某工程静压桩在泥岩持力层中的事故分析与启示

姜清理

(汕头市测试技术研究院,广东汕头 515041)

1 静压桩及竖向抗压静载试验

1.1 静压桩

静压桩是指通过机械液压操作,采用全液压夹持桩身向下施压的沉桩。施工具有易操作,无噪音,振动小,桩位定点精确等特点。

1.2 竖向抗压静载试验

本试验采用静压桩机作压重平台反力装置。压重平台反力装置作为荷载反力,将不小于最大试验荷载 1.2倍的荷重在试验开始前一次性加上平台,试验时用油压千斤顶分级加载。由桩顶两个正交直径方向对称安装 4个百分表按规定时间测定桩的沉降量。试验按《建筑地基基础检测规范》(DBJ 15-60-2008)相关规定进行。试验有慢速维持荷载法和快速维持荷载法两种。静载试验的优点是受力条件接近桩基础的实际受力状况,其结果直观,可靠性高,一般条件下检测结果可作为设计依据。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程是东莞市大朗镇某针织厂一期拟建 5层厂房 2幢和 4层办公楼 1幢。桩基础采用 400管桩,设计桩长 22 m,以中风化泥岩为桩底持力层。设计单桩竖向承载力特征值为 1 200 kN。开工前,按设计要求先对A区厂房 1幢 7号桩施工后试验。由 YZY 400型液压桩机施压,配桩(11+11)m。东莞市质监站和厂方委托我院采用慢速维持荷载法试验,为设计和施工提供依据。试验荷载量结果及 Q～s曲线图见图 1。当荷载为 2 400 kN时累计沉降量为 31.44mm,该桩竖向极限承载力符合设计要求。之后按照试桩的施工工艺、技术参数进行全面施工。全部基桩施压完毕,由于工期紧,13 d后受委托对 A区厂房 1幢 22号和厂房 2幢 9号桩采用快速维持荷载法静载试验。试验结果竟与初期试桩结果相异,当试验至最大加载 2 400 kN时,二者累计沉降量均超过 40mm,Q～s曲线出现明显陡降段。综合分析判定其竖向极限承载力为 2 160 kN,均未达到设计要求。两桩试验荷载与沉降 Q～s曲线图分别见图 2和图 3。

图1 1-7#荷载与沉降 Q-s曲线

图2 1-22#荷载与沉降 Q-s曲线

2.2 工程地质资料

根据地质报告邻近三桩的钻孔ZK15地层如表1。

3 静荷载传递机理及事故分析

3.1 静荷载传递机理

当静荷载施加于桩顶,上部桩身首先发生压缩而向下位移,于是侧面受到土阻力(摩阻力)的作用。荷载在向下传递的过程中必须不断克服这种摩阻力,桩身轴向力沿着深度增加而逐渐减小。及至桩端,桩身轴向力与桩端土反力相平衡,同时使桩端土发生压缩,致使桩身进一步下沉,桩侧摩阻力进一步发挥。随着每级荷载的逐渐增加,上述过程周而复始地进行,直到荷载稳定。

由于桩身压缩量的积累,上部桩身的下沉总大于下部,因此上部桩身的摩阻力总是先于下部发挥出来;上部桩的摩阻力达到极限后就保持不变或有所减小。随着荷载的增加,下部桩身的摩阻力将逐渐调动出来,直到整个桩身的摩阻力全部达到极限。继续增加荷载,桩侧极限摩阻力几乎保持不变,增加量直接传到桩底,最后桩端荷载达到桩端土的极限承载力,桩身便不停滞地下沉,桩达到真正的破坏,此时的荷载称为桩的极限荷载或工程上的破坏荷载。

3.2 事故分析

(1)本工程场地宽阔,沉桩过程中不会存在严重的挤土效应,排除了因挤土而明显上浮的可能。

(2)在事故分析会上,大家都谈到为了赶工程进度,冒雨进行施工,而第一根试桩天气良好。静压桩属于挤土桩。剪切和挤土效应可提高工程桩的侧摩阻力;但它可能产生不良效应,本工程挤压导致桩侧、桩底周边裂缝发育,在没有及时降水、排水情况下,雨水和地下水的共同作用,水向裂缝运动,使桩底周边岩石软化,持力层性质发生变化,其抗剪、抗压强度明显降低。

另外,参照地质资料的数据和要求进入持力层的深度不小于 1.0 m,根据《建筑地基基础规范》GB 5007-2002中(8.8.5—1)公式对单桩竖向承载力估算:

将试验结果和估算值进行比较可以看出,初期试桩合格是因为桩侧摩阻力和桩底端承力共同作用,而后期两试桩极限承载力判定为 2 160 kN,是近似桩侧摩阻力特征值 1 012 kN的 2倍。根据静荷载传递机理分析出桩侧在较小位移下发挥出来,但在雨水的作用下,接近桩底岩层和桩底泥岩出现软化,其抗剪、抗压强度明显降低,桩端体系侧摩阻力或桩端承力发挥效率甚低,桩端承力的发挥需要较大位移,因而形成突变陡降型 Q～s曲线。

4 事故处理与启示

综上分析,施工过程桩土体系被挤压和剪切,在雨水和地下水共同作用下泥岩岩性发生变化,桩端体系岩层抗压、抗剪强度明显降低,阻力没法充分发挥是造成本次工程事故的主要原因。本工程处理方案是对每桩进行加载※持荷※卸载复压 2～3次,同时采用降水、排水消除孔隙水压力,使土体孔隙水在短时间内排出,在压桩挤土应力作用下使土体快速固结,从而有效地提高桩侧和桩底阻力,以满足单桩承载力设计要求。

本次事故出在持力层为软岩,在相似的地区有较多启示。勘探单位应提供尽可能详细的勘探资料,为不同岩层或持力层提供丰富的岩土设计参数;其次设计单位应根据地质条件设计方案,重视上述问题,承载力设计时应有合理体现;第三加强施工队伍的监管,避免雨季施工,桩尖宜采用封口对称饱满双层焊接,严格遵守压桩施工线路避免明显挤土,必要时采用降水、排水消除孔隙水和复压处理。同时加强施工监理工作,重视基桩质量检测工作,及时消除工程隐患。

[1]DBJ 15-60-2008建筑地基基础检测规范[S]

[2]王雪峰.动态测试技术原理及应用[M].武汉:岩海公司,1996

[3]GB 5007-2002建筑地基基础设计规范[S]