PHC 管樁在深厚軟土地基中施工偏位和傾斜事故分析

陳秀輝

（1 福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建福州 350025；2 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350025）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基建事業(yè)的迅猛發(fā)展，基建項(xiàng)目遍地開花，這些項(xiàng)目無(wú)一例外都將工期以及成本作為主要的控制因素。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC 管樁）是一種應(yīng)用較廣泛的預(yù)制樁，以其造價(jià)低廉、施工速度快且沉樁質(zhì)量容易保證等諸多優(yōu)點(diǎn)，在很多工程建設(shè)中被大量采用，且效果良好[1]。然而在有著深厚軟土地層的我國(guó)沿海地區(qū)，PHC 管樁沉樁過程中常造成樁位的偏移、傾斜甚至斷裂，同時(shí)基坑開挖以及大型機(jī)械設(shè)備施工過程中對(duì)樁基的碰撞、推擠等均容易造成管樁偏位和傾斜。

隨著工程實(shí)踐的不斷發(fā)展，學(xué)者們針對(duì)PHC 管樁施工過程遇到的受力問題、傾斜或者斷樁問題展開了不同程度的研究，并取得了大量有價(jià)值的研究成果。黃旭東等[2]通過PFC 軟件建立數(shù)值模型，從微觀角度對(duì)沉樁過程進(jìn)行研究，得出閉口管樁和開口管樁承載力差異；劉金波等[3]從PHC 管樁不同樁間距對(duì)沉降變形影響的對(duì)比分析，提出擠土樁減小擠土效應(yīng)應(yīng)增大樁距的建議；胡文紅等[4]通過對(duì)傾斜樁淺層土體加固后受力性能的研究，得出加固體深度、加固體面積、加固體尺寸及加固體彈性模量均可對(duì)加固效果產(chǎn)生影響。大量研究對(duì)傾斜樁的處理，通常采取增大承臺(tái)、補(bǔ)樁或兩者聯(lián)合使用等方法[5-7]。但是目前少有通過多種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)綜合評(píng)估PHC 管樁偏位、傾斜問題，并應(yīng)用數(shù)值模擬驗(yàn)證分析此類事故發(fā)生原因的研究。

本文基于沿海深厚軟土地區(qū)某工程PHC 管樁施工偏位、傾斜的事故案例，結(jié)合現(xiàn)有的多種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式進(jìn)行逐級(jí)分析，得出引起此類事故的主要原因，最后采用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，得出了深厚軟土地質(zhì)條件下打樁距離過小產(chǎn)生擠土效應(yīng)并引起了樁身偏位及傾斜的結(jié)論，基于此結(jié)論提出了相應(yīng)的建議為今后處理類似工程問題提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程及地質(zhì)概況

該工程位于福建沿海，由若干棟31 層、23 層住宅樓、2 棟7 層商業(yè)樓、3 棟1層樓的附屬商業(yè)樓及1 個(gè)滿堂地下室組成，該場(chǎng)地有著深厚的軟土層，其中第三層及第五層均為淤泥質(zhì)土，第三層淤泥質(zhì)土厚度達(dá)20m?；A(chǔ)設(shè)計(jì)采用PHC 管樁，樁徑800mm，壁厚130mm，樁間距2.6～4.5m 不等，單樁豎向抗壓承載力特征值為4800kN，樁端進(jìn)入持力層（強(qiáng)風(fēng)化花崗巖Ⅰ）0.8m，樁長(zhǎng)約40m，場(chǎng)地地層及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1、圖1。

圖1 場(chǎng)地地層分布圖

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 工程實(shí)際情況及原因分析

樁基施工完成后進(jìn)行基坑開挖至地下室標(biāo)高，發(fā)現(xiàn)大部分管樁都有不同程度的偏位及傾斜，其中靠近河邊一側(cè)的9#樓最為明顯。由于明顯的偏位或傾斜可能影響基樁的完整性和承載力，進(jìn)而對(duì)工程質(zhì)量造成危害，所以必須找出偏位和傾斜的原因?yàn)楹笃诘奶幚矸桨柑峁┮罁?jù)。

一般的管樁發(fā)生偏位和傾斜有多種原因，通過以往工程經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析得出大致存在以下幾種情況：

（1）班組施工過程中操作不當(dāng)或者施工人員人為失誤放樣不到位造成的管樁偏位、傾斜；

（2）該工程有約5m 深的大基坑，地下室土方開挖過程中，挖土機(jī)械擾動(dòng)土層、碰撞管樁，導(dǎo)致軟土中管樁傾斜，嚴(yán)重的將發(fā)生斷樁等情況，而隨意開挖棄土，也會(huì)形成場(chǎng)地內(nèi)土體滑移，造成管樁傾斜；

（3）根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地位于福建沿海有著深厚淤泥質(zhì)土區(qū)域，由于土體力學(xué)指標(biāo)較差，且工地一側(cè)為河道，地下水豐富且水位線高，加之管樁承載力設(shè)計(jì)較高且樁間距較小，打樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)將引發(fā)淤泥質(zhì)土的超靜孔隙水壓力。根據(jù)Terzaghi 有效應(yīng)力原理σ=σ'+μ，當(dāng)總壓力“σ”不變，管樁壓入過程引起孔隙水壓力“μ”急劇增大，有效應(yīng)力“σ'”急劇減小，由于軟土中不利于超靜孔隙水壓力“μ”消散，在沒有達(dá)到靜止期的條件下，相鄰樁基的打入將打破土壓力平衡，當(dāng)有效應(yīng)力“σ'”接近0 時(shí)，軟土就像水一樣流動(dòng)，造成管樁的傾斜[8]。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 傾斜度及低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

由于9#樓偏位、傾斜最為明顯，故重點(diǎn)對(duì)9#樓進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)于基樁來(lái)說傾斜對(duì)受力的影響更為明顯，所以對(duì)9# 樓管樁進(jìn)行了全數(shù)的低應(yīng)變及樁身垂直度的檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)148根樁中出現(xiàn)傾斜情況的多達(dá)64 根，最大樁偏位達(dá)650mm，最大的傾斜率達(dá)6.7%。低應(yīng)變作為檢測(cè)基樁完整性的一種方式，因其簡(jiǎn)單快捷、便宜而被普遍使用，根據(jù)是否對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力構(gòu)成影響[9]，本文把Ⅰ、Ⅱ類樁歸為一類，Ⅲ、Ⅳ類樁歸為一類，低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果顯示148 根樁中Ⅰ、Ⅱ類樁124 根，Ⅲ、Ⅳ類樁24 根，具體情況見表2。

表2 傾斜樁低應(yīng)變結(jié)果情況分布表

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，傾斜樁在（2%，4%]的區(qū)間最多，而大于4%的傾斜樁占比也達(dá)到了總樁數(shù)的14.2%。對(duì)比低應(yīng)變檢測(cè)情況可知并非傾斜度越大引起Ⅲ、Ⅳ類樁占比越大，Ⅲ、Ⅳ類樁在不同傾斜度中所占比值相差不大。人為操作的失誤不太可能引起大規(guī)模的傾斜樁，而基坑開挖擾動(dòng)、碰撞引起的樁基傾斜度越大，發(fā)生斷樁的可能性越大，尤其是在低應(yīng)變檢測(cè)深度范圍。以上檢測(cè)數(shù)據(jù)基本可以排除施工操作不當(dāng)及基坑開挖機(jī)械碰撞的原因。

3.2 高應(yīng)變及靜載檢測(cè)結(jié)果

由于低應(yīng)變激震能量偏小無(wú)法探明基樁深層缺陷，更無(wú)法檢測(cè)樁基礎(chǔ)最為重要的承載力要求。所以選取部分樁基進(jìn)行了高應(yīng)變及靜載試驗(yàn)檢測(cè)。本次對(duì)低應(yīng)變檢測(cè)的124 根Ⅰ、Ⅱ類樁抽取部分進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，其中無(wú)傾斜的28 根，（0，2%]區(qū)間的4 根，（2%，4%]區(qū)間的13 根，（4%，6.7%]區(qū)間的14 根。

通過表3 可以看出之前被低應(yīng)變判定為Ⅰ、Ⅱ類的樁依然有可能被高應(yīng)變檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷，包括無(wú)傾斜情況的樁依然有少量的缺陷樁，而且通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)缺陷位置基本為低應(yīng)變檢測(cè)不到的深部。激振能量小的低應(yīng)變適合普查中淺部缺陷，而激振能量大的高應(yīng)變適合超長(zhǎng)樁的檢測(cè)，便于發(fā)現(xiàn)更深處的缺陷。傾斜度高于4%的樁缺陷占比明顯高于其他樁，主要原因應(yīng)該是由于擠土效應(yīng)深部的淤泥質(zhì)土擠壓管樁上浮引起傾斜，傾斜嚴(yán)重的引起了斷樁，故主要缺陷發(fā)生在淤泥質(zhì)土附近的深部。

表3 高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

通過表3、圖2 可以看出，對(duì)高應(yīng)變Ⅰ、Ⅱ類的基樁承載力進(jìn)行分析后，得出傾斜度越大承載力折減越嚴(yán)重，大范圍的擠土及附近傾斜樁影響導(dǎo)致無(wú)傾斜樁的承載力也有所下降。承載力最大的樁發(fā)生在（2%，4%]區(qū)間內(nèi)，承載力最小的發(fā)生在（4%，6.7%]內(nèi)。根據(jù)相關(guān)研究[10]，如果只是單純樁身傾斜，當(dāng)樁的垂直度不大于4%且樁身具有足夠的抗彎強(qiáng)度和剛度時(shí)，對(duì)樁的承載力一般不構(gòu)成重大影響，該工程承載力的降低應(yīng)該是受土體擾動(dòng)、基樁上浮的影響。

圖2 高應(yīng)變Ⅰ、Ⅱ類樁承載力分布圖

由于高應(yīng)變法檢測(cè)樁的承載力為間接法反演計(jì)算而來(lái)，具有一定的偏差，為了更好地驗(yàn)證單樁豎向抗壓承載力，對(duì)傾斜大于4%的樁抽取2 根，小于4%的抽取1 根進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。

通過圖3 的3 根靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，樁頂荷載-沉降曲線的演變規(guī)律均表現(xiàn)為陡降型曲線，按照規(guī)范[9]取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為單樁承載力極限值。通過表4 可以看出，相比于更為直接準(zhǔn)確的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，高應(yīng)變得出的承載力值更為保守，高應(yīng)變的承載力檢測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值。靜載試驗(yàn)主要變形趨勢(shì)與高應(yīng)變基本一致，傾斜率越高的承載力越低，原因應(yīng)該是傾斜率越高，由擠土效應(yīng)影響的土體擾動(dòng)、基樁上浮越明顯，基樁的上浮直接降低了基樁的端阻力，樁側(cè)土體的擾動(dòng)則影響了基樁側(cè)阻力的發(fā)揮，故靜載及高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果均低于設(shè)計(jì)值。

圖3 樁頂荷載-沉降曲線

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

通過以上幾種試驗(yàn)分析可知，該工程樁基偏位、傾斜主要原因應(yīng)該是在含水量豐富的深厚軟土層地質(zhì)條件下，設(shè)計(jì)樁間距較小（最小樁間距2.6m）等因素導(dǎo)致打樁過程的擠土效應(yīng)、管樁上浮，進(jìn)而導(dǎo)致基樁傾斜及完整性降低、承載力下降等情況。

4 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證擠土效應(yīng)引起管樁傾斜的結(jié)論，本文通過使用ABAQUS 耦合的歐拉-拉格朗日單元模擬打樁過程，驗(yàn)證在深厚軟土地層條件下擠土效應(yīng)對(duì)成樁質(zhì)量的影響，以55#樁及附近2.6m 距離的基樁打入過程作為模型參考。

4.1 參數(shù)選取

圖4 為有限元計(jì)算模型，根據(jù)荷載和變形特點(diǎn)，本次模型以樁中心為對(duì)稱軸建立三維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析。土體模型為深80m、長(zhǎng)80m、寬10m 的歐拉單元，樁基模型被簡(jiǎn)化為2 根直徑800 mm、長(zhǎng)40 m 的三維可變性實(shí)體，底部設(shè)置完全固定，對(duì)稱面只允許豎向位移，其他側(cè)面限制同方向水平位移，除了上部邊界，在模型周圍設(shè)置了歐拉邊界且流動(dòng)類型為不允許流出。由于土體模型為歐拉單元，為了避免體積外溢設(shè)置了10m 的空氣層。第一根樁施工完后間隔2.6m 接著施工第二根樁，觀察第一根樁傾斜情況，并在第一根樁上施加豎向受力模擬靜載試驗(yàn)過程。

圖4 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

本文樁周土體采用Mohr-Coulomb 模型，分層建模，土體參數(shù)參考地勘資料選取，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]土體彈性模量E=(2.5～3.5)Es，樁-土界面采用庫(kù)侖摩擦類型，并設(shè)置摩擦系數(shù)，樁周土體及樁的力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 土體及樁的物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 給出了樁頂荷載-沉降曲線計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比，從圖上可以看出荷載不大的時(shí)候變形基本一致，加載到6720kN 以后沉降模擬值比實(shí)際位移大，但是沉降趨勢(shì)基本一致。在加載到7680kN 時(shí)曲線均發(fā)生陡降，按照規(guī)范要求[9]承載力極限值均取6720kN。所以ABAQUS 在適當(dāng)選取參數(shù)后，其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖5 樁頂荷載-沉降曲線計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

從圖6 的應(yīng)力云圖及土體位移矢量圖可以看出，第二根樁成樁后擠壓土體向兩側(cè)及上方移動(dòng)，土體的移動(dòng)帶動(dòng)了第一根樁的傾斜和上浮，模型中第一根樁傾斜率達(dá)到4.6%，雖與55#樁傾斜率3.5%不能完全吻合，但是依然可以明顯觀察到這類地質(zhì)條件下擠土效應(yīng)對(duì)成樁質(zhì)量的影響。

圖6 第二根樁成樁后應(yīng)力云圖和土體位移矢量圖

4.3 不同距離下成樁情況對(duì)比

該工程最小樁間距2.6m，明顯小于規(guī)范要求[12]的4.5d（3.6m），本文嘗試探究不同打樁距離下擠土效應(yīng)的影響，設(shè)置了2.6m、3.6m、5.2m、7.2m 四種情況下的模型試驗(yàn)。圖7 給出了不同樁間距下荷載-沉降曲線，可以看出樁間距越大成樁效果越好，而在規(guī)范要求的3.6m 樁間距情況下，模擬得出的靜載試驗(yàn)引起的沉降量依然不小。當(dāng)樁間距達(dá)5.2m 時(shí)靜載引起的沉降量就小很多，當(dāng)樁間距達(dá)到7.2m 時(shí)與5.2m 的差異并不大?？梢钥闯鲞m當(dāng)增加打樁距離可以減輕擠土效應(yīng)影響，當(dāng)樁間距超過某一閾值后，再增大樁間距對(duì)成樁質(zhì)量改善不會(huì)有過多影響，過大的樁間距反而不利于樁型的布置及施工的進(jìn)行。而如果設(shè)計(jì)樁間距過小，施工過程中可以選擇跳打施工，本模型間距5.2m 跳打施工效果良好，故合理利用跳打施工一定程度上可以減緩管樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊樁基礎(chǔ)的影響。

圖7 不同樁間距下荷載-沉降曲線

5 結(jié)論

（1）偏位、傾斜樁的普查可以通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)綜合評(píng)估，首先使用低應(yīng)變及垂直度檢測(cè)進(jìn)行全數(shù)大面積普查，得出明顯缺陷樁；然后根據(jù)普查情況進(jìn)一步選用高應(yīng)變對(duì)低應(yīng)變合格樁做進(jìn)一步篩選，得出深部的缺陷樁及承載力情況；最后選取部分基樁通過靜載試驗(yàn)對(duì)基樁承載力進(jìn)行比對(duì)，幾種不同檢測(cè)方式遞進(jìn)式選用可以更全面地了解偏位、傾斜樁的缺陷情況及承載力情況。

（2）深厚軟土地層PHC 管樁的施工必須要注意地質(zhì)因素的影響，尤其是在地下水豐富的河岸和海岸地區(qū)。軟土地層不利于超靜孔隙水壓力消散，打樁引起擠土效應(yīng)對(duì)樁間距越小的樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓影響越明顯，影響包括基樁上浮及樁周土體擾動(dòng)等，在施工過程中表現(xiàn)為樁偏位及傾斜的現(xiàn)象。

（3）通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)管樁適當(dāng)增加打樁距離可以減小擠土效應(yīng)引起的傾斜及承載力的降低，設(shè)計(jì)規(guī)范給出的最小打樁距離為4.5d，當(dāng)遇到設(shè)計(jì)樁間距小于設(shè)計(jì)要求值時(shí)，合理的跳打施工一定程度上可以減緩管樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊樁基礎(chǔ)的影響。