預(yù)應(yīng)力管樁承載力不滿足要求原因分析與處理方法

郭金雪，劉金波，張 松，李 冰

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

預(yù)應(yīng)力管樁在軟土地層中施工速度快、效率高，可避免頸縮、塌孔等問題，且樁身強(qiáng)度高，成樁質(zhì)量易控制和檢測(cè)，因此得到廣泛推廣和應(yīng)用。但若地質(zhì)條件特殊或施工方法不當(dāng)，盡管工程樁驗(yàn)收結(jié)果為I類完整樁，仍會(huì)存在單樁豎向抗壓承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況。工程技術(shù)人員需準(zhǔn)確分析承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的真正原因，才能有效處理此類管樁的質(zhì)量問題。本文結(jié)合勘察報(bào)告、低應(yīng)變和高應(yīng)變檢測(cè)、Q-S靜載曲線及施工資料分析工程樁承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的原因，并給出處理方法和建議。

1 工程概況

某工程共14棟樓，其中9棟為17～18層住宅、5棟為29～31層住宅，地下1層大底盤結(jié)構(gòu)均為剪力墻結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC500 AB 125)+承臺(tái)+防水板，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000kN。工程樁施工完成后檢測(cè)單樁豎向承載力，發(fā)現(xiàn)部分樁的單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200/1 400kN，不滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地基土自上而下分為6層，各巖土層結(jié)構(gòu)及特征分述如下：①素填土 黃褐色～灰褐色，稍濕～濕， 密實(shí)度不均勻，松散～稍密狀態(tài)。②粉質(zhì)黏土 黃褐色～棕褐色，部分場(chǎng)區(qū)表層呈黑色、褐色，濕～飽和，可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，具水平層理與中等壓縮性。③粉質(zhì)黏土 黃褐色，濕～飽和，可塑～硬塑狀，具有有中低壓縮性。④全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖 紫紅色，泥質(zhì)層狀構(gòu)造；原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯呈土狀，風(fēng)化強(qiáng)烈，塊狀巖芯用手易捻碎，失水易碎，具有軟化性、崩解性，浸水易軟化，失水易干裂，干鉆易鉆進(jìn)，屬于極破碎極軟巖。⑤強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖 紫紅色、暗紫色，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，礦物成分顯著變化，具有軟化性、崩解性，浸水極易軟化、失水易干裂；屬于破碎極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。⑥中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖 紫紅色，泥質(zhì)、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造；原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造部分已破壞，以泥質(zhì)及砂質(zhì)礦物為主要成分，具有軟化性、崩解性，浸水極易軟化、失水易干裂；屬極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

1.2 地下水

場(chǎng)區(qū)地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為第②層粉質(zhì)黏土及第③層粉質(zhì)黏土，整體水量不大?？辈炱陂g鉆孔揭露場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定地下水位約11.500m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，場(chǎng)區(qū)地下水位高程年變化幅度約2.000m，近3～5年場(chǎng)區(qū)最高水位約13.500m。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 樁身完整性檢測(cè)

采用高低應(yīng)變檢測(cè)手段對(duì)工程樁進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：①低應(yīng)變檢測(cè)報(bào)告 檢測(cè)樁曲線均正常，樁身無明顯缺陷，評(píng)價(jià)為I類樁；②高應(yīng)變檢測(cè)報(bào)告 檢測(cè)樁曲線正常，樁身無明顯缺陷，除部分樁基的單樁豎向承載力特征值<2 000kN外(占總檢測(cè)樁數(shù)的5.6%)，其余均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 單樁豎向承載力靜載檢測(cè)

對(duì)7號(hào)樓部分樁進(jìn)行復(fù)打后，檢測(cè)其中2根工程樁。檢測(cè)結(jié)果顯示，復(fù)打后單樁豎向抗壓承載力特征值僅1 200kN，仍不滿足設(shè)計(jì)要求。

已檢測(cè)的單樁豎向抗壓承載力極差的已超過平均值的30%，根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)極差超過平均值的30%時(shí)，應(yīng)分析原因，不能明確時(shí)，應(yīng)增加試樁數(shù)量。因此，增加基樁檢測(cè)數(shù)量，但仍有2根基樁單樁豎向承載力特征值為1 200/1 400kN，不滿足設(shè)計(jì)要求。各樓工程樁的Q-S靜載檢測(cè)曲線如圖1所示。

圖1 Q-S靜載檢測(cè)曲線

3 原因分析

為查明是否為勘察不準(zhǔn)確造成的單樁承載力不足，進(jìn)行補(bǔ)充勘察，結(jié)果顯示，除部分鉆孔揭示有中粗砂層外，其余各土層性質(zhì)與原勘察報(bào)告基本一致。根據(jù)勘察報(bào)告、檢測(cè)報(bào)告、施工資料等，綜合分析可能引起單樁豎向抗壓承載力特征值不滿足設(shè)計(jì)要求的原因如下。

3.1 未進(jìn)入樁端持力層

由基樁標(biāo)高記錄和附近勘察鉆孔對(duì)比發(fā)現(xiàn)，可能存在部分基樁持力層較淺的情況。但從施工資料可知，打樁總擊數(shù)、每陣貫入度、最后1m錘擊數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

中粗砂層可能阻礙沉樁，導(dǎo)致樁端持力層為中粗砂層，無法到達(dá)原設(shè)計(jì)持力層。因此單樁承載力降低比例較小，達(dá)不到不合格樁承載力降低比例。雖不排除因中粗砂阻礙導(dǎo)致樁端持力層較淺，進(jìn)而降低單樁承載力的可能，但該原因并非導(dǎo)致基樁承載力顯著降低的最主要因素。

3.2 樁上浮

受限于場(chǎng)地觀測(cè)條件，無法直接獲得后施工基樁對(duì)既有基樁標(biāo)高15d以上的持續(xù)影響情況，但復(fù)打后的樁承載力不滿足要求，說明和基樁上浮基本無關(guān)。

3.3 樁端持力層遇水軟化

1)樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，勘察報(bào)告表明該層具有遇水軟化失水崩解的特征。

2)管樁樁端未及時(shí)封堵，孔內(nèi)積水滲入樁端，造成砂質(zhì)泥巖軟化?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分管樁端部未灌注混凝土進(jìn)行防滲，空孔內(nèi)有積水，甚至到孔口。JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于樁端嵌入遇水易軟化的強(qiáng)風(fēng)化巖預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁，沉樁后應(yīng)對(duì)樁端以上約2m范圍內(nèi)采取有效防滲措施。

3)打樁與靜載檢測(cè)時(shí)間間隔長(zhǎng)的樁承載力不滿足要求的概率高，符合軟化規(guī)律。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，打樁和檢測(cè)間隔超過90d的基樁，承載力大部分不滿足設(shè)計(jì)要求，部分基樁單樁承載力與檢測(cè)間隔差如表1所示。

表1 部分基樁單樁承載力與檢測(cè)間隔差

根據(jù)高應(yīng)變檢測(cè)報(bào)告，對(duì)比不合格樁與部分合格樁檢測(cè)結(jié)果，如表2所示。

表2 不合格樁與部分合格樁檢測(cè)結(jié)果 kN

1)承載力不滿足原設(shè)計(jì)要求的基樁，端阻力均明顯小于合格基樁，而側(cè)阻力差異不大，說明樁端阻力降低是導(dǎo)致基樁承載力降低的主要因素。

2)承載力不滿足原設(shè)計(jì)要求的基樁均為施工較早的第1批樁(前后兩批基樁施工時(shí)間相差約8個(gè)月)，而施工較晚的第2批樁承載力均滿足原設(shè)計(jì)要求。該特點(diǎn)與靜載檢測(cè)樁端軟化的時(shí)間效應(yīng)相符。

根據(jù)單樁靜載檢測(cè)和高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果可知，單樁豎向承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的基樁基本存在基樁檢測(cè)與施工間隔時(shí)間過長(zhǎng)的現(xiàn)象，因此推測(cè)樁端軟化具有時(shí)效性。

3)不合格樁與合格樁的Q-S靜載曲線對(duì)比如圖2所示。由圖2可知，加載前期(Q<2 000kN)累計(jì)沉降量很小，此時(shí)主要是側(cè)阻力發(fā)揮作用。隨著加載量的增加，端阻力逐漸起主要作用，此時(shí)，不合格樁均產(chǎn)生較大沉降，原因如下：①斷樁 根據(jù)低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果顯示，所有檢測(cè)樁樁身完整性均為I類樁，樁身無缺陷，因此排除該原因；②樁端存在虛土或被軟化，導(dǎo)致樁端產(chǎn)生較大刺入。

圖2 不合格樁與合格樁Q-S靜載曲線對(duì)比

10號(hào)樓18號(hào)樁的Q-S靜載曲線加載至2 800kN 后，每級(jí)荷載下的變形均減小，即樁端軟化土被逐步壓密，這是典型的樁端持力層遇水軟化現(xiàn)象。

綜上所述，引起部分樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的主要原因是樁端持力層遇水軟化。

由于樁端軟化的時(shí)效性、隨機(jī)性和軟化程度差異性，可能導(dǎo)致底板開裂、結(jié)構(gòu)開裂、建筑物傾斜等后果，因此需采取相應(yīng)的處理措施。

4 處理方法

針對(duì)14棟樓的施工進(jìn)度、荷載水平等差異性，給出如下處理方法。

4.1 未施工上部結(jié)構(gòu)建筑物

1)改為復(fù)合地基 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，場(chǎng)地不具備較好的補(bǔ)樁條件，考慮到為業(yè)主節(jié)約工期及造價(jià)，在不增加樁數(shù)的條件下，采用復(fù)合地基方案，充分發(fā)揮樁間土承載力，使地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)方案調(diào)整為復(fù)合地基方案后，為明確樁間土和復(fù)合地基的承載力，需檢測(cè)樁間土和復(fù)合地基承載力，檢測(cè)結(jié)果作為復(fù)合地基方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2)改為筏板基礎(chǔ) 將原設(shè)計(jì)的樁基承臺(tái)+防水板方案改為筏板基礎(chǔ)，增強(qiáng)基礎(chǔ)整體性，避免產(chǎn)生差異沉降拉裂防水板。同時(shí)考慮樁端軟化的隨機(jī)性對(duì)筏板內(nèi)力的影響，通過增設(shè)暗梁調(diào)整內(nèi)力。

3)采取防滲措施 為防止樁端軟化加劇，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)采取防滲措施，如采用微膨脹混凝土填芯。

考慮該項(xiàng)目樁端持力層遇水軟化的特殊性，若仍依據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，中砂、粗砂、級(jí)配砂石和碎石作為褥墊層，則無法截?cái)嗨?，樁端持力層被軟化的可能性仍存在。因此，將褥墊層改為水泥土，同時(shí)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)條件，僅在樁頂一定范圍采用水泥土褥墊層，其余樁間土仍采用原狀土，超挖部分使用素混凝土回填。

4)主、裙樓共同作用 主樓與裙樓通過后澆帶分隔，后澆帶范圍內(nèi)的裙房可分擔(dān)主樓部分荷載，因此模型計(jì)算時(shí)考慮主、裙樓共同作用。為防止主、裙樓交界處應(yīng)力集中導(dǎo)致筏板開裂，需增強(qiáng)主、裙樓連接處剛度，避免剛度突變，如變截面處采用放坡處理。

4.2 已施工上部結(jié)構(gòu)建筑物

由于無法得知已施工上部結(jié)構(gòu)建筑物的樁端是否存在軟化問題，故加固承臺(tái)間防水板，增加基礎(chǔ)整體性，并使樁間土分擔(dān)部分荷載，減小樁端可能軟化的影響。

5 結(jié)語

1)當(dāng)已檢測(cè)樁的數(shù)量不足或極差超過規(guī)范要求時(shí)，需擴(kuò)大檢測(cè)樁數(shù)量。

2)若樁端持力層為浸水易軟化的泥巖，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行封堵，防止樁端浸水軟化導(dǎo)致承載力降低。

3)當(dāng)基樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可改變地基基礎(chǔ)形式，如樁基改為復(fù)合地基，獨(dú)立承臺(tái)+防水板改為筏板基礎(chǔ)，充分利用樁間土的承載力。

4)既有建筑對(duì)承臺(tái)間的防水板進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)提高剛度，分擔(dān)部分荷載。

5)考慮裙房分擔(dān)部分主樓荷載，可增強(qiáng)主、裙樓間的連接剛度。