PHC管桩桩基偏位事故的分析和处理

PHC管桩桩基偏位事故的分析和处理


[摘要] 本文结合一工程实例分析了PHC管桩基础在基坑开挖后出现偏位和断裂的原因，提出了在施工和设计等方面的处理措施，并介绍了应用锚杆静压钢管桩和钻孔灌注桩对桩基进行补强的措施以及补强处理后的效果，可供有关工程技术人员参考借鉴。
[关键词] PHC管桩；偏位；钻孔灌注桩；锚杆静压桩
[中图分类号] TU473.1 [文献标识码] A
Analysis and Treatment of Deviation Accident of
PHC Pipe Pile Foundation

Abstract: Combined with a practical instance of construction, the causes of deviation and fracture on PHC pipe pile foundation are analyzed. In addition, the measures to remedy this kind of accidents also are presented from the aspects of construction and design. Some methods that apply cast-in-place pile and anchored and jacked pile to strengthen the foundation are introduced in this paper. Furthermore, the effect of reinforcement is estimated.
Key Words: PHC Pipe Pile, deviation, cast-in-place pile, anchored and jacked pile


近年来，PHC管桩（高强预应力混凝土管桩）由于具有桩身成型质量好、混凝土强度高、单桩承载力大、耐冲击性能好、穿透力强、价格便宜、施工快捷且采取静压施工时对周围环境影响小等优点而被广泛应用于多层及高层建筑结构的基础工程中。但在土性复杂特别是土质较差的软弱地基的基坑开挖施工过程中，由于桩身为空心，其抗剪和抗裂性能相对较差，如果土方施工中基坑围护措施不到位或挖土方法不当，常会发生桩体偏位、桩身断裂等事故，从而大大削弱了基础的承载力。因此发生此种情况后如何对基础进行加固补强就成为施工中急待解决的一个难题。
1 工程概况
某工程基坑占地面积约20000m2，总建筑面积约90000m2，各号房结构均为剪力墙结构体系，建筑场地类别为Ⅲ类，基础设计等级为乙级。桩基础采用桩径500mm的PHC管桩，基坑一般挖深为4.14m，最深达6.36 m。桩长29 m、32 m和37 m不等，采取静压方式，桩端要求进入持力层不小于1.5 m，要求单桩竖向极限承载力为2800kN，以②－4层粉细砂为桩端持力层。基坑开挖范围内地质分布情况如表1所示。
该工程基坑所采取的支护形式为深层搅拌桩，桩长4 m，宽度为2.2 m，桩底标高为-9.95m，沿整个大地下室四周布置。该工程X号房基坑先行开挖，X号房基坑面积约为1200m2，基坑底标高-6.45m, 部分深坑底标高为-8.55m，该号房基础为筏板基础。基坑北侧与东侧有基坑支护，南侧与西侧是整体地下室部分，无支护，以1:2.5放坡形式开挖。


表1. 地质分布情况表
编号 土层 层厚(m) 粘聚力
(kPa) 内摩擦角
① 填土 0.9~4.5
①-a 淤泥 0.5~1.5
②-1 淤泥质粉质粘土、淤泥 12.1~
19.0 10.1 10.6°
②-2 淤泥质粉质粘土 4.0~18.7 10.0 11.1°
②-3 粉质粘土与粉土、粉砂交互层 0.5~5.5 10.3 17.2°
②-4 粉细砂 未钻穿 8.5 30.8°
②-4a 粉质粘土 0.3~3.5

2 事故原因分析
考虑到开挖深度范围内土质为淤泥质粘土，地下水渗透系数很小，降水效果可能不理想，故未采取降水措施。X号房基坑开挖后出现坑底土体上涌现象，但桩位未见偏位倾斜；待基坑开挖基本成形后，次日在基坑北侧的土体突然发生滑移，管桩出现倾斜现象。目测观察，基坑北测及中间深坑处的桩均向南侧倾斜，且倾斜角度很大；基坑西侧的少部分桩有向东倾斜现象。根据事故现场的具体情况并查阅地质勘察报告及其它相关资料，可能的事故原因初步总结分析如下：
（1）土质较差，桩身范围有90％处于淤泥质粉质粘土，淤泥质粉质粘土饱和不透水、抗剪强度低，属于高灵敏度、高压缩性的土层，流塑性大，而且压桩时所产生的应力，以能量的形式存在土中。
（2）桩基施工与土方开挖间隔时间短，在整个桩基施工过程中，对原有土体扰动强烈，因此在土方实际开挖过程中淤泥就会出现涌动的现象，同时存在于土中的能量未能释放，且该基坑挖土时附近仍在打抗拔桩。
（3）存在较多的桩未打到设计标高，以及在打桩和挖土时受到设备影响的土体对桩的水平侧压力较大。
（4）基坑支护体系设计的合理性欠缺，搅拌桩深度不足，局部深坑处未考虑加固；搅拌桩施工质量不如人意，强度不足，且与桩基施工的程序及间隔时间未合理安排好。
（5）挖土过程中，出现险情后动态应急管理力度不够，在土体滑移时排险的及时性上有欠缺。
3 处理方案
首先是进行桩的可用性评定，以便确定哪些桩可以用，哪些桩不可以用，把损失减少到最低；然后本着保证质量、技术合理、节约工期、经济合理的原则，从设计和施工等方面研究分析采取何种补救措施，同时对未偏移的桩注意保护，加强监控。具体处理过程和措施如下：
3.1确定影响区域和影响程度
我们采用测定桩顶的水平偏移和垂直度偏差来确定影响区域和影响程度。
（1）测量桩的水平偏移
用全站仪将建筑物的轴线引至基坑内，根据桩的定位图，用钢尺测量出所有偏位桩偏离轴线的方向和大小，标注在桩位图上，并绘出管桩水平偏位图，作为依据之一。其中实际测得一个桩顶的最大偏移为2600mm（此值非桩的整体水平位移，而是由于倾斜桩顶偏离原位置的大小），偏位严重。
（2）测量桩的垂直度偏差
桩的垂直度偏差也是反映桩偏位程度的一个重要指标。采用1米长的线锤间接测量垂直度。对于截桩已至设计标高的桩，放入线锤，测量偏离桩中心的距离，然后换算成垂直度偏差；对于未截的桩将线锤放于桩外按同样方法测出距离，换算成垂直度偏差。根据垂直度偏差和水平偏移可大体估算出桩的断裂位置，初步确定影响程度。
3.2 桩身的完整性检测
为了确切地知道基坑内桩的完整性，对基坑内所有桩均进行了低应变测试，以确定桩是否断裂及断裂位置。共计测试147根桩，检测结果为：Ⅰ类桩18根，Ⅱ类桩82根，Ⅲ类桩47根。
3.3 处理措施的确定
根据以上测试结果以及现场的实际情况，经设计、施工、监理单位共同深入商讨及相关专家充分论证后一致认为：1）重新打入PHC桩的方案不可行，不仅施工上无法实现，而且即使实现也会对原有未偏位或未断裂的桩产生挤压效应，造成更大的问题，且费用也会很昂贵；2）采用锚杆静压桩补强和钻孔灌注桩补强相结合的方案在施工、技术以及经济上均可行，且不影响施工工期，对外界无影响。最后采用了第二种加固补强的方案。
3.4 设计处理措施
(1) 钻孔灌注桩补强
某轴线墙下桩基偏移较大，底板伸出外墙1.5m，处理时在墙下附近补设钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径800mm，桩长45m，要求单桩竖向极限承载力标准值为4000kN，共计20根，均在地下室底板施工前完成该钻孔灌注桩的施工。
(2) 锚杆静压钢管桩补强
对桩基偏位在1.8米以上的PHC桩，应作为废桩来处理；对Ⅲ类桩及桩基偏位在0.8~1.8米的管桩应进行锚杆静压钢管桩补强处理，同时在锚杆静压钢管桩设计时，对偏位在0.8~1.8米的桩，原偏位桩的承载力仅作安全储备。在补强设计中，共设60根锚杆桩（已考虑由于各种原因管桩无法压入而采取的备用根数），采用402.2×12无缝钢管，桩长37米,要求单桩竖向极限承载力标准值为2800kN。预留60个锚杆静压桩压桩孔，压桩孔均在底板施工时预留出，底板内孔四边用钢筋作加强。工程施工至六层楼面后立即施工50%的锚杆静压钢管桩，其余钢管桩待工程施工至12层楼后施工，锚杆静压钢管桩要间隔施工。
(3)非废桩的处理
对影响区域内断裂的非废桩内插入6Ф18钢筋笼，根据低应变数据，钢筋笼应插入断裂处以下2m，并用6厚钢板封底。采用压密注浆工艺灌入C35微膨胀混凝土。处理后的桩均要达到Ⅱ类桩的要求。
(4)其它号房基坑围护加固
对于其它号房与号房之间坡脚及电梯井深坑均采用φ700双轴深层搅拌桩对土体进行加固，深坑处搅拌桩插2排φ48钢管，间距1米，桩顶设300厚混凝土压顶板。开挖时当深坑位移超过5cm时应停止开挖，并作相应的处理后才可继续施工。
3.5 施工处理措施
(1)将所有未截的桩均截至设计标高，截桩后用模板封住管桩口，以防落入石块等物体。
(2)边坡坡底设排水沟，用水泵及时将水抽出。
(3)基坑边严禁重型机械经过或停留。
(4)灌注桩、锚杆静压桩施工时加强过程质量控制。
(5)上部结构施工时，加强沉降观测，每压一根桩、每施工一层均需做一次沉降观测，并根据观测资料确定压桩和封桩时间及压桩数量；当出现压不下去等异常情况时，应及时报告有关部门进行适时处理。
4 处理效果
采用以上措施对管桩桩基进行处理后，取得了良好的效果。混凝土钻孔灌注桩共20根，对6根桩以声波透射法进行检测，检测结果为桩身结构完整性合格；对其中的25根静压锚杆钢管桩共进行了439条焊逢超声波探伤，检测结果为合格；其中2根桩进行了单桩极限承载力静载试验，承载力值为2800kN，检测结果为合格。根据X号楼沉降观测结果，结构封顶后最大沉降量为21.65mm，经设计计算确认， X号楼结构封顶后沉降满足设计要求。
5 结语
（1）在软土地基条件下采用PHC管桩做基础时，其基坑开挖的施工过程应注意以下几点：1）基坑支护体系的设计和施工应该结合工程地质的实际情况精心处理，确保围护体系的安全和稳定，不可仅从节约资金上考虑而忽略安全的因素；2）合理确定桩基施工与土体开挖的时间间隔；3）土体的开挖结合当地土质的实际情况采用分层、分块开挖，科学组织施工，禁止超挖；4）土体开挖后应立即进行垫层及底板的施工，减少基坑的暴露时间；5）施工前应做好可能出现问题的应急预案，施工中要加强动态管理，时刻注意险情的发生。
（2）管桩的偏位处理还可采用推顶法进行，即在桩顶施加一定水平推力使桩体复位，该法施工工期较短，但仅适用于偏位较小的情况，一般偏位应小于50㎝。
（3）由于锚杆桩是在底板施工完毕、上部结构施工至一定层数后进行的，且按一定的顺序，在压桩时的挤土效应必然对已存在的PHC管桩以及建筑物的不均匀沉降都会产生影响。结合本工程的沉降观测资料发现当压到一定数量的锚杆桩时，某些沉降观测点会出现负沉降现象，待施工的结构层数增多、荷载继续增加时负沉降将消失，此应为锚杆桩承载力的发挥和上部荷载彼此相互交替作用的结果，具体的工作机理有待工程技术人员做进一步的探讨。

参考文献:
[1] 史佩栋.实用桩基工程手册[M]，北京：中国建筑工业出版社,1999年.
[2] GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].
[3] 隆威，杨家久.弧形十字型桩尖处理PHC管桩斜桩问题[J],施工技术,2004,9.
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