PHC管樁靜載抗壓試驗(yàn)異常沉降原因分析

楊 文 浩

(上海虹口建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200434)

1 概述

預(yù)應(yīng)力管樁是一種應(yīng)用廣泛且技術(shù)成熟的樁型之一，預(yù)應(yīng)力管樁具有以下優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，施工速度快，可以節(jié)約施工周期等優(yōu)勢(shì)，且設(shè)計(jì)選用范圍廣泛，具有多種樁徑，且可按設(shè)計(jì)樁長進(jìn)行配節(jié)，既適用于多層建筑，也可用于高層建筑。但預(yù)應(yīng)力管樁作為一種擠土樁，在沿海沖積平原地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的軟土地區(qū)應(yīng)用時(shí)，淺層埋藏的淤泥質(zhì)土具有高含水量、孔隙比高、壓縮性高和流變、觸變性等特性，孔隙水壓力來不及消散而形成超孔隙水壓力，導(dǎo)致擠土效應(yīng)明顯，樁基承載力異常等問題出現(xiàn)，本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)中發(fā)生的異常沉降量的原因，進(jìn)行分析并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況提出相關(guān)建議，為后期工程樁的施工提供相關(guān)借鑒。

2 現(xiàn)場測(cè)試

2.1 工程概況

擬建工程位于上海市浦東新區(qū)外高橋保稅區(qū)，為地上6層，地下1層的廠房，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),柱間距為8.4 m×8.4 m，下部為樁+筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深4.9 m，共有工程樁112根，設(shè)計(jì)工程樁樁長26 m，試樁3根，并接至地面，樁長32.0 m，試樁單樁設(shè)計(jì)極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2 640 kN。

擬建場地位于長江三角洲東南前緣，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告揭示地層，擬建場地勘察深度范圍內(nèi)的地層均屬第四紀(jì)全新世和上更新世沉積土層，主要由粘性土、粉性土及砂土組成，包括表層第①1層雜填土、①2層浜土、②1層粉質(zhì)粘土、②3-1層粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②3-2層粘質(zhì)粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉性土、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤1層粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1層砂質(zhì)粉土、⑦1t層粉質(zhì)粘土、⑦2層粉砂及⑧1層粉質(zhì)粘土等，各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

2.2 基樁荷載傳遞機(jī)理

單樁極限承載力取決于樁的材料強(qiáng)度和土的支撐能力2個(gè)方面[2]。基樁荷載傳遞的全過程如下：豎向荷載施加于樁頂，上部樁身首先受到豎向壓力而產(chǎn)生相對(duì)于地基土的向下位移，于是樁周土在基樁樁側(cè)界面上產(chǎn)生反向的摩阻力；當(dāng)壓力沿著樁身向下傳遞，直至向下的壓力與地基土提供的摩阻力相同時(shí)，基樁停止產(chǎn)生向下的位移，此時(shí)，樁身的軸力與樁側(cè)地基土所提供的反力相平衡，此乃荷載傳遞的全過程。

2.3 測(cè)試方法

單樁豎向靜載荷試驗(yàn)[1]按上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08—218—2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，并采用全自動(dòng)樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)加荷并記錄。加載反力由上部壓重平臺(tái)提供，并由安裝在試樁樁頂?shù)那Ы镯斨鸺?jí)加載，靜載試驗(yàn)設(shè)備安裝方式詳見圖1，上部壓重平臺(tái)提供的反力不小于最大加載量的1.2倍。加載及卸載方式根據(jù)規(guī)范分級(jí)進(jìn)行。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

基樁施工完畢后，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，在進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)前，對(duì)該項(xiàng)目的3根試樁進(jìn)行了低應(yīng)變完整性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合靜載荷試驗(yàn)要求。

該項(xiàng)目3根試樁的施工日期、樁身參數(shù)及試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表2，其試驗(yàn)成果曲線詳見圖2。

本項(xiàng)目56號(hào)試樁，在各分級(jí)荷載作用下，其沉降量不大且在各分級(jí)荷載壓力下沒有明顯沉降增大現(xiàn)象，沉降量能很快達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，從Q—s及s—lgt曲線可以看出，該試樁在最大荷載作用下，還未達(dá)到極限狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果顯示，該試樁在最大試驗(yàn)荷載的作用下，試樁樁頂總沉降量為11.43 mm。殘余沉降量為1.02 mm，回彈率達(dá)到91.08%。

表2 試樁情況一覽表

本項(xiàng)目164號(hào)試樁，加載前2級(jí)表現(xiàn)較為正常，但在1 056 kN的荷載作用下，樁頂下沉量急劇增大，Q—s曲線呈現(xiàn)陡降型，前一級(jí)荷載沉降量為2.10 mm，而本級(jí)樁頂沉降量達(dá)到6.82 mm，未達(dá)到上級(jí)荷載沉降量的5倍，因此繼續(xù)試驗(yàn)，在加載至1 320 kN時(shí)，沉降量收斂，并在設(shè)計(jì)要求荷載時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，該試樁在最大試驗(yàn)荷載作用下，試樁樁頂總沉降量為29.57 mm。殘余沉降量為22.13 mm，回彈率僅為25.16%。

本項(xiàng)目214號(hào)試樁，在前3級(jí)分級(jí)荷載作用下，表現(xiàn)較為正常，但加載到第4級(jí)時(shí)，在1 320 kN荷載作用下，樁頂沉降量急劇增大，Q—s曲線呈陡降型，本級(jí)樁頂沉降量達(dá)到17.41 mm，上一級(jí)荷載作用下的沉降量為2.10 mm，根據(jù)DGJ 08—218—2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范4.3.5條，試樁在某級(jí)荷載作用下沉降量大于前一級(jí)荷載沉降量的5倍，可終止試驗(yàn)，為便于分析試樁失敗的原因，因此繼續(xù)進(jìn)行加載，在加載至1 584 kN時(shí)，沉降量收斂，并在設(shè)計(jì)要求荷載時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，該試樁在最大試驗(yàn)荷載作用下，樁頂總沉降為37.46 mm。殘余沉降量為30.93 mm，回彈率僅為17.43%。

3 異常沉降原因分析

預(yù)制樁的擠土效應(yīng)機(jī)理[3]大體為：預(yù)制樁沉入土體中時(shí)，樁身將置換相同體積的地基土，土體所受到的壓力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，樁側(cè)地基土產(chǎn)生塑性變形，樁端下土體向下和側(cè)向擠開。地表處粘性土?xí)蛏下∑穑坏叵律钐幨苌细餐劣绊懀鼗林饕驑吨軘D密，使樁側(cè)地基土原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，周圍地基土也受到一定的擾動(dòng)影響，同時(shí)，對(duì)于軟土地區(qū)所存在的厚層飽和粘性土，由于其排水性差，導(dǎo)致該軟弱粘性土層瞬間排水固結(jié)不明顯，靜壓樁的貫入時(shí)所產(chǎn)生超孔隙水壓力，而在貫入后樁周孔隙水壓力緩慢消散，樁周地基土在自重影響下再度固結(jié)，致使樁側(cè)受到負(fù)摩阻力的影響，因此，預(yù)制樁施工產(chǎn)生異常沉降，其主要原因要從擠土效應(yīng)及場地地質(zhì)情況因素2方面進(jìn)行分析。

3.1 擠土效應(yīng)因素[4]

海相軟土地基其淺部分布有厚層的飽和粘性土及淤泥質(zhì)土，其土性軟且含水率高，當(dāng)預(yù)制樁貫入上述軟弱粘性土層時(shí)，土中水分受到空間壓縮，隨著樁身侵入土體的空間增加，孔隙水壓力逐漸增大直至形成超孔隙水壓力，從而改變土體結(jié)構(gòu)特性并導(dǎo)致土體變形，超孔隙水壓力尋求釋放空間，其一般從上部或側(cè)面?zhèn)鬟f，形成地表隆起或?qū)M向土體造成擠壓，在此過程中，土體的位移容易將多節(jié)預(yù)制樁一同向上拉伸或側(cè)向擠壓，造成接樁位置拉裂。或使樁尖脫離持力層。因此擠土效應(yīng)對(duì)已經(jīng)施打的預(yù)制樁的影響主要表現(xiàn)為樁身傾斜及樁身上浮。

經(jīng)查閱施工記錄發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常沉降的試樁214號(hào)、164號(hào)施工日期均較早，施工日期為2016年9月20日，而其周邊的工程樁則在一周后進(jìn)行施工，該施工流程未按打樁順序，使前期施工的基樁受到垂直擠壓而形成浮樁，而上述2根試樁分別在1 056 kN,1 320 kN時(shí)發(fā)生異常沉降，而繼續(xù)施壓后，在隨后的幾級(jí)荷載作用下，Q—s曲線呈收斂趨勢(shì)，并在最大試驗(yàn)荷載作用下達(dá)到沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，且經(jīng)過試驗(yàn)前后的低應(yīng)變檢測(cè)，樁身完整性均為Ⅰ類，因此推測(cè)試樁214號(hào)、164號(hào)因擠土效應(yīng)樁身被抬起，樁尖脫離了持力層，形成浮樁。試樁56號(hào)施工日期靠后，為2016年9月28日施工，其周圍的工程樁亦同時(shí)施工，且在后來的靜載荷試驗(yàn)中也可看出，該試樁在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下沉降量較小且較均勻，其承載力亦滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 場地地質(zhì)情況與環(huán)境因素

根據(jù)擬建場地的勘察報(bào)告揭示，擬建場地內(nèi)分布有厚層的軟粘土層，③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉性土，其孔隙比為1.174，含水率為41.8%，垂直向滲透系數(shù)為1.57e-06，④層淤泥質(zhì)粘土，其孔隙比為1.405，含水率為49.9%，垂直向滲透系數(shù)為1.50e-07，⑤1層粘土其孔隙比為1.179，含水率為41.5%，垂直向滲透系數(shù)為8.13e-08，上述三層地基土均為高壓縮性軟粘土層，靈敏度高，且從垂直向滲透系數(shù)可以看出，上述土層不易排水。

根據(jù)本工程場地地質(zhì)情況并結(jié)合施工情況，在樁基大面積施工的情況下，場地內(nèi)軟粘性土中的孔隙水壓力來不及消散，從而在土體里形成超孔隙水壓力，導(dǎo)致土體向地面隆起，并使先期施工的工程樁產(chǎn)生上浮，形成和持力層脫開的情況。

4 結(jié)論與建議

通過上述情況分析，得出如下結(jié)論，并提出相關(guān)建議：

1)通過本次試驗(yàn)，可以看出，PHC管樁在單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果中Q—s曲線及s—lgt曲線中間某級(jí)壓力下出現(xiàn)異常的沉降量時(shí)，有較大原因是基樁上浮或脫節(jié)造成的。

2)試樁沉降異常的主要原因?yàn)閿D土效應(yīng)。

3)在海相軟土地基上施工，孔隙水壓力本就是難以克服的工程問題，因此施工單位應(yīng)采取有效措施，防止因沉樁速率過快，導(dǎo)致孔隙水壓力升高，導(dǎo)致土體隆起或側(cè)向擠壓，對(duì)基樁產(chǎn)生不利的影響。

5 結(jié)語

隨著建筑市場的競爭日漸激烈，施工企業(yè)均希望通過縮短施工周期來完成更多的工程量，以便取得更高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，而在本工程實(shí)例中，施工方通過試樁與工程樁平行施工的方式，希望在工程樁施工結(jié)束時(shí)，就可取得靜載檢測(cè)結(jié)果，從而未考慮PHC管樁帶來的擠土效應(yīng)，導(dǎo)致試樁上浮，靜載試驗(yàn)結(jié)果異常，并影響工程進(jìn)度。在此，筆者認(rèn)為嚴(yán)格遵照施工順序是保證工程質(zhì)量的重要手段，若施工企業(yè)需縮短工期，必須進(jìn)行可行性論證并采取有效措施，以確保工程質(zhì)量的可靠性。