PHC管桩静载抗压试验异常沉降原因分析

杨 文 浩

(上海虹口建设工程质量检测有限公司，上海 200434)

1 概述

预应力管桩是一种应用广泛且技术成熟的桩型之一，预应力管桩具有以下优点：造价低，施工速度快，可以节约施工周期等优势，且设计选用范围广泛，具有多种桩径，且可按设计桩长进行配节，既适用于多层建筑，也可用于高层建筑。但预应力管桩作为一种挤土桩，在沿海冲积平原地质构造复杂的软土地区应用时，浅层埋藏的淤泥质土具有高含水量、孔隙比高、压缩性高和流变、触变性等特性，孔隙水压力来不及消散而形成超孔隙水压力，导致挤土效应明显，桩基承载力异常等问题出现，本文结合工程实例，对单桩竖向抗压静载荷试验中发生的异常沉降量的原因，进行分析并根据现场实际情况提出相关建议，为后期工程桩的施工提供相关借鉴。

2 现场测试

2.1 工程概况

拟建工程位于上海市浦东新区外高桥保税区，为地上6层，地下1层的厂房，上部结构为钢筋混凝土框架结构,柱间距为8.4 m×8.4 m，下部为桩+筏板基础，基础埋深4.9 m，共有工程桩112根，设计工程桩桩长26 m，试桩3根，并接至地面，桩长32.0 m，试桩单桩设计极限承载力标准值为2 640 kN。

拟建场地位于长江三角洲东南前缘，根据地质报告揭示地层，拟建场地勘察深度范围内的地层均属第四纪全新世和上更新世沉积土层，主要由粘性土、粉性土及砂土组成，包括表层第①1层杂填土、①2层浜土、②1层粉质粘土、②3-1层粘质粉土夹淤泥质粉质粘土、②3-2层粘质粉土、③层淤泥质粉质粘土夹粉性土、④层淤泥质粘土、⑤1层粘土、⑥层粉质粘土、⑦1层砂质粉土、⑦1t层粉质粘土、⑦2层粉砂及⑧1层粉质粘土等，各土层物理力学性质指标见表1。

2.2 基桩荷载传递机理

单桩极限承载力取决于桩的材料强度和土的支撑能力2个方面[2]。基桩荷载传递的全过程如下：竖向荷载施加于桩顶，上部桩身首先受到竖向压力而产生相对于地基土的向下位移，于是桩周土在基桩桩侧界面上产生反向的摩阻力；当压力沿着桩身向下传递，直至向下的压力与地基土提供的摩阻力相同时，基桩停止产生向下的位移，此时，桩身的轴力与桩侧地基土所提供的反力相平衡，此乃荷载传递的全过程。

2.3 测试方法

单桩竖向静载荷试验[1]按上海市工程建设规范DGJ 08—218—2003建筑基桩检测技术规范中的相关规定进行。试验采用慢速维持荷载法进行，并采用全自动桩基静载荷测试分析系统自动加荷并记录。加载反力由上部压重平台提供，并由安装在试桩桩顶的千斤顶逐级加载，静载试验设备安装方式详见图1，上部压重平台提供的反力不小于最大加载量的1.2倍。加载及卸载方式根据规范分级进行。

表1 土层物理力学性质参数表

2.4 试验结果

基桩施工完毕后，依据相关规范，在进行单桩竖向静载荷试验前，对该项目的3根试桩进行了低应变完整性检测，检测结果符合静载荷试验要求。

该项目3根试桩的施工日期、桩身参数及试验检测结果见表2，其试验成果曲线详见图2。

本项目56号试桩，在各分级荷载作用下，其沉降量不大且在各分级荷载压力下没有明显沉降增大现象，沉降量能很快达到稳定标准，从Q—s及s—lgt曲线可以看出，该试桩在最大荷载作用下，还未达到极限状态。试验结束后，结果显示，该试桩在最大试验荷载的作用下，试桩桩顶总沉降量为11.43 mm。残余沉降量为1.02 mm，回弹率达到91.08%。

表2 试桩情况一览表

本项目164号试桩，加载前2级表现较为正常，但在1 056 kN的荷载作用下，桩顶下沉量急剧增大，Q—s曲线呈现陡降型，前一级荷载沉降量为2.10 mm，而本级桩顶沉降量达到6.82 mm，未达到上级荷载沉降量的5倍，因此继续试验，在加载至1 320 kN时，沉降量收敛，并在设计要求荷载时达到稳定，该试桩在最大试验荷载作用下，试桩桩顶总沉降量为29.57 mm。残余沉降量为22.13 mm，回弹率仅为25.16%。

本项目214号试桩，在前3级分级荷载作用下，表现较为正常，但加载到第4级时，在1 320 kN荷载作用下，桩顶沉降量急剧增大，Q—s曲线呈陡降型，本级桩顶沉降量达到17.41 mm，上一级荷载作用下的沉降量为2.10 mm，根据DGJ 08—218—2003建筑基桩检测技术规范4.3.5条，试桩在某级荷载作用下沉降量大于前一级荷载沉降量的5倍，可终止试验，为便于分析试桩失败的原因，因此继续进行加载，在加载至1 584 kN时，沉降量收敛，并在设计要求荷载时达到稳定，该试桩在最大试验荷载作用下，桩顶总沉降为37.46 mm。残余沉降量为30.93 mm，回弹率仅为17.43%。

3 异常沉降原因分析

预制桩的挤土效应机理[3]大体为：预制桩沉入土体中时，桩身将置换相同体积的地基土，土体所受到的压力超过其抗剪强度时，桩侧地基土产生塑性变形，桩端下土体向下和侧向挤开。地表处粘性土会向上隆起；地下深处受上覆土影响，地基土主要向桩周挤密，使桩侧地基土原始结构遭到破坏，周围地基土也受到一定的扰动影响，同时，对于软土地区所存在的厚层饱和粘性土，由于其排水性差，导致该软弱粘性土层瞬间排水固结不明显，静压桩的贯入时所产生超孔隙水压力，而在贯入后桩周孔隙水压力缓慢消散，桩周地基土在自重影响下再度固结，致使桩侧受到负摩阻力的影响，因此，预制桩施工产生异常沉降，其主要原因要从挤土效应及场地地质情况因素2方面进行分析。

3.1 挤土效应因素[4]

海相软土地基其浅部分布有厚层的饱和粘性土及淤泥质土，其土性软且含水率高，当预制桩贯入上述软弱粘性土层时，土中水分受到空间压缩，随着桩身侵入土体的空间增加，孔隙水压力逐渐增大直至形成超孔隙水压力，从而改变土体结构特性并导致土体变形，超孔隙水压力寻求释放空间，其一般从上部或侧面传递，形成地表隆起或对横向土体造成挤压，在此过程中，土体的位移容易将多节预制桩一同向上拉伸或侧向挤压，造成接桩位置拉裂。或使桩尖脱离持力层。因此挤土效应对已经施打的预制桩的影响主要表现为桩身倾斜及桩身上浮。

经查阅施工记录发现，出现异常沉降的试桩214号、164号施工日期均较早，施工日期为2016年9月20日，而其周边的工程桩则在一周后进行施工，该施工流程未按打桩顺序，使前期施工的基桩受到垂直挤压而形成浮桩，而上述2根试桩分别在1 056 kN,1 320 kN时发生异常沉降，而继续施压后，在随后的几级荷载作用下，Q—s曲线呈收敛趋势，并在最大试验荷载作用下达到沉降稳定的标准，且经过试验前后的低应变检测，桩身完整性均为Ⅰ类，因此推测试桩214号、164号因挤土效应桩身被抬起，桩尖脱离了持力层，形成浮桩。试桩56号施工日期靠后，为2016年9月28日施工，其周围的工程桩亦同时施工，且在后来的静载荷试验中也可看出，该试桩在各级试验荷载作用下沉降量较小且较均匀，其承载力亦满足设计要求。

3.2 场地地质情况与环境因素

根据拟建场地的勘察报告揭示，拟建场地内分布有厚层的软粘土层，③层淤泥质粉质粘土夹粉性土，其孔隙比为1.174，含水率为41.8%，垂直向渗透系数为1.57e-06，④层淤泥质粘土，其孔隙比为1.405，含水率为49.9%，垂直向渗透系数为1.50e-07，⑤1层粘土其孔隙比为1.179，含水率为41.5%，垂直向渗透系数为8.13e-08，上述三层地基土均为高压缩性软粘土层，灵敏度高，且从垂直向渗透系数可以看出，上述土层不易排水。

根据本工程场地地质情况并结合施工情况，在桩基大面积施工的情况下，场地内软粘性土中的孔隙水压力来不及消散，从而在土体里形成超孔隙水压力，导致土体向地面隆起，并使先期施工的工程桩产生上浮，形成和持力层脱开的情况。

4 结论与建议

通过上述情况分析，得出如下结论，并提出相关建议：

1)通过本次试验，可以看出，PHC管桩在单桩竖向抗压静载试验结果中Q—s曲线及s—lgt曲线中间某级压力下出现异常的沉降量时，有较大原因是基桩上浮或脱节造成的。

2)试桩沉降异常的主要原因为挤土效应。

3)在海相软土地基上施工，孔隙水压力本就是难以克服的工程问题，因此施工单位应采取有效措施，防止因沉桩速率过快，导致孔隙水压力升高，导致土体隆起或侧向挤压，对基桩产生不利的影响。

5 结语

随着建筑市场的竞争日渐激烈，施工企业均希望通过缩短施工周期来完成更多的工程量，以便取得更高的经济回报，而在本工程实例中，施工方通过试桩与工程桩平行施工的方式，希望在工程桩施工结束时，就可取得静载检测结果，从而未考虑PHC管桩带来的挤土效应，导致试桩上浮，静载试验结果异常，并影响工程进度。在此，笔者认为严格遵照施工顺序是保证工程质量的重要手段，若施工企业需缩短工期，必须进行可行性论证并采取有效措施，以确保工程质量的可靠性。