预应力管桩承载力不满足要求原因分析与处理方法

郭金雪，刘金波，张 松，李 冰

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

预应力管桩在软土地层中施工速度快、效率高，可避免颈缩、塌孔等问题，且桩身强度高，成桩质量易控制和检测，因此得到广泛推广和应用。但若地质条件特殊或施工方法不当，尽管工程桩验收结果为I类完整桩，仍会存在单桩竖向抗压承载力达不到设计要求的情况。工程技术人员需准确分析承载力达不到设计要求的真正原因，才能有效处理此类管桩的质量问题。本文结合勘察报告、低应变和高应变检测、Q-S静载曲线及施工资料分析工程桩承载力达不到设计要求的原因，并给出处理方法和建议。

1 工程概况

某工程共14栋楼，其中9栋为17～18层住宅、5栋为29～31层住宅，地下1层大底盘结构均为剪力墙结构。基础设计为预应力混凝土管桩(PHC500 AB 125)+承台+防水板，桩端持力层为强风化砂质泥岩，单桩竖向抗压承载力特征值为2 000kN。工程桩施工完成后检测单桩竖向承载力，发现部分桩的单桩竖向抗压承载力特征值为1 200/1 400kN，不满足设计要求。

1.1 工程地质条件

场区地基土自上而下分为6层，各岩土层结构及特征分述如下：①素填土 黄褐色～灰褐色，稍湿～湿， 密实度不均匀，松散～稍密状态。②粉质黏土 黄褐色～棕褐色，部分场区表层呈黑色、褐色，湿～饱和，可塑状态为主，局部软塑，具水平层理与中等压缩性。③粉质黏土 黄褐色，湿～饱和，可塑～硬塑状，具有有中低压缩性。④全风化砂质泥岩 紫红色，泥质层状构造；原岩结构基本破坏，岩芯呈土状，风化强烈，块状岩芯用手易捻碎，失水易碎，具有软化性、崩解性，浸水易软化，失水易干裂，干钻易钻进，属于极破碎极软岩。⑤强风化砂质泥岩 紫红色、暗紫色，原岩结构构造大部分破坏，矿物成分显著变化，具有软化性、崩解性，浸水极易软化、失水易干裂；属于破碎极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。⑥中风化砂质泥岩 紫红色，泥质、砂质结构，薄层状构造；原岩结构构造部分已破坏，以泥质及砂质矿物为主要成分，具有软化性、崩解性，浸水极易软化、失水易干裂；属极软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

1.2 地下水

场区地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为第②层粉质黏土及第③层粉质黏土，整体水量不大。勘察期间钻孔揭露场区稳定地下水位约11.500m。根据区域水文地质和当地气象资料，场区地下水位高程年变化幅度约2.000m，近3～5年场区最高水位约13.500m。

2 检测结果

2.1 桩身完整性检测

采用高低应变检测手段对工程桩进行检测，结果如下：①低应变检测报告 检测桩曲线均正常，桩身无明显缺陷，评价为I类桩；②高应变检测报告 检测桩曲线正常，桩身无明显缺陷，除部分桩基的单桩竖向承载力特征值<2 000kN外(占总检测桩数的5.6%)，其余均满足设计要求。

2.2 单桩竖向承载力静载检测

对7号楼部分桩进行复打后，检测其中2根工程桩。检测结果显示，复打后单桩竖向抗压承载力特征值仅1 200kN，仍不满足设计要求。

已检测的单桩竖向抗压承载力极差的已超过平均值的30%，根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》，当极差超过平均值的30%时，应分析原因，不能明确时，应增加试桩数量。因此，增加基桩检测数量，但仍有2根基桩单桩竖向承载力特征值为1 200/1 400kN，不满足设计要求。各楼工程桩的Q-S静载检测曲线如图1所示。

图1 Q-S静载检测曲线

3 原因分析

为查明是否为勘察不准确造成的单桩承载力不足，进行补充勘察，结果显示，除部分钻孔揭示有中粗砂层外，其余各土层性质与原勘察报告基本一致。根据勘察报告、检测报告、施工资料等，综合分析可能引起单桩竖向抗压承载力特征值不满足设计要求的原因如下。

3.1 未进入桩端持力层

由基桩标高记录和附近勘察钻孔对比发现，可能存在部分基桩持力层较浅的情况。但从施工资料可知，打桩总击数、每阵贯入度、最后1m锤击数均满足设计要求。

中粗砂层可能阻碍沉桩，导致桩端持力层为中粗砂层，无法到达原设计持力层。因此单桩承载力降低比例较小，达不到不合格桩承载力降低比例。虽不排除因中粗砂阻碍导致桩端持力层较浅，进而降低单桩承载力的可能，但该原因并非导致基桩承载力显著降低的最主要因素。

3.2 桩上浮

受限于场地观测条件，无法直接获得后施工基桩对既有基桩标高15d以上的持续影响情况，但复打后的桩承载力不满足要求，说明和基桩上浮基本无关。

3.3 桩端持力层遇水软化

1)桩端持力层为强风化砂质泥岩，勘察报告表明该层具有遇水软化失水崩解的特征。

2)管桩桩端未及时封堵，孔内积水渗入桩端，造成砂质泥岩软化。现场调查时发现，大部分管桩端部未灌注混凝土进行防渗，空孔内有积水，甚至到孔口。JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》规定，对于桩端嵌入遇水易软化的强风化岩预应力混凝土空心桩，沉桩后应对桩端以上约2m范围内采取有效防渗措施。

3)打桩与静载检测时间间隔长的桩承载力不满足要求的概率高，符合软化规律。统计发现，打桩和检测间隔超过90d的基桩，承载力大部分不满足设计要求，部分基桩单桩承载力与检测间隔差如表1所示。

表1 部分基桩单桩承载力与检测间隔差

根据高应变检测报告，对比不合格桩与部分合格桩检测结果，如表2所示。

表2 不合格桩与部分合格桩检测结果 kN

1)承载力不满足原设计要求的基桩，端阻力均明显小于合格基桩，而侧阻力差异不大，说明桩端阻力降低是导致基桩承载力降低的主要因素。

2)承载力不满足原设计要求的基桩均为施工较早的第1批桩(前后两批基桩施工时间相差约8个月)，而施工较晚的第2批桩承载力均满足原设计要求。该特点与静载检测桩端软化的时间效应相符。

根据单桩静载检测和高应变检测结果可知，单桩竖向承载力不满足设计要求的基桩基本存在基桩检测与施工间隔时间过长的现象，因此推测桩端软化具有时效性。

3)不合格桩与合格桩的Q-S静载曲线对比如图2所示。由图2可知，加载前期(Q<2 000kN)累计沉降量很小，此时主要是侧阻力发挥作用。随着加载量的增加，端阻力逐渐起主要作用，此时，不合格桩均产生较大沉降，原因如下：①断桩 根据低应变检测结果显示，所有检测桩桩身完整性均为I类桩，桩身无缺陷，因此排除该原因；②桩端存在虚土或被软化，导致桩端产生较大刺入。

图2 不合格桩与合格桩Q-S静载曲线对比

10号楼18号桩的Q-S静载曲线加载至2 800kN 后，每级荷载下的变形均减小，即桩端软化土被逐步压密，这是典型的桩端持力层遇水软化现象。

综上所述，引起部分桩承载力不满足设计要求的主要原因是桩端持力层遇水软化。

由于桩端软化的时效性、随机性和软化程度差异性，可能导致底板开裂、结构开裂、建筑物倾斜等后果，因此需采取相应的处理措施。

4 处理方法

针对14栋楼的施工进度、荷载水平等差异性，给出如下处理方法。

4.1 未施工上部结构建筑物

1)改为复合地基 经现场踏勘，场地不具备较好的补桩条件，考虑到为业主节约工期及造价，在不增加桩数的条件下，采用复合地基方案，充分发挥桩间土承载力，使地基承载力满足设计要求。

设计方案调整为复合地基方案后，为明确桩间土和复合地基的承载力，需检测桩间土和复合地基承载力，检测结果作为复合地基方案的设计依据。

2)改为筏板基础 将原设计的桩基承台+防水板方案改为筏板基础，增强基础整体性，避免产生差异沉降拉裂防水板。同时考虑桩端软化的随机性对筏板内力的影响，通过增设暗梁调整内力。

3)采取防渗措施 为防止桩端软化加剧，施工时应及时采取防渗措施，如采用微膨胀混凝土填芯。

考虑该项目桩端持力层遇水软化的特殊性，若仍依据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》规定，中砂、粗砂、级配砂石和碎石作为褥垫层，则无法截断水源，桩端持力层被软化的可能性仍存在。因此，将褥垫层改为水泥土，同时考虑施工现场条件，仅在桩顶一定范围采用水泥土褥垫层，其余桩间土仍采用原状土，超挖部分使用素混凝土回填。

4)主、裙楼共同作用 主楼与裙楼通过后浇带分隔，后浇带范围内的裙房可分担主楼部分荷载，因此模型计算时考虑主、裙楼共同作用。为防止主、裙楼交界处应力集中导致筏板开裂，需增强主、裙楼连接处刚度，避免刚度突变，如变截面处采用放坡处理。

4.2 已施工上部结构建筑物

由于无法得知已施工上部结构建筑物的桩端是否存在软化问题，故加固承台间防水板，增加基础整体性，并使桩间土分担部分荷载，减小桩端可能软化的影响。

5 结语

1)当已检测桩的数量不足或极差超过规范要求时，需扩大检测桩数量。

2)若桩端持力层为浸水易软化的泥岩，施工时应及时采取相应措施进行封堵，防止桩端浸水软化导致承载力降低。

3)当基桩承载力不满足设计要求时，可改变地基基础形式，如桩基改为复合地基，独立承台+防水板改为筏板基础，充分利用桩间土的承载力。

4)既有建筑对承台间的防水板进行加固时，应提高刚度，分担部分荷载。

5)考虑裙房分担部分主楼荷载，可增强主、裙楼间的连接刚度。