規(guī)范，當(dāng)樁的彎曲曲率半徑由400 m 到100 m 范圍變化時(shí)，規(guī)定其容許承載力線(xiàn)性地減少到零[1]。

胡文紅等人[4]進(jìn)一步的研究表明，決定傾斜樁的豎向極限承載能力的往往不是沉降大于容許值和樁體的剪切破壞，而是樁身最大彎矩超過(guò)樁身極限抗彎強(qiáng)度而造成的破壞，即當(dāng)豎向荷載達(dá)到一定數(shù)值后，樁身彎曲破壞模式（剪切力往往小于樁體極限抗剪強(qiáng)度很多而基本不會(huì)發(fā)生破壞）的（傾斜度）門(mén)檻值要低于沉降門(mén)檻值。

另外，鄭剛等人研究的另一個(gè)結(jié)論是：（相同）豎向荷載作用下樁身截面彎矩隨傾斜度的增加而逐漸增大，彎矩最大值發(fā)生在距樁頂端2.5～3.5 m 范圍內(nèi)。這一點(diǎn)與胡文紅等人研究的結(jié)果：不同豎向荷載作用下傾斜度為5%的樁，其樁身最大彎矩值發(fā)生在距樁頂端2.5～3.0 m 處有相似之處。

7 工程傾斜樁處理對(duì)策

7.1 理論上的結(jié)論

根據(jù)上述系列研究成果，結(jié)合該單體工程樁的傾斜度數(shù)據(jù)和樁身完整性檢測(cè)結(jié)果，理論上可得出下述結(jié)論：

（1）在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下，樁頂沉降數(shù)值與其它無(wú)傾斜角的垂直工程樁基本一致，不會(huì)有較大的差異。

（2）由沉樁引起的傾斜樁在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下，樁身剪力與樁體極限抗剪強(qiáng)度相比較小。但由基坑滑移引起的傾斜樁由于存在著土的水平位移產(chǎn)生的壓力，其樁身剪力要大一些。

（3）傾斜樁由于在豎向荷載作用下樁體承受過(guò)大的彎矩而導(dǎo)致彎曲破壞，是導(dǎo)致樁極限承載力下降的主要因素。該工程的偏位樁如無(wú)初始彎曲應(yīng)力，應(yīng)在樁體破壞模式的門(mén)檻值以?xún)?nèi)。

（4）當(dāng)傾斜樁樁頂存在著承臺(tái)、底板等有約束構(gòu)件時(shí)，由于限制了樁頂?shù)乃轿灰坪娃D(zhuǎn)動(dòng)，樁身?yè)锨黠@減少，樁身彎矩減少，從而樁的極限承載力不會(huì)受太大的影響[4]。

7.2 相應(yīng)的處理對(duì)策

（1）對(duì)偏位樁頂端滑移的土體（高度約3 m）進(jìn)行必要的整平，目的是消除樁頂單側(cè)土壓力作用，平衡樁端周?chē)耐翂毫Α?/p>

（2）對(duì)檢測(cè)結(jié)果為III 類(lèi)的樁從缺陷處下2 m 到樁頂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

（3）對(duì)其它偏位樁在頂端5 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

（4）補(bǔ)強(qiáng)方法：采用鋼筋籠灌芯加固。鋼筋籠做法：縱筋為6 根14 mm，箍筋6 mm，間距100 mm，混凝土采用C40 微膨脹細(xì)石混凝土。補(bǔ)強(qiáng)的目的是增加樁體的抗彎強(qiáng)度，不減少原有工程樁的豎向承載能力。

（5）偏位樁完成上述灌芯施工10 d 后對(duì)III 類(lèi)樁進(jìn)行小應(yīng)變復(fù)測(cè)，要求達(dá)到II 類(lèi)樁。

（6）小應(yīng)變檢測(cè)合格后，對(duì)于偏位在90 cm 以上的樁（共3 根）采用靜載試驗(yàn)檢測(cè)其承載力。

（7）對(duì)于偏位在80 cm 以上的樁，采用底板加腋補(bǔ)強(qiáng)（共6 處）。

8 處理結(jié)果驗(yàn)證

按上述方式對(duì)偏位工程樁處理后，原III 類(lèi)樁經(jīng)小應(yīng)變復(fù)測(cè)后，樁身完整性變?yōu)镮I 類(lèi)。對(duì)選取的3 根偏位樁與2 根未偏位樁（正常樁）進(jìn)行靜載試驗(yàn)。其沉降值見(jiàn)表3 所列。

表3 沉降值一覽表

從表3 可以看出，該工程偏位的工程樁由于傾斜率不是太大，在進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)處理后，其承載能力未受明顯影響。對(duì)偏位值（傾斜率）更大的工程樁，或偏位后存在一定彎曲應(yīng)力的樁身，其剩余承載能力是否還能滿(mǎn)足工程要求，是后續(xù)更值得研究的問(wèn)題，并需要實(shí)際工程來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)的。

初沉池施工完成后經(jīng)過(guò)閉水試驗(yàn)，目前已投入運(yùn)行一年多，經(jīng)沉降跟蹤監(jiān)測(cè)，累計(jì)沉降1.5 cm 并基本穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié)論

（1）沉樁時(shí)，因垂直度控制誤差而產(chǎn)生的傾斜工程樁，其樁身一般不存在初始彎曲應(yīng)力。而由沉樁時(shí)，擠土效應(yīng)或基坑滑坡引起的工程樁傾斜，由于土體水平位移的作用，樁身局部長(zhǎng)度會(huì)存在一定的初始彎曲應(yīng)力。

（2）管樁的抗彎極限承載能力較弱，由于局部彎曲破壞導(dǎo)致傾斜，其工程樁豎向極限承載能力減小是最易發(fā)生的事故。

（3）依據(jù)該工程實(shí)際處理結(jié)果，在樁身傾斜率7%（合4.1°）以?xún)?nèi)，如消除或減少樁身周?chē)馏w的不平衡水平應(yīng)力（消除樁的初始彎曲應(yīng)力），傾斜工程樁的豎向荷載極限承載能力和沉降值基本同豎直樁。

（4）傾斜樁在豎向荷載作用下，樁身最大彎矩發(fā)生在樁頂以下2.5～3.5 m 區(qū)段內(nèi)，對(duì)該部分的樁身進(jìn)行加強(qiáng)處理（如灌芯補(bǔ)筋），提高其抗彎極限能力是必須的。