苏北地区管桩挤土浮桩原因的探讨与处理方法

2020-10-10 02:58雍洪宝李东昌
工程质量 2020年8期
关键词:沉桩桩体浮力

沈 建,雍洪宝,李东昌

(1.淮安市建筑工程质量检测中心有限公司,江苏 淮安 223002;2.淮安市建筑科学研究院有限公司,江苏 淮安 223002)

0 引言

预应力管桩由于其生产速度快、桩身质量较好,施工现场环境好、施工方便等优点,已成为被广泛采用的一种基础形式。在使用过程中出现了许多问题,主要有:①沉桩时桩周土体产生竖向隆起和水平移动,使临近桩产生上浮、移位,使桩身受拉或受剪断裂,对临近建筑物和地下管线造成破坏;②沉桩时桩周土体被扰动和重塑对含水量高的黏性土、特别是饱和黏性土破坏桩周土的原有性状,使侧阻力下降。

管桩是完全挤土桩或部分挤土桩,在沉入时要排开一定土体,因此在软土地基施工过程中对周围土体产生一定的挠动而导致浮桩。上浮一般从几毫米到几百毫米,造成承载力大幅度降低,给工程安全带来严重隐患。

1 桩上浮机制分析

图1 桩体受力模型

桩体受力模型如图 1 所示,根据图 1 受力分析,作用在模型上有各种水产生的浮力、土体隆起(或隆起趋势)等因素产生的上浮力、摩擦力和重力及土体固结沉降产生的负摩阻力,桩体是否上浮实质是四者平衡关系协调的结果。各种水产生的浮力为桩体排除水的体积和水的密度乘积,显然浮力与水的深度密切相关。浮力沿深度增大。上浮力跟土体性质、布桩密度、沉桩的顺序、时间间隔及工艺等有关,布桩密度越大、沉桩速度越快、沉桩时间间隔越短,土向上隆起(或隆起趋势)越大,桩对桩周土的向下摩擦力越强,同时由于作用力和反作用力的关系,桩周土对桩的上浮力越大。摩擦力与土与桩之间的摩擦系数及外界施加的力有关。当浮力与上浮力之和大于重力及土体固结沉降产生的负摩阻力和向下的摩擦力时,桩体出现上浮。另外,管桩沉到设计标高时,卸载后土体自身有恢复的趋势会使桩体出现回弹的现象或趋势,这也是桩体上浮的一个因素[1]。

2 群桩上浮的分析

大量工程的施工和检测表明:桩的上浮主要因素有:①桩基的面积置换率、桩的布置形态和施工工艺密切相关。面积置换率越小,上浮量越大。打桩时由中间向两边或由一侧向另一侧打时,一般先打的较后打的桩上浮量大。桩顶标高不一致的,标高高的桩上浮量较大、先施工的上浮较后施工的上浮大。所以打桩时要尽量不产生相同方向上土体位移及应力的叠加。桩间距较小、桩基的面积置换率较小时,可以采取引孔等措施减少挤土效应。②土层性质、土的含水量、渗透性是超静孔隙水压力形成的因素。土越软、含水量越大、渗透性越小土的超静孔隙水压力越大,上浮就越大。施工时可以采取设置应力释放孔、增加排水路径等措施,加速土层固结,控制沉桩速率。

2.1 工程实例 1

宿迁沭阳某小区设计为刚性复合地基,刚性桩为PHC-400A(95)-12,桩距间距为 1.6~4.0 m,以 1.6 m 为主,置换率为 3.5 %,单桩极限承载力为 2 200 kN,持力层为③层土。地质分布:①黏土、可塑;②黏土、可塑,饱和土;③黏土、硬塑,饱和土。打桩过程中发现有部分桩上浮,抽取 3 根做静载试验,Q-s曲线如图 2 所示。

从图 2Q-s曲线可以看出得出,三根桩均为先陡降后恢复承载能力接着又陡降[2]。即由于桩体上浮桩端悬空或或桩端土反弹造成的空虚,严重降低端承力、同时降低桩侧摩阻力的发挥。实际承载力与上浮量相关,一般上浮量越大,造成承载力损失越大。Q-s曲线陡降到一定程度后,随着桩底接触及桩端土的压密,承载力有所恢复,说明桩承载力下降主要是由于桩上浮引起的。通过压密桩端土及桩土间的较大位移可以恢复或部分恢复桩的承载力。

图2 Q-s 曲线

经专家讨论后认为,本项目为单节桩而且桩较短,结合Q-s曲线及桩顶标高实测,浮桩量在20~80 mm 左右。确定采用 4.0 t 锤复打来消除上浮现象,控制标准为 5 cm 不少于 30 击、桩贯入度不少于 10 cm,复打后静载检测曲线如图 3 所示。

复打前、后检测表明复打能够消除上浮的影响,但复打时也会产生其他问题,如锤击能量控制不好导致大量桩头破损、锤击时容易偏心。

2.2 工程实例 2

淮安某大型购物广场设计桩型 PHC-600(130)AB-C80,桩长 34 m,桩间距 2.1 m,单桩竖向抗压承载力极限值 5 800 kN,持力层为⑤层土。土层情况:①杂填土;②粉土;③粉质黏土;④粉砂;⑤黏土。地下水位:-1.5 m。抽取 3 根做静载曲线如图 4 所示。

从图 4Q-s曲线得出,3 根桩均为先陡降后恢复承载能力接着又陡降。其中 5 # 桩低应变曲线发现 10 m 处有严重缺陷反射,综合分析得,此桩由于上浮导致 10 m 处脱节,Q-s曲线陡降到一定程度后,两节桩靠起来后,承载力有较大提高。123 #、267 # 桩低应变曲线未发现缺陷反射,Q-s曲线陡降到一定程度后,随着桩底接触及桩端土的压密,承载力有所恢复,说明桩承载力下降主要是由于桩上浮引起的。通过压密桩端土及桩土间的较大位移可以恢复或部分恢复桩的承载力。上浮还可能引起接头脱开,在施工和检测中要引起重视,否则会给工程留下重大安全隐患。

图3 复打后 Q-s 曲线

图4 Q-s 曲线

专家会议确定采用桩端注浆、桩孔内全长布钢筋笼、浇筑 C40 细石微膨胀混凝土的处理方案。处理后选取 3根做静载检测,全数做低应变检测。检测结果:极限承载力均能达到设计要求,桩身完整性符合规范要求,未发现脱节现象。

3 桩上浮的预防措施

为了避免或减少桩的上浮,可以采取以下措施。

1)合理安排施工顺序,宜采用自中间向两侧进行沉桩,减少桩间土体位移及应力的叠加,从而缓解桩上浮。在基坑中沉桩要注意坑边缘沉桩参数的控制,由于坑边土体所产生的附加荷载使得边界受约束,向场地外排放较困难,同时基坑挖出土体使得基坑底部以下土体受力平衡破坏,导致桩周土产生向上的摩擦力,增加了桩上浮的趋势[3];

2)在施工现场及周围合理布设部分应变、应力释放孔,可在钻好的孔中填入级配砂石,选择适当数量和深度的释放孔,释放孔的形式可根据现场沉桩效果合理选取;

3)预钻孔沉桩。钻孔孔径宜较桩径适当减小,深度为桩长的 1/3~1/2,具体孔径和深度要根据现场土的性质和试桩结果确定;

4)采取跳打施工工艺;

5)在沉桩前一段时间设置袋装砂井或塑料排水板,减小打桩速度,沉桩结束后一段时间继续保持砂井或塑料排水板的功能,以消除或减少孔隙水压力同时可以加快固结沉降;

6)控制桩布置密度、间距及桩布置的形态。桩布置密度要小,通常桩中心距≥ 4 d,具体布置密度和桩中心距要根据土质和含水量确定,桩布置的形态要考虑沉桩时减少桩间土体位移及应力的叠加。

4 桩上浮处理技术措施

对出现浮桩现象的桩基,通常采取以下几种处理措施。

1)压力注浆,对浮桩进行桩底(侧)后注浆,压力注浆的控制标准要根据工程实际情况和试验结果确定[4];

图5 低应变曲线

2)由设计单位根据现场检测结果进行补桩处理;

3)由设计单位核算后对基础进行加固,对基础底板进行加厚处理,增加底板刚度充分考虑基础沉降量偏大以保证结构安全可靠;

4)复打或复压,先选取少量上浮桩进行试打或试压,达到预期效果后再对浮桩进行复打或复压,严格控制复打或复压的指标参数;

5)改变地基受力形式,一般补打散体材料桩等柔性桩或按刚性复合地基进行重新设计。

每一种方法都有一定的适用性,应结合当地的经验和工程实际情况确定。

5 结语

本文基于两个工程案例结合地质情况分析了桩上浮的机理、上浮对桩身受力的影响,结合上浮后采取的处理方案及达到的处理效果,提出桩上浮的预防措施和处理技术措施,可供实际工程应用参考。

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