某小区高层建筑预应力混凝土管桩施工质量问题分析

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200000

引言

东部沿海地区某小区住宅楼和地下车库基础工程，在桩基完工后经低应变、桩孔摄像、单桩竖向抗压、抗拔静载试验等检测，桩基存在较严重的质量问题。通过对施工过程中挤土效应、软黏土的流动性、打桩速率、土方开挖、桩身焊接质量、施工技术措施等方面的分析，可有效判断造成桩基质量问题的原因，为下一步基础补强方案的制定提供可靠的理论依据。

一、工程概况及工程地质情况

1.工程概况。本工程区域共有十二幢26～28层商品住宅楼和大底盘地下一层车库，总建筑面积27.2万平法米，其中地上21.4万平方米，地下5.8万平方米。

本工程基础部分采用了两种不同型号的高强度预应力混凝土管桩，如表1所示：

钢筋混凝土基础底板厚1.4m，基坑开挖深度距地表约5.0m，电梯井处基坑深度约6.5m，桩基持力层为8-1卵石层。

2.工程地质情况。地基土物理力学性质指标如表2所示：

表2 地基土物理力学性质指标

二、桩基工程质量问题分析

主楼和地库分别选用PHC600A130及PHC500AB100型管桩，设计桩端持力层为8-1卵石层，按贯入度控制(最后锤击三阵，每阵10击，平均贯入度小于80mm)，据此每根桩入土有效桩长约为33m。

土方开挖后，经低应变检测不合格桩数量很多，如表3所示：

表3 各主楼低应变检测结果

11 263 263 100 226 85.9 0 0 11 4.2 26 9.9 12 212 212 100 186 87.7 0 0 26 12.3 0 0合计(根)2233 2011 1059 509 393 49

由上表可见，Ⅲ类桩占所检测桩的比例范围为4.2%～66.1%，其中8号楼(26层)和9号楼(28层)Ⅲ类桩占比高达66.1%和42.7%；Ⅳ类费桩占所检测桩的比例范围为0.4%～11.5%。造成如此严重的桩基质量问题，分析如下：

1.挤土效应。12幢主楼和地下车库分两个标段同时施工，打入管桩共计4994根，去除管桩土塞高度的土方量，共约有3万立方的土受挤。被挤压的土除向地表传递外，其余极大部分在管桩入土过程中向周围桩体挤压扩散。在两百多天的打桩过程中，由于各主楼及车库区域打桩时间不同，造成挤土方向不断变化，而不断变化的挤土效应有相当部分重迭，其结果势必对入土的桩身产生明显的损伤。

2.软黏土的流动性。本工程软黏土厚约25米，尤其是3-2淤泥层，平均厚度为14.7米，最厚处达18.4米，占桩入土深度的一半，该层含水量大(53%)，抗剪性差(Φ=4°)，灵敏度高(St=3.14)，受到震动和挤压后，伴随而来的是超静孔隙水压力的增大。在挤土效应的共同作用下，极易破坏软黏土的原状结构，从而大大降低土的自身强度，使得淤泥变成稀释状态且产生侧向滑移，对入土的桩身同样产生不可避免的损伤。

3.打桩锤击效应。目前打入桩一般选用不同的桩锤，如表4所示：

表4 不同桩锤的冲击力

上表表明，桩锤重量越大，锤击力越大。当桩尖进入持力层(卵石层)后，柴油锤就需要更高的高度进行锤击，若桩身强度不足或桩尖构造稍差，桩身承受不了桩锤的冲击力，会造成桩身被打裂或桩尖被打碎，由此造成的桩身缺陷会降低桩的承载力。因此认真选定合适的桩锤型号是十分重要的。

本工程同一区域内分两个标段由两家不同的施工单位分别选用D46及D63型锤。经统计D46型锤每根桩锤击数达500～700击，D63型锤每根桩锤击数达300～400击，根据统计数据及工程经验选用D63型锤是比较合理的，施工图亦要求选用D63型锤。重锤轻击比轻锤重击对土体的破坏要小。

有资料表明，用不同的锤型打桩，对桩顶、桩身、桩尖产生的压、拉应力如表5所示：

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表5 不同锤型产生的压、拉应力

上述表5是宝钢一期开工前，由中日双方共同参与试验时所得数据。虽然如此，但不管是何种桩材，在锤击过程中产生的压、拉应力是存在的，这不仅会影响桩的质量，而且对桩节间端板(法兰盘)的焊接也会造成损伤，对焊接质量差的桩影响尤为严重。

4.打桩速率过快。本工程打桩工期共222天，入土桩数量为4994根，打桩平均速率为22.5根/天，严重超过了类似该类地质情况的打桩速率。该类地质情况通常控制在6～10根/天。尤其是下述两组时间段的打桩速率更为惊人：

(1)201X年10月27日～次年2月4日共70天时间内打桩速率为28.5根/天。

(2)201X年2月21日～次年4月8日的共57天时间内，打桩速率为34根/天。该部分为地库桩，桩径500mm，有效桩长入土深度为33m左右。

打桩的挤土效应和土体中的超静空隙水压力随打桩速率的提高骤然增加，在挤土过程中当四周压力有差异时，土体会向压力较小的一侧移动，由此便形成打桩造成的上拱力。若焊接质量差，上拱力会将两节桩在焊接处拉开，导致上节桩上移，造成桩节间有1～2cm或更大的空隙；若焊接质量较好，会造成桩身整体抬升，可能导致桩尖上抬后脱离持力层。

此种现象在8#楼11#桩及9#楼109#桩垂直静载荷试验的s-lgt曲线中显现出来，如图1、图2所示：

图1、图2的s-lgt曲线反映了如下情况：

(1)锤击与挤土效应使得一些桩因焊接质量差，在桩节间脱开；

(2)打桩时桩身整体抬升。

上述两种情况，脱开或抬升的距离大概在20～40mm之间。随着荷载的增加，脱开的桩节闭合或抬升的桩身被压下，使得桩身又成为整体或进入持力层，故发生了在2400k N后的各级荷载作用下，s-lgt曲线又出现了平缓。

5.土方开挖

(1)10#楼东西两侧电梯井坑底均采用旋喷加固。东侧电梯井在旋喷龄期未到情况下开挖，随即发生电梯井边桩向井内倾斜。

(2)11#楼南侧52m长的边坡尽管采用了喷浆加固边坡，一场大雨造成该边坡大范围滑移，造成该楼南侧出现了7根Ⅲ类桩及22根Ⅳ类桩。

(3)12#楼东西两侧电梯井同样是旋喷龄期未到就开挖，发生淤泥土外挤，桩身偏位。

(4)8#楼基坑开挖了五分之二，因故中止了开挖，搁置了三个月后再挖，造成土体压力失衡。使得8#楼发生大量的Ⅲ、Ⅳ类桩，占全桩的67.4%。

6.桩身焊接质量。12#楼103#桩经检测为Ⅲ类桩，经拔桩后发现桩节间端板的焊缝长度仅为满焊要求的13%。

地库K611#桩在进行单桩竖向抗拔试验时，当拔力加载至50t时(设计要求是100t)，桩节间端板被拉开，焊接质量明显存在问题。

7.施工技术措施的缺失。挤土效应、软黏土流动、超静空隙水压力及锤击效应在软土地区打桩过程中是必定存在的。如果工程论证后必须采用砼管桩，一般可采用如下的施工技术措施：

1.采用预钻孔取土12～14米，可大幅度减小浅部位置软黏土的挤压；

2.塑料板排水或袋装砂井加盲沟排水能释放软黏土内超静空隙水压力。

这些措施多年来广泛使用在软土地区打桩过程中，证明防止或减少上述不良效应卓有成效。

以上所述种种情况其综合作用的结果，造成本工程砼管桩出现Ⅲ、Ⅳ类桩的数量较多也就不奇怪了。

8.结论

(1)软土地区打桩施工技术措施必须到位。在含水量大(＞50%)，灵敏度高(＞4)、无侧限抗压强度低(＜0.3Kg/cm3)的深厚软土地区，锤击桩(管桩或砼方桩)施工必须要有相应的施工技术措施。这些措施能有效达到减少挤土效应、减少土超静孔隙水压力的效果，除此之外还必须选用合适的桩锤、控制打桩速率、选用合理的挖土方案。只有多管齐下，才能避免或减轻打桩后出现的种种不利效应，有效控制桩基质量。

(2)桩基补强方案的制定。本工程的主楼经检测发现比较多的Ⅲ、Ⅳ类桩，虽然采取过桩孔灌芯和补打钻孔灌注桩等补强措施，但当时忽视了在多种外因共同作用以后的土体尚处于不稳定状态的情况下，就进行上部结构的施工。

其中12#楼主体结构已建造至16层时，南北横向倾斜达0.85‰，17层时达0.93‰，仅增加一层，结构横向倾斜陡增。这种情况引起了建设方的高度重视，并认识到了问题的严重性，立即邀请岩土工程专家进行评审，并继续对沉降观测资料密切关注、认真对比，多次组织有关各方研讨，研讨意见汇总后一致认为采用锚杆静压钢桩补强为最佳方案。

补强后随着上部建筑荷载的增加，建筑物、桩基与地基土间的荷载传递逐渐趋于平衡协调以至稳定，其最终倾斜、沉降等指标亦控制在国家规范值之内，取得了良好的补强效果。