靜壓預應力管樁載荷試驗異常沉降的原因分析及復壓處理

　　關(guān)鍵詞：預應力管樁;靜載;沉降

　　1工程概況

　　汕頭市某新校區(qū)工程為五層建筑面積14500m2，基礎采用預應力管樁基礎，雙樁承臺，布樁平面系數(shù)為2.6%。Φ400（壁厚90mm）、Φ500（壁厚100mm）的設計單樁豎向承載力極限標準值分別為3100KN、4300KN，而設計終壓值只為2500KN、3500KN，約為設計單樁豎向承載力極限標準值的80%。按照管樁公司提供的數(shù)據(jù)，設計單樁豎向承載力極限標準值接近樁身容許承載力。

　　根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地巖土層分布從上到下分別為：

　　首先，按照規(guī)范中對工程樁的抽檢要求，對照地勘報告，工程樁施工完成并滿足規(guī)范規(guī)定的時間間歇后，隨機對兩根樁進行豎向載荷試驗自檢。該新校區(qū)的1#樓樁基礎按設計要求的終壓力值（Φ400管樁終壓值為2900KN，Φ500管樁為4100KN）進行施工完成隔7天后進行復壓抽查發(fā)現(xiàn)有些樁樁的承載值達不到設計要求，且出現(xiàn)樁身下沉情況，其中一根Φ500樁加載到六級時沉降突然加大，樁身開始滑行下沉，至沉降量達500.77mm后壓力值才達到設計要求的終壓力值為4100KN；另一根徑Φ400樁，加載到六級時沉降突然加大，樁身開始滑行下沉，至沉降量達800.77mm后壓力值才上升達到設計要求的終壓值為2900KN，沉降量達達到908.91mm。經(jīng)查施工記錄，以上兩根樁自施打完成到豎向靜載荷試驗間歇時間(以下簡稱為間歇時間)均為7天，施工過程正常。因此決定對已施工完成的78根樁進行復壓檢查，結(jié)果11根樁出現(xiàn)壓力值達不到設計要求，其余67根樁壓力值達到設計要求。根據(jù)地質(zhì)資料判斷為不下沉的67根樁，樁尖基本能進入中砂層界面或進入該層，選擇復壓會出現(xiàn)下沉的27#樁（Φ400）和不會下沉的47#樁（Φ500）兩根樁進行靜壓試驗，采用靜壓樁機作為靜載荷試驗工具，在第七級至第九級又穩(wěn)定均勻沉降，最終27#樁（Φ400）沉降量為34.74mm，殘余19.50mm。最終47#樁（Φ500）沉降量為29.55mm，殘余14.98mm。經(jīng)兩根樁進行靜壓試驗結(jié)果合格，復壓檢查后樁的承載值達到設計要求。

　　3原因分析

　　3.1試驗時間

　　根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB5007-2002附錄Q單樁豎向靜載荷試驗要點Q.0.4條規(guī)定：開始試驗時間：預制樁在砂土入土后7天后；粘性土不得少于15天；對于飽和粘性土不得少于25天。本工程由于工期十分緊迫，豎向靜載荷試驗沉降異常的兩根樁都在施打完成后7天進行試驗的。由于樁側(cè)阻力大部分由飽和粘性土承擔，間歇時間太短，樁周土未充分固結(jié)，其抗剪強度不能得到充分恢復和發(fā)揮，導致樁的承載力達不到要求。

　　地質(zhì)條件相同，樁端持力層未存在粘土薄層、間歇時間為7天、靜載荷試驗合格的樁的試驗曲線圖。其Q-s曲線較陡，s-lgt曲線顯示在加載到七級之后比前幾級有較大的沉降，說明樁周土固結(jié)不充分，可以近似地認為樁側(cè)阻力占樁極限承載力標準值的70%。與事故樁的情況相似。

　　根據(jù)有關(guān)文獻，樁側(cè)摩阻力主要由粘土層承擔的工程樁，如樁的設計極限側(cè)阻力qsik取值較規(guī)范表值高出不多（如本工程），則間歇時間為14天時側(cè)阻力可達qsik的90%以上，最終側(cè)阻力可比規(guī)范表值高出40-50%。此次復壓處理，沉降量大于20mm的樁從壓樁到復壓的間歇時間均小于15天；間歇時間大于20天的樁的的復壓沉降量均小于10mm，屬于正常沉降；間歇時間大于25天的樁的復壓時都有不同程度（-1～-14mm）的反彈。說明樁周土的充分固結(jié)可以大幅度地提高極限側(cè)阻力。

　　經(jīng)過復壓處理、間歇時間為33天、較有代表性的樁的靜載荷試驗曲線圖。其Q-s曲線較平緩，可以說明樁周土固結(jié)較充分，按地質(zhì)考慮樁的承載力還有較大余地。s-lgt曲線在加載到九級之后比前幾級有較大的沉降，從曲線分析樁側(cè)摩阻力約占樁極限承載力標準值的90%。此時樁側(cè)阻力比事故樁提高(90%-60%)/60%=50%，間歇時間11天的樁提高（90%-70%）/70%=29%。這與文獻描述的情況相似。

　　3.2部分樁持力層存在薄弱層

　　通過查閱工程勘察報告，豎向靜載荷試驗異常沉降的兩根樁及復壓中沉降量大于20mm的三根樁附近的鉆孔地質(zhì)柱狀土的地層描述“局部夾可塑性粘土，薄層”，計算出Φ500樁樁端在第八層細砂層的極限端阻力Qpk＝qpkAp＝1256KN，而在第八層中的局部夾可塑性粘土薄層時Qpk＝490KN，可見相差懸殊。Qsk=μ∑qsikli＝2462KN，約等于靜載荷試驗加載到第六級時的壓力值4300*0.6＝2580KN，此時樁總極限側(cè)阻力正好發(fā)揮完，若繼續(xù)加載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔。根據(jù)《地基與基礎》：“充分發(fā)揮樁端極限承載力所需的樁端沉降量則大得多…這個極限沉降量，一般粘性土約為0.25d，砂土為（0.08—0.1）d。”要達到樁端極限阻力，在砂土時沉降量為粘性土的2.5-3.5倍。可見樁端持力層為局部夾可塑性粘土層時沉降量遠大于密實砂層。由于樁尖細砂層存在軟弱土層，承載力較低，充分發(fā)揮樁端極限承載力所需的沉降量大，所以在加載到六級后發(fā)生沉降突然加大的情況，是符合常理的。

　　3.3樁的卸壓回彈

　　在飽和粘性土中沉樁時，由于樁對土的擠壓，在樁周厚度達25m的粘土層中產(chǎn)生超孔隙壓力水，超孔隙壓力水隨著土體的隆起和側(cè)移而慢慢消失。如果壓樁速度過快，終壓后復壓過快完成，超孔隙壓力水和土體變形未充分消散，此時的飽和粘性土表現(xiàn)為彈塑性變形特征，土體卸壓恢復過程中樁身被抬起，樁尖脫離持力層。在類似土質(zhì)壓樁的實際觀測中發(fā)現(xiàn)，快速壓樁達到終壓值樁機卸載時樁身最大上浮達50-70mm，扣除正常樁靜載荷試驗回彈量大約為10-18mm，殘余沉降量將達40-50mm，復壓很難消除掉這么大的回彈量；另外，在大壓力下復壓，相當對樁施加很大的沖擊荷載，容易對樁身特別是樁頭法蘭盤與樁身混凝土接觸處、樁接頭焊縫處產(chǎn)生裂縫，有的施工單位并不愿意認真復壓。如果在施打過程中沒有采取逐步加載多次復壓的措施，敷衍了事，這些樁在靜載荷試驗時就可能達不到設計要求。

　　3.4擠土效應

　　召集有關(guān)單位分析事故原因的會議上，有的單位堅持事故是由擠土效應引起的。擠土效應一般表現(xiàn)為淺層土體的隆起和深層土體的橫向擠出，擠土效應對已經(jīng)施打的樁的影響表現(xiàn)為樁身傾斜及淺樁（≤20m）上浮。這些情況多發(fā)生在樁距較密、布樁平面系數(shù)大且存在巨厚粘土層的地基。本工程同一承臺樁間距Φ400、Φ500分別為1200mm、1500mm，均大于3倍樁徑；柱距為3.2～7.0m之間，場區(qū)樁距較大，布樁平面系數(shù)小，本工程為2.6%，且樁長≥29m，樁施工時未出現(xiàn)土體隆起現(xiàn)象，周圍路面和建筑物未見因壓樁引起的新的損傷，可見因沉樁擠土引起樁體上抬導致樁尖脫離持力層的說法是不正確的。

　　4復壓處理及結(jié)果

　　通過上面分析，此次事故主要原因為：壓樁與靜載荷試驗間歇時間太短、樁端持力層存在粘土薄弱土層、快速沉樁導致飽和粘土層回彈致使樁身上浮。因此，要求施工單位有的放矢地對持力層存在粘土薄弱土層的地質(zhì)鉆探孔至周邊正常地質(zhì)鉆探孔范圍內(nèi)的樁必須全數(shù)進行復壓；選取試驗的樁必須在該樁復壓25天后再進行靜載荷試驗。

　　在復壓時碰到的問題和采取的措施如下：

　　4.1復壓控制

　　4.1.1消除樁周土固結(jié)

　　由于樁周土有多層飽和軟塑～可塑粘土層，且層厚大，層數(shù)多，摩擦力大，特別是先施打完成的樁由于土體重新固結(jié)，在樁機瞬時大壓力加載下樁可能難于沉降，不能達到復壓目的。在復壓時，先采用極限承載力標準值60%～70%的壓力進行瞬時短暫地反復施壓，以破壞樁周土的固結(jié)效應。實踐證明，這個方法是可行的，復壓沉降量較大的樁都在施壓6-8次之后就開始有明顯下沉。

　　4.1.2終壓控制

　　考慮到管樁公司提供的樁身強度有一定安全儲備，把樁復壓終止壓力值控制在單樁豎向承載力極限標準值的100～110%。對首批復壓的78根樁進行小應變試驗，結(jié)果其中78根為Ⅰ類樁，表明樁身質(zhì)量符合要求，終壓控制壓力值是安全的。由于液壓靜力壓樁機的構(gòu)造特性，對樁頂施加壓力不能象豎向靜載荷試驗一樣維持某個穩(wěn)定的壓力持續(xù)長時間加載，施壓時樁尖遇到受壓縮密實砂層時壓力直線上升，所以復壓壓力接近終壓值時需特別小心，稍有大意，壓力就會急速上升，可能破壞樁身完整性。

　　4.1.3樁機配重

　　樁機配重對樁機施打過程的穩(wěn)定性至關(guān)重要。配重不足，樁機壓力接近終壓值時樁頂反力使樁架上抬脫離地面，樁機失去穩(wěn)定性，容易使樁頂受到?jīng)_擊，可能使樁身特別是樁頂法蘭盤與混凝土接觸處損壞。復壓初期就有三根樁的樁頂受到破壞，當要求樁機配重加大到600T后樁頂破壞情況基本得到消除。

　　4.2送樁深度

　　部分送樁深度為0.4-0.5m。由于場區(qū)水位為-0.5m，水位較高，送樁超過0.5m的樁復壓難以進行，主要因為復壓時鋼樁送難以對準樁頭。如復壓時鋼樁送未能對準樁頭，會使樁頭偏心受壓，樁身受拉產(chǎn)生橫向裂紋以至破壞。如果通過大面積開挖，外露的樁必須砍掉樁頭，樁頭沒有法蘭盤約束，在復壓時容易破壞；樁機也難以進入基坑作業(yè)。所以復壓前先挖去場區(qū)400mm以上的表層砂層，以不露出樁頭為限，使絕大部分樁都得以復壓。挖出埋得較深樁頭的砂坑，在樁機的重壓下砂可能流入砂坑。為了解決這個問題，要求在樁頭以下300-500mm處放置厚壁砼井圈，井圈上沿低于地面100mm，避免樁機移動時壓壞井圈和方便就位。

　　4.3沉降觀測

　　為使復壓沉降情況直觀明顯，預制了1.2×1.2的龍門架，待樁機就位后水平穩(wěn)定地安放在樁的周邊。利用龍門架可以方便地在復壓過程中測量樁的沉降和回彈情況。此外，為了查明樁最終沉降情況，利用水準儀測量復壓前及復壓后即時和一天后樁頭的標高差，即為樁的復壓回彈量和最終沉降值。

　　4.4處理結(jié)果

　　總共復壓了318根樁，其中19根復壓沉降量超過10mm，5根超過20mm，最大沉降47mm。復壓完成18天后共選擇5根進行靜載荷試驗，最大沉降量為17.4-32.5mm，殘余沉降量為2.5-17.4mm,全部達到設計要求。Q-s曲線無明顯陡降，s-lgt曲線尾部無明顯向下彎曲。

　　該工程已經(jīng)竣工驗收備案，最大沉降量9mm，最小沉降量7mm，上部主體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結(jié)構(gòu)安全可靠。

　　5設計和施工注意問題

　　5.1設計注意問題

　　由于土層的復雜性，特別是持力層為細砂層且局部夾有薄弱土層的情況在地質(zhì)勘察中不一定能被發(fā)現(xiàn)，所以控制壓樁終壓值非常重要，終壓值宜大不宜小，一般不宜小于單樁豎向承載力極限標準值。

　　在飽和粘土中采用開口樁尖可解決在粘土層中快速沉樁引起樁的卸壓回彈問題。由于開口樁尖在沉樁時樁內(nèi)孔可以進入部分土體，可減少超孔隙水壓力和粘土擠土作用，減低樁身上浮的可能性。通過應用對比，實踐證明開口樁樁端承載力與閉口樁基本相同。

　　5.2施工控制措施

　　只要樁基配重能達到單樁豎向承載力極限標準值的1.2倍左右，就不會產(chǎn)生壓樁接近終壓值時樁機抬起晃動引起對樁頭和樁身的沖擊所導致的樁體破壞，樁身完整性也能得到保證。

　　控制沉樁速度并采取多次逐步加載復壓的措施是有效的，能消除巨厚粘土層中快速沉樁卸壓回彈使樁體上浮的作用。