预应力管桩承载力不满足要求原因分析及处理方法

作者： 郭金雪，刘金波，张  松，李  冰

0 引言

预应力管桩在软土地层中施工速度快、效率高，且可避免缩径、塌孔等问题，加之其桩身强度高，成桩质量容易控制和检测，因此得到广泛的推广和应用 ^[1] 。然而，如果地质条件特殊或施工方法不当，可能会在工程桩验收检验中遇到 尽管检测结果为 I 类完整桩，但 单桩竖向抗压承载力达不到设计要求的情况。如何解决此类工程质量问题？工程技术人员须能 准确 分析承载力达不到设计要求的 真正 原因，才能有效处理好 此类管桩的 质量问题。本文 结合勘察报告、低应变和高应变、桩基静载荷 Q-S 曲线以及施工资料 分析 了 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，为 今后类似工程质量事故处理提供 参考 。

1   工程介绍

    某工程 共包括 14 栋楼，其中 9 栋 17~18 层住宅、 5 栋 29~31 层住宅，一层地下室 ， 均为剪力墙结构。 基础 设计方案 为 预应力混凝土管桩（ PHC 500 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 2000kN 。

部分工程桩施工完成后，进行单桩竖向承载力检测，发现部分桩的单桩竖向抗压承载力特征值为 1200/1400kN ，不满足设计要求的 2000kN 。

1.1   土质情况

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 ，具有中等压缩性。

③ 粉质黏土：黄褐色，湿 ~ 饱和，可塑 ~ 硬塑状，具有中低压缩性 。

④全风化砂质泥岩：紫红色，泥质结构，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。

典型地质剖面图详见图 1 。

图 1   勘察典型地质剖面图

1 .2   地下水情况

     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。勘察期间钻孔揭露到场区稳定的地下水位高程约 11.50m 。根据区域水文地质资料和 当地 气象资料，场区地下水位高程年变化幅度约 2.0m ，近 3 ～ 5 年场区最高水位可达 13.50m 左右。

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了检测。

低应变检测报告显示，检测桩曲线均正常，桩身无明显缺陷， 评价为 I 类桩 。

高应变检测报告显示，检测桩曲线正常，桩身无明显缺陷。除部分基桩的单桩竖向 承载力特征值小于 2000kN 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# 楼 部分桩进行复打且复打后对其中 2 根工程桩进行检测。检测结果显示，复打后单桩竖向抗压承载力特征值 仅 为 1200kN ，仍不满足设计要求。

已检测工程桩的单桩竖向抗压承载力极差已超过 30% ， 根据《建筑基桩检测技术规范》 ^[2] JGJ 106-2014 “ 当极差 超过平均值的 30% 时，应分析原因 …… 不能明确极 差过大的原因时，宜增加试桩数量。”因此，增加基桩检测数量 ，其中仍有 2 根基桩单桩竖向承载力特征值为 1200/ 1 4 00kN ，不满足设计要求。

各楼 工程桩的 Q- S 静载曲线见图 2 ~ 5 。

图 2    5# 、 7# 楼 Q- S 静载 曲线

图 3   1# 、 3# 、 6# 、 8# 楼 Q- S 静载 曲线

图 4   9# 、 10# 楼 Q- S 静载 曲线

图 5   12# 、 15# 楼 Q- S 静载 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，进行了补充勘察。补充勘察显示，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。

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。但从施工资料可以看出，打桩总击数、每阵贯入度、最后 1m 锤击数均满足设计要求。

中粗砂层可能会对沉桩造成阻碍，导致桩端持力层可能为中粗砂层，无法到达原设计持力层。但因此导致的单桩承载力降低比例较小，达不到不合格桩承载力降低的比例。因此，虽不排除因中粗砂阻碍导致桩端持力层较浅，进而单桩承载力降低的可能，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半个月以上的持续影响情况，但复打后的桩承载力仍不满足要求，说明和基桩上浮基本上没有关系。

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。《建筑桩基技术规范》 ^[3] JGJ 94-2008 中 4.1.13 条 明确规定，对于桩端嵌入遇水易软化的强风化岩的预应力混凝土空心桩，沉桩后，应对桩端以上约 2m 范围内采取有效的防渗措施。

（ 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 90 天的 基桩，其承载力大部分都不满足设计要求，部分基桩单桩承载力与检测间隔差见表 1 。

表 1   部分基桩单桩承载力与检测间隔 差

楼号	桩号	检测与施工时间差（天）	静载检测单桩承载力特征值（ kN ）
5#	68	107	1200
	32	257	2000
	64	253	2000
7#	86	9	2000
	31	94	1200
	39	95	1400
	44	128	1200
1# 、 3# 、 6# 、 8#	46	123	1200
	38	267	1200
	65	253	2000
	85	12	2000
	25	60	2000
9#	157	39	2000
	8	23	2000
12#	33	26	2000
	47	22	2000
	68	25	2000
10#	145	24	2000
	160	26	2000
	18	15	1400

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（表 2 ）可以看出：

①   承载力不满足原设计要求的基桩，其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一批桩（前后两批基桩施工时间相差约 8 个月），而施工较晚的第二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合。

表 2 不合格桩与部分合格桩检测结果

楼号	桩号	承载力标准值 ( kN)	侧阻力 ( kN)	端阻力 ( kN)
5 #	1	4 079.4	2 046.2	2 033.1
	5	4 080.7	1 917.0	2 163.7
	1 8	4 090.2	2 206.6	1 883.6
	2 7	4 170.7	2 033.7	2 137.0
	4 7	4 296.5	2 282.3	2 014.1
	5 7	4 425.1	2 271.4	2 153.7
	7 8	3 555.0	2 462.3	1 092.7
7 #	5	3 147.3	2 363.8	7 83.5
	3 0	3 244.4	2 360.7	8 83.7
	47	3 327.2	2 287.0	1 040.2
	6 0	2 881.9	1 969.5	9 12.4
	6 6	3 658.2	2 911.5	7 46.7
	7 6	4 473.6	2 553.4	1 920.2
	9 1	4 383.2	2 298.7	2 084.5
	1 02	4 149.6	2 365.1	1 784.5
	1 09	4 085.5	2 003.3	2 082.2
	1 19	4 142.4	2 405.5	1 736.9

根据单桩静载检测和高应变检测结果可以看出，单桩竖向承载力不满足设计要求的基桩基本上均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。

（ 4 ） 从不合格桩与合格桩的 Q-S 静载曲线对比（图 6 ）可以看出，在加载前期（ Q<2000kN ）累计沉降量均很小，此时主要是侧阻发挥作用。随着加载量的增加，端阻逐渐起主要作用，此时，可以明显的看出不合格桩均产生了较大的沉降，产生这种现象一般情况下有两种原因：一是断桩，而本工程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；另一种原因则是桩端存在虚土或桩端被软化导致桩端产生较大刺入 。

图 6    不合格桩与合格桩 Q-S 静载 曲线对比

10# 楼 18 号桩的 Q-S 静载曲线 （图 6 ） 加载至 2800kN 以后，每级荷载下的变形在减小，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的特点。

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、随机性和软化程度的差异性，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 差异性给出不同的处理方法。

（ 1 ）未施工上部结构建筑物的处理方法

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，充分发挥桩间土的承载力，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，需进行桩间土和复合地基承载力检测，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，增强基础的整体性，避免产生差异沉降拉裂防水板。同时考虑到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。

此外考虑到该项目桩端持力层遇水软化的特殊性，若仍采用《建筑地基处理技术规范》 ^[4] JGJ 79-2012 中第 7.7.2 条规定：“中砂、粗砂、级配砂石和碎石”作为褥垫层，则无法截断水源，仍会有水沿管桩外壁与土的间隙流至桩端，桩端持力层被软化的可能性仍存在。因此为截断水源，褥垫层改为水泥土，同时考虑到施工现场的困难，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，超挖部分可采用素混凝土回填。

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的部分荷载，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的刚度，避免刚度突变，如变截面处采用放坡处理。

（ 2 ）已施工上部结构建筑物的处理方法

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，对承台间防水板进行加固，一方面增加基础的整体性；另一方面桩间土分担部分荷载，降低可能桩端软化的不利影响。

5 结论及相关建议

针对本项目预应力管桩承载力不满足要求的处理，有以下结论和处理建议：

（ 1 ）查明原因，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 ）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，降低承载力；

（ 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 ）对于既有建筑，对承台间的防水板进行加固，提高其刚度，分担部分荷载；

（ 5 ）可增强主裙楼之间的连接刚度，考虑裙房分担部分主楼荷载。

 

参考文献：

[ 1 ]  静压桩施工技术规程 ： JGJ/T 394 － 2017 ［ S ］．北京 : 中国建筑工业出版社， 2017 ．

[ 2 ] 建筑基桩检测技术规范：  JGJ 106 － 20 14 ［ S ］．北京 : 中国建筑工业出版社， 2014 .

[ 3 ] 建筑桩基技术规范： JGJ 94-2008 ［ S ］．北京 : 中国建筑工业出版社， 2008 .

[ 4 ]  建筑地基处理技术规范 ：  JGJ 79 － 20 12 ［ S ］．北京 : 中国建筑工业出版社， 2012 .

[ 5 ] 刘金波等，地基基础设计禁忌及实例 [M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013.