水下攝像和高強(qiáng)灌漿在預(yù)應(yīng)力管樁承載力不足處理中的應(yīng)用

阮小峰

（河南省地礦局第二地質(zhì)勘查院，河南鄭州450000）

0 引言

近年來，隨著綠色施工、綠色建筑的推廣，裝配式建筑、工廠化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件得到了廣泛的使用。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC）作為預(yù)制構(gòu)件的一種，具有質(zhì)量預(yù)可視、高強(qiáng)環(huán)保、施工高效靈活等特點(diǎn)，在國家的嚴(yán)格環(huán)境管控下在高層住宅樓的基礎(chǔ)施工中得到了大量采用，尤其在目前霧霾嚴(yán)重的北方高層建筑施工中得到了廣泛應(yīng)用。管樁施工有靜力壓樁法和錘擊打樁法2種施工工藝［1］。錘擊打樁法由于噪聲和空氣污染，主要用于郊外的工業(yè)廠房、路基加固等的基礎(chǔ)施工中［2］，目前市區(qū)的管樁施工以靜壓法施工為主。管樁壓樁過程看似簡單，實(shí)則與施工、地質(zhì)情況有很大的關(guān)系，稍有不慎就可能造成質(zhì)量問題。壓樁過程中如遇飽和土和粉細(xì)砂層，超孔隙水壓力未能及時(shí)消散，容易造成樁體上?。?］、焊口脫開、承載力不足等問題［4］?，F(xiàn)場的樁基檢測如靜載、高應(yīng)變、低應(yīng)變等由于受成本、進(jìn)度和檢測手段的限制，不能及時(shí)有效地查找出管樁承載力不足的準(zhǔn)確原因。采用清水沖洗管芯、水下攝像技術(shù)［5］及輔助量測手段，能夠準(zhǔn)確判斷樁身完整情況、焊口脫開情況和尺寸，一目了然地解決原因查證問題，最后通過復(fù)壓和高強(qiáng)灌漿圓滿解決管樁的承載力不足問題，清除安全隱患。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

該住宅樓位于河南省長葛市，地下1層，地上31層，采用PHC樁承臺(tái)+防水板基礎(chǔ)。PHC樁以第8層粉質(zhì)粘土作為樁端持力層，要求樁端進(jìn)入持力層深度≮0.8 m，有效樁長≮21.0 m。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁選用《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）PHC-400AB95樁型，單樁抗壓承載力特征值≮1050 kN，抗拔承載力特征值≮320 kN。采用靜壓法沉樁以達(dá)到設(shè)計(jì)樁端持力層（必要時(shí)采用引孔），壓樁力按3200 kN施工。要求復(fù)壓至少3次，保證最后3次復(fù)壓沉降總量≯40 mm。施工時(shí)以壓樁力控制為主，樁長控制為輔。

1.2 工程地質(zhì)情況

①雜填土（Q4ml）：層底埋深1.1～4.0 m，黃褐色，主要以磚塊、混凝土塊等建筑垃圾為主，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)差異較大。局部夾粉土，含植物根系。

②粉土（Q4al）：層底埋深2.1～5.6 m，黃褐色，濕，中密—密實(shí)。干強(qiáng)度低，韌性低，無光澤。粘粒含量較高。含蝸牛殼碎片及銹色斑點(diǎn)，局部略有砂感，偶見小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核。局部夾粉質(zhì)粘土薄層，可塑。

③粉質(zhì)粘土夾粉土（Q4al）：層底埋深8.6～12.4 m，黃褐、灰褐色，軟塑—可塑。干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面光滑，稍有光澤。偶見少量蝸牛殼碎片及銹黃色斑塊。局部夾粉土，黃褐色，濕，中密。

④粉土夾粉質(zhì)粘土（Q4al）：層底埋深11.5～14.7 m，黃褐色，濕，中密—密實(shí)。干強(qiáng)度低，韌性低，無光澤。粘粒含量較高。含蝸牛殼碎片及銹色斑點(diǎn)，局部略有砂感，夾較多鈣質(zhì)結(jié)核。局部夾粉質(zhì)粘土，黃褐色，可塑。

⑤粉質(zhì)粘土（Q4al）：層底埋深13.5～17.3 m，黃褐、棕黃色，可塑。干強(qiáng)度中，韌性中，無光澤。偶見少量蝸牛殼碎片，局部含少量小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核。局部夾粉土，黃褐色，濕，中密—密實(shí)。

⑥粉土夾粉質(zhì)粘土（Q4al）：層底埋深18.0～21.7 m，黃褐色，濕，密實(shí)。干強(qiáng)度低，韌性低，無光澤。偶見蝸牛殼碎片，黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。含較多鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑5～30 mm，含少量黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。夾粉質(zhì)粘土，黃褐色，可塑。

⑦粉質(zhì)粘土（Q3al+pl）：層底埋深21.0～24.5 m，層底高程48.98～52.63 m，層厚1.3～4.7 m。黃褐色，可塑。切面有光澤，干強(qiáng)度中，韌性中。含少量小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核，黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。局部夾薄層粉土，濕，密實(shí)。

⑧粉質(zhì)粘土（Q3al+pl）：層底埋深31.0～37.8 m，棕紅色，可塑—硬塑。切面有光澤，干強(qiáng)度中，韌性中。含少量小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核，黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。

⑧1細(xì)砂（Q3al+pl）：層底埋深32.0～43.4 m，黃褐色，密實(shí)、飽和。礦物成分以石英、長石為主。局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)薄層。

⑨1細(xì)砂（Q2al+pl）：層底埋深41.2～55.0 m，黃褐色，密實(shí)、飽和。礦物成分以石英、長石為主。局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)薄層。

⑨粉質(zhì)粘土（Q2al+pl）：最大揭露深度約20.0 m，紅褐色，局部棕黃色，硬塑。切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高。局部夾粘土。含較多黑色鐵錳結(jié)核，含較多鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑5～40 mm，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集成層，巖心呈碎塊狀。

2 現(xiàn)場檢測情況

該住宅樓共設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力管樁284根，其中西部和中部樁在前期靜載荷試驗(yàn)中均滿足設(shè)計(jì)承載力要求，東部抽檢樁檢測中首根承載力即不滿足要求，隨后在周邊擴(kuò)大檢測均不滿足要求，向中部和西部抽檢又滿足要求。經(jīng)小應(yīng)變檢測，各部位都有異常樁，中西部的小應(yīng)變異常樁經(jīng)靜載復(fù)檢均滿足設(shè)計(jì)要求，東部個(gè)別小應(yīng)變異常不明顯的樁，承載力檢驗(yàn)不合格。為了快速、準(zhǔn)確查清原因和做出正確的評判，有專家建議采用水下攝像頭探測，對樁身和焊接部位進(jìn)行“體檢”。經(jīng)過水下探測和少量靜載驗(yàn)證，確定承載力不合格樁區(qū)域?yàn)檫B續(xù)下了幾天雨，雨停后馬上施工的樁。

現(xiàn)場用水下攝像和小應(yīng)變檢測對所有管樁進(jìn)行了大排查，檢查了每根樁的接縫位置、豎向是否脫開及脫開距離、小應(yīng)變信號等，最終確定28根樁存在重大缺陷，需進(jìn)行處理。具體檢測檢查情況匯總見表1，典型樁小應(yīng)變曲線、水下攝像及靜載曲線見圖1～圖6，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)荷載與沉降關(guān)系見表2。

表2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)荷載與沉降關(guān)系Table 2 Relationship between load and settlement of single pile vertical compression static load test

圖1 合格樁（115號樁）小應(yīng)變曲線Fig.1 Small strain curve of qualified pile(115#)

圖6 不合格樁（189號樁）s-lgt曲線Fig.6 s-lgt curve of unqualified pile(189#)

表1 現(xiàn)場問題樁排查情況Table 1 Problematic piles found out at site

3 原因分析

3.1 施工原因

（1）焊接沒有對稱滿焊，焊縫高度不夠，焊接后停待時(shí)間不足或未停待［6］，直接壓樁下沉。

圖2 不合格樁（120號樁）小應(yīng)變曲線Fig.2 Small strain curve of unqualified pile(120#)

圖3 合格樁（115號樁）水下攝像Fig.3 Underwater photography of qualified pile(115#)

圖4 不合格樁（120號樁）水下攝像Fig.4 Underwater photography of unqualified pile(120#)

（2）壓樁速度過快，正常一個(gè)班成樁20根左右，最后2天成樁明顯過快，每班成樁超30根，導(dǎo)致樁周土體更容易上浮隆起［7］。

（3）壓樁垂直度超規(guī)范，焊口受力不均，產(chǎn)生剪應(yīng)力，容易脫焊。

（4）壓樁順序不當(dāng)，由于是密集樁群，沒有嚴(yán)格按自中間向兩個(gè)方向或四周對稱施打的順序壓樁［8］，而是為了方便，就近密集壓樁。

圖5 不合格樁（189號樁）Q-s曲線Fig.5 Q-s curve of unqualified pile(189#)

3.2 地質(zhì)原因

（1）壓樁場地為開挖后基坑，在東部壓樁過程中前期連續(xù)降雨幾天，為了趕工期，前期場地內(nèi)的降排水設(shè)施還未完善，導(dǎo)致場地被雨水浸泡，上部土層處于飽和狀態(tài)。

（2）飽和土中沉樁速度過快及樁的卸荷回彈。擬建場地樁周土層強(qiáng)度不高，處于飽和狀態(tài)，由于樁對土的擠壓，在土中產(chǎn)生超孔隙水壓力，其隨著土體的隆起和側(cè)向位移慢慢消失。如果壓樁速度過快，超孔隙水壓力和土體變形未充分消散，此時(shí)的粘性土表現(xiàn)為彈塑性變形特征，土體卸壓恢復(fù)過程中樁身被抬起，導(dǎo)致上節(jié)樁脫焊（多節(jié)樁）或樁尖脫離持力層（單節(jié)樁）。從檢測結(jié)果來看，總沉降量超過40 mm陡降后繼續(xù)加載，Q-s曲線又出現(xiàn)緩降段，說明上下節(jié)樁脫開或樁端上浮后造成樁底脫空，上下節(jié)樁接觸或樁端上浮消除后，荷載正常傳遞、樁端土重新發(fā)揮作用。因此，需對已完成的樁進(jìn)行二次復(fù)壓，才能較好地傳遞承載力，以滿足上部荷載的要求［9］。

（3）表層作業(yè)面粉土被水浸泡后形成橡皮泥，樁機(jī)行走困難，容易陷機(jī)，上層泥土的擠壓流動(dòng)對已完成樁造成較大的水平推力，容易導(dǎo)致上節(jié)樁脫焊［10］。

3.3 其它原因

（1）天氣原因造成場地積水，焊口在未充分冷卻情況下壓樁，容易形成水淬現(xiàn)象，導(dǎo)致焊口抗拉力和抗剪力減?。?1］。

（2）大風(fēng)天氣焊接，沒能采用很嚴(yán)密的遮擋措施，造成焊接困難，焊接質(zhì)量下降［12］。

4 缺陷樁處理

4.1 處理方案［13］

（1）對所有樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測（現(xiàn)場條件許可時(shí)，可全部輔之以孔內(nèi)攝像），根據(jù)低應(yīng)變檢測結(jié)果釆用孔內(nèi)攝像等方法進(jìn)行檢查驗(yàn)證，并做好詳細(xì)記錄（接頭的深度及接頭處水平、豎向相對位移和樁身缺陷情況）。

（2）由檢測單位對所有樁低應(yīng)變再次進(jìn)行研判，根據(jù)檢測、檢查結(jié)果，對缺陷樁進(jìn)行分類，提供準(zhǔn)確的判別結(jié)果作為后期處理依據(jù)。

①低應(yīng)變研判無異常，孔內(nèi)攝像無異常的樁，可不進(jìn)行處理。

②低應(yīng)變研判異常，輔以孔內(nèi)攝像，若孔內(nèi)攝像無異常，根據(jù)該類樁靜載試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，承載力滿足設(shè)計(jì)要求，可直接采用加長灌芯的方法進(jìn)行處理。

③無論低應(yīng)變研判是否異常，若孔內(nèi)水下攝像異常，根據(jù)二次壓樁的施工記錄，二次壓樁壓入深度與前期水下攝影觀測結(jié)果應(yīng)基本一致。根據(jù)二次壓樁曲線情況，可推測二次壓樁后的樁承載力應(yīng)該可以保證，待二次壓樁全部結(jié)束、孔內(nèi)攝像無異常后進(jìn)行加長灌芯處理。

（3）樁基復(fù)壓完成后需進(jìn)一步進(jìn)行孔內(nèi)攝像觀測，確定上下節(jié)樁接口位置有無偏心，并進(jìn)行記錄。

（4）根據(jù)復(fù)壓后樁的偏心情況，結(jié)合設(shè)計(jì)單位意見進(jìn)行進(jìn)一步處理。處理意見如下：

①若存在較大偏心情況（具體偏心極限值需設(shè)計(jì)單位確定），需進(jìn)一步論證處理方案。

②若偏心較小或未偏心，則采用混凝土或灌漿料進(jìn)行灌芯處理（具體配筋及灌芯高度需設(shè)計(jì)確定）。

（5）對處理后的樁進(jìn)行全數(shù)低應(yīng)變檢測，并對處理完成后的樁進(jìn)行承載力檢測，檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求后出具檢測報(bào)告，并與處理記錄一并作為交工驗(yàn)收資料。

4.2 處理過程

4.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備施工設(shè)備，壓樁鋼梁2套，千斤頂3臺(tái)套，高壓油泵2臺(tái)及混凝土配重若干，35 t（350 kN）吊車1臺(tái)，施工圖紙，樁號分類圖，灌漿料，鋼筋等。

（2）對現(xiàn)場樁進(jìn)行分類，需要復(fù)壓灌芯和小應(yīng)變異常灌芯的進(jìn)行分類標(biāo)記，并在每根樁頭寫上樁號并做好標(biāo)記。

4.2.2 復(fù)壓施工

現(xiàn)有施工場地為開挖完成的基坑，管樁樁頭已切除，場地已開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，現(xiàn)場周邊主樓地庫已經(jīng)施工，不具備采用大型設(shè)備（如靜壓樁機(jī)）復(fù)壓的條件，只有采用現(xiàn)有的靜載設(shè)備及配重進(jìn)行二次壓樁，也方便觀測樁的沉降情況及最終承載力。

在現(xiàn)有開挖標(biāo)高直接進(jìn)行復(fù)壓。根據(jù)會(huì)議確定的復(fù)壓樁，在現(xiàn)場再次確認(rèn)后，把制作好的樁頭箍安裝到樁頭上，待千斤頂就位后吊裝試塊。

對于需要處理的樁頂，進(jìn)行現(xiàn)場打磨處理（見圖7）。為保證準(zhǔn)確對準(zhǔn)樁頂，復(fù)壓全程使用專用鋼抱箍，上部用鋼抱箍抱緊，樁頭處填充沙子，千斤頂準(zhǔn)確對位（見圖8）。

圖7 樁頭打磨整平Fig.7 Grinding and leveling of the pile head

圖8 鋼抱箍抱緊樁頭Fig.8 Steel hoop was used to hold the pile head tightly

逐樁進(jìn)行復(fù)壓（見圖9）。由堆重平臺(tái)提供試驗(yàn)反力，通過次梁、主梁、千斤頂把荷載作用力施加到樁頭箍上，采用1～2臺(tái)液壓千斤頂對試樁施加荷載，千斤頂通過高壓油管與一臺(tái)DBD型高壓油泵相聯(lián)接組成加載系統(tǒng)，通過高壓油泵對千斤頂進(jìn)行供油，施加荷載的大小通過與加載系統(tǒng)相聯(lián)的油壓傳感器進(jìn)行控制，油壓傳感器己進(jìn)行過標(biāo)定，復(fù)壓施工壓樁力取極限承載力的80%，即1920 kN。當(dāng)復(fù)壓壓力達(dá)到并且沉降量穩(wěn)定后，根據(jù)沉降情況穩(wěn)壓1～2 h［14］。

圖9 不合格樁復(fù)壓施工Fig.9 Re-pressing of unqualified piles

現(xiàn)場靜載儀器做好復(fù)壓數(shù)據(jù)記錄和整理，匯總后報(bào)監(jiān)理部。

復(fù)壓過程中要釆取必要的加強(qiáng)措施，以避免樁頭樁身遭到破壞。

4.2.3 偏心檢查

對缺陷樁全部進(jìn)行復(fù)壓后，利用水下攝像技術(shù)對樁的接頭位置進(jìn)行了偏心情況檢查，所有樁的接頭位置已充分接觸，接頭錯(cuò)位≯2 cm，符合設(shè)計(jì)單位的要求，均可采用灌芯加以處理。

4.2.4 鋼筋籠制作及安放

嚴(yán)格按設(shè)計(jì)變更圖紙加工鋼筋籠。錨固連接筋的長度和箍筋必須按設(shè)計(jì)要求施工。鋼筋加工的誤差要在規(guī)定范圍內(nèi)，保證鋼筋的綁扎間距且平整順直。對于每根鋼筋籠按照水下攝像確定的焊縫位置及小應(yīng)變異常位置下部增加2 m，確定鋼筋籠長度，鋼筋籠均為全籠，主筋為5根?22 mm三級鋼，箍筋為?8 mm＠200 mm三級鋼，在鋼平臺(tái)上加工制作。

如芯孔無需全部灌滿，先灌芯區(qū)域鋼筋籠底部需焊接托盤，主筋與托盤需焊接牢固，主筋外側(cè)需焊接定位鋼筋，先、后灌芯區(qū)域鋼筋籠主筋均需預(yù)留錨固長度，需滿足設(shè)計(jì)要求且不少于30d（d為鋼筋直徑）。

鋼筋籠采用塔吊放入芯孔中，吊放時(shí)應(yīng)保持垂直狀態(tài)，對準(zhǔn)孔位徐徐輕放，嚴(yán)禁強(qiáng)制性下放，造成鋼筋籠變形。先灌芯區(qū)域鋼筋籠在塔吊配合下安放至距樁頂1.5 m處，用2根鋼絲吊著固定在樁頂；后灌芯鋼筋籠就位后，頂端用3根固定筋固定在樁頭上，鋼筋籠要居中放置。

4.2.5 灌芯

灌芯材料采用C60強(qiáng)度等級高強(qiáng)無收縮灌漿料（通用型），參數(shù)見表3。

表3 灌芯材料參數(shù)Table 3 Parameters of filling material

鋼筋籠下放及灌芯前，需先用清水將芯孔內(nèi)清洗干凈。放入芯孔的鋼筋籠需居中放置并固定牢靠，自檢合格并報(bào)業(yè)主和監(jiān)理單位簽字同意后，方可進(jìn)行灌漿料澆筑。

現(xiàn)場用砂漿攪拌機(jī)將灌漿料攪拌均勻并及時(shí)灌入樁芯，停留時(shí)間不宜超過30 min。灌芯長度要求下部延伸至上下兩段樁連接位置處以下至少2 m，且不少于小應(yīng)變檢測出現(xiàn)異常處以下至少2 m；通體灌芯至樁頂，灌芯可分2次，第一次灌芯至樁頂標(biāo)高下1.5 m，待樁承載力檢測完成后再澆筑至樁頂。

灌漿料應(yīng)嚴(yán)格按照說明書上13%～15%質(zhì)量比控制攪拌水量，然后將攪拌好的灌漿料下入孔內(nèi)，先灌至距孔口1.5 m處，檢測合格后灌至孔口，灌漿料要用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。使用振搗器時(shí)，要快插慢拔，不得漏振，高度間距300～400 mm，時(shí)間20～30 s，每一振搗的延續(xù)時(shí)間應(yīng)使灌漿料的表面呈現(xiàn)浮漿和不再沉落。

澆筑灌漿料時(shí)應(yīng)經(jīng)常觀察鋼筋籠等有無移動(dòng)、變形或孔內(nèi)堵塞情況，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即停止?jié)仓?，并?yīng)在已澆筑的灌漿料初凝前修正完畢。

4.3 處理結(jié)果

本工程根據(jù)缺陷樁的分類，分別采用了灌芯或靜載復(fù)壓+灌芯的處理措施。處理后又由檢測單位對處理的樁進(jìn)行了雙倍檢測數(shù)量的靜載抽檢［15］，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在完善資料后最終順利通過了竣工驗(yàn)收，消除了建筑物的安全陷患。

5 結(jié)語

（1）從本工程處理情況看，承載力不足主要是因?yàn)樯瞎?jié)樁上浮引起的。對于非淤泥或淤泥質(zhì)土地層，施工中要勤觀察，對于樁長較長的樁，樁整體上浮的可能性不高，中間脫焊是大概率事件，要引起重視。

（2）對于場地軟弱，容易引起陷機(jī)，樁距較近的情況，要做好排水工作（下雨前要進(jìn)行覆蓋），盡可能避免土體被泡軟，減少樁上部受到的水平力，降低樁焊接面脫開的可能性。

（3）在飽和土壓樁過程中，要放慢壓樁速度，盡量不要使用樁機(jī)的快壓功能。壓樁結(jié)束后，要進(jìn)行復(fù)壓抽檢，發(fā)現(xiàn)問題后要全部進(jìn)行復(fù)壓，以消除焊口脫悍造成的承載力傳遞不暢。