傾斜PHC 管樁的處理方法及剩余承載力研究

何稼超

（同濟大學，上海市 200092）

0 引 言

近年來，我國的基建事業發展迅猛，基建項目遍地開花，基建中有許多民生保障類項目。這些項目的特點無一例外都將工期作為主要的控制因素。預應力高強混凝土（PHC）管樁以其施工速度快、造價低廉、沉樁質量容易保證等諸多優勢，在這類工程建設中大量采用，且效果良好。

但是，在我國很多地區，由于其場地土質偏軟，在工程實施過程中，容易導致預應力混凝土管樁樁體出現傾斜、偏位、彎曲、裂縫，甚至斷樁等情況的發生。這些情況發生的主要原因總結如下：樁尖、樁頭制作的偏差、大面積高密度的群樁基礎引起的擠土效應、基坑圍護出現邊坡滑移等。此類樁基質量問題引起的后果相當嚴重，會對建構筑物的安全性帶來威脅。因此，如何科學合理、正確評價有缺陷的工程樁的剩余承載能力，或通過合理的處理手段使其基本恢復原有的承載能力，是工程實踐中經常面對的問題。這類問題處理得當，對工程有著實際的重要意義。

1 工程及地質概況

沿海某市污水廠的改擴建工程，其初沉池直徑40 m，池體高度5.5 m，中心筒位置再落深3 m，是典型的鋼筋混凝土圓形水池結構。

擬建場地屬浙東南沿海濱海相沉積平原地貌類型。勘探深度范圍內地基土主要為5 個工程地質層。從上至下依次為：①0雜填土、②1含粉砂淤泥、②2淤泥、③2黏土、④2粉質黏土、⑤2粉質黏土。各層土的基本物理力學參數見表1 所列。

表1 初沉池位置地質土層情況一覽表

由于池底持力層土性較差，承載能力嚴重不足，加之地質淺層有高厚軟土，基礎設計采用高強預應力混凝土管樁（PHC 管樁）。

根據分析和計算，樁端持力層取④2粉質黏土層，設計采用直徑600 mm 的PHC 管樁，型號AB110，樁長50 m，單池布樁166 根。單樁豎向承載力特征值600 kN，無抗拔承載力的要求。

2 工程樁實施情況

由于該項目用地緊張，工藝平面布置時，初沉池與生物反應池的基坑相距僅5 m，初沉池的底板高于生反池基坑底4 m 多，由于生反池基坑開挖時，未有妥當的圍護措施，加之邊坡開挖深度內的雜填土和含砂淤泥土性過于軟弱，生反池基坑靠近初沉池側出現土體滑移現象，造成初沉池靠近生反池較近的已完成沉樁的工程樁共計有54 根出現不同程度的傾斜，樁頂明顯向生反池側傾斜，最大樁頂偏位達95 cm。

樁基布置及樁頂偏位示意圖見圖1 所示。

圖1 初沉池樁基偏位圖

3 工程樁偏位分析

沉樁時施工正常、后期土體滑移造成的工程樁偏位，符合德比爾（De Beer）所說的“被動樁”概念，即承受由樁周土水平位移所產生水平荷載的樁。此類樁會隨著樁周土的水平運動，樁身繼而產生傾斜、撓曲變形，樁的水平位移可達到開挖深度的1%～2%，甚至更大。根據德比爾和沃拉斯（De Beer and Wallays）等對承受土體水平運動的樁的現場試驗成果，軟粘土地基側向流動引起的作用于樁上的側向壓力很大，足以使較大尺寸的樁產生變形，甚至破壞[1]。

經分析判斷，土體滑移造成樁頂偏位意味著工程樁可能出現如下缺陷：

（1）樁身未損壞、樁整體傾斜；

（2）樁身出現裂縫、樁整體傾斜；

（3）樁身出現裂縫、樁出現整體撓曲；

（4）樁身彎折及出現斷點（斷裂），折點（折斷）位置的上部樁身傾斜、下部略有傾斜或基本保持豎向。

情況（1）和（2）的樁身保持直線完整性，無彎折現象，但存在豎向傾斜角。情況（3）的樁身往往較長，比較柔，由于撓曲后其曲率半徑的存在，樁身會有附加彎矩。情況（4）的樁折點（折斷）位置一般在土層滑移深度下方的樁身彎剪力最大處、或樁身薄弱處（接樁處），上部樁往往由于傾斜率過大，且與下部有折（斷）點，容易使整根樁基本失去承載能力。

樁整體傾斜、撓曲變形或樁身出現裂縫、樁身折斷均會造成工程樁的承載能力降低。從工程應用實際和安全出發，人們最關注的是已偏位的工程樁是否還能滿足工程需要，缺陷樁的剩余承載能力或者其經過修復后是否還能滿足設計要求，這是迫切需要解決的首要問題。

4 檢測結果

4.1 樁身完整性檢測結果

在54 根偏位樁中，共存在I 類樁3 根，II 類樁19 根，III 類樁32 根，無IV 類樁。

根據《建筑基樁檢測技術規范》定義，I 類樁樁身完整。II 類樁指樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結構承載能力。III 類樁指樁身有明顯缺陷，對樁身結構承載力有影響。無IV 類樁意味著工程樁未出現樁身折斷等嚴重影響結構承載力的情況。

4.2 樁身垂直度檢測結果

按照工程樁偏位值，結合樁身完整性檢測結果，共選取了8 根樁作傾斜率（角）測定。結果詳見表2所列。

表2 樁身垂直度檢測結果一覽表

4.3 檢測結果分析

分析上表中具體數值可以得出的基本結論是：

（1）偏位樁一般均存在樁身垂直度的問題，有一定的傾斜角。

（2）偏位數值和樁身完整性無必然聯系，即不存在偏位值大的樁其完整性一定就差。

（3）接樁處一般為樁身薄弱位置（表中缺陷深度的位置基本同上部單節樁長，只有樁號310 例外），當樁受上部土體滑移影響，接樁處承受彎剪能力弱于樁身。

（4）偏位值和樁身傾斜角無明顯對應關系，即不存在偏位值大的樁其傾斜角就大。

（5）基本無樁身彎曲現象。

5 處理思路

由于現行樁基規范僅對錘擊沉樁時，樁的插入垂直度偏差有不得超過0.5%的要求（折算傾斜角為0.28°），未對沉樁后的樁身垂直度定出允許的偏差值。其定義的II 類、III 類樁對承載能力的影響，一般認為是指樁身基本垂直情況下的結論。該工程受生反池基坑滑坡影響，樁身發生傾斜偏位，傾斜角度一般在2.5°～4.1°之間。當樁身傾斜超過一定角度后，樁的承載能力會有影響。為保證工程的安全性，必須正確評估傾斜角與基樁承載力損失的關系。

（1）對傾斜角與基樁承載力損失的關系進行研究分析；

（2）采用靜載試驗抽樣驗證上述評估結論；

（3）根據現狀樁的實際位置對初沉池底板內力和配筋進行復核計算。

6 樁身傾斜角與基樁承載力關系的理論分析

樁身發生傾斜對豎向荷載下基樁承載力的影響主要有三個方面：沉降值、樁身彎矩和樁身剪力。

對于承受豎向荷載的傾斜樁，其承載能力的特性國內外均有一定的研究。他們一般采用的試驗方法是室內模型測試，理論分析采用巖土專業的有限差分軟件FLAC3D。

鄭剛等[2]人的研究結論是：存在著基于樁身傾斜度對樁頂沉降影響的沉降影響門檻值和對樁體破壞模式影響的破壞模式門檻值。即當樁體傾斜角小于門檻值時，其在相同豎向荷載作用下樁頂沉降的值小于豎直樁，其豎向承載能力不低于豎直樁。當樁體傾斜角超過相應的門檻值時，其沉降會大于豎直樁，豎向承載能力小于豎直樁。他們給出的兩者門檻值為傾斜度4%（合2.29°）。土質條件、樁身剛度和強度、樁頂約束條件等都會影響該門檻值大小。在軟土地質中，門檻值有所增大，其中沉降影響門檻值為傾斜度5%（合2.87°），破壞模式門檻值為傾斜度4%～5%。

蘇子將等[3]分析了軟土地區中承臺下樁基的傾斜度對豎向荷載承載力的影響。該研究以樁基沉降40 mm 時的荷載作為容許承載力，即僅研究傾斜度與樁頂沉降的關系來評判豎向荷載作用下的樁基承載力，結論是：在傾斜度0°～12°范圍內，容許承載力隨傾斜度成正比；超過12°時，隨傾斜度增大容許承載力逐漸減少。

上述兩項研究的結果差異較大，仔細分析一下，形成這個結果的原因有：

鄭剛等人研究的對象為模型樁，樁頂端無約束，為自由狀；試驗土體采用砂土；研究的內容為樁頂沉降和樁身彎曲破壞兩個方面。蘇子將等人研究的是工程樁，樁徑1 200 mm，樁長71 m，單個承臺下有11 根樁，可以理解為樁頂有約束的群樁基礎，樁周土為淤泥、粘土和圓礫石；研究的內容僅為樁頂沉降。

樁彎曲后，樁的豎向極限承載力會減少。這一點，在國外也有相同的研究成果。根據瑞典規范，當樁的彎曲曲率半徑由400 m 到100 m 范圍變化時，規定其容許承載力線性地減少到零[1]。

胡文紅等人[4]進一步的研究表明，決定傾斜樁的豎向極限承載能力的往往不是沉降大于容許值和樁體的剪切破壞，而是樁身最大彎矩超過樁身極限抗彎強度而造成的破壞，即當豎向荷載達到一定數值后，樁身彎曲破壞模式（剪切力往往小于樁體極限抗剪強度很多而基本不會發生破壞）的（傾斜度）門檻值要低于沉降門檻值。

另外，鄭剛等人研究的另一個結論是：（相同）豎向荷載作用下樁身截面彎矩隨傾斜度的增加而逐漸增大，彎矩最大值發生在距樁頂端2.5～3.5 m 范圍內。這一點與胡文紅等人研究的結果：不同豎向荷載作用下傾斜度為5%的樁，其樁身最大彎矩值發生在距樁頂端2.5～3.0 m 處有相似之處。

7 工程傾斜樁處理對策

7.1 理論上的結論

根據上述系列研究成果，結合該單體工程樁的傾斜度數據和樁身完整性檢測結果，理論上可得出下述結論：

（1）在豎向設計荷載作用下，樁頂沉降數值與其它無傾斜角的垂直工程樁基本一致，不會有較大的差異。

（2）由沉樁引起的傾斜樁在豎向設計荷載作用下，樁身剪力與樁體極限抗剪強度相比較小。但由基坑滑移引起的傾斜樁由于存在著土的水平位移產生的壓力，其樁身剪力要大一些。

（3）傾斜樁由于在豎向荷載作用下樁體承受過大的彎矩而導致彎曲破壞，是導致樁極限承載力下降的主要因素。該工程的偏位樁如無初始彎曲應力，應在樁體破壞模式的門檻值以內。

（4）當傾斜樁樁頂存在著承臺、底板等有約束構件時，由于限制了樁頂的水平位移和轉動，樁身撓曲明顯減少，樁身彎矩減少，從而樁的極限承載力不會受太大的影響[4]。

7.2 相應的處理對策

（1）對偏位樁頂端滑移的土體（高度約3 m）進行必要的整平，目的是消除樁頂單側土壓力作用，平衡樁端周圍的土壓力。

（2）對檢測結果為III 類的樁從缺陷處下2 m 到樁頂進行補強處理。

（3）對其它偏位樁在頂端5 m 長度范圍內進行補強處理。

（4）補強方法：采用鋼筋籠灌芯加固。鋼筋籠做法：縱筋為6 根14 mm，箍筋6 mm，間距100 mm，混凝土采用C40 微膨脹細石混凝土。補強的目的是增加樁體的抗彎強度，不減少原有工程樁的豎向承載能力。

（5）偏位樁完成上述灌芯施工10 d 后對III 類樁進行小應變復測，要求達到II 類樁。

（6）小應變檢測合格后，對于偏位在90 cm 以上的樁（共3 根）采用靜載試驗檢測其承載力。

（7）對于偏位在80 cm 以上的樁，采用底板加腋補強（共6 處）。

8 處理結果驗證

按上述方式對偏位工程樁處理后，原III 類樁經小應變復測后，樁身完整性變為II 類。對選取的3 根偏位樁與2 根未偏位樁（正常樁）進行靜載試驗。其沉降值見表3 所列。

表3 沉降值一覽表

從表3 可以看出，該工程偏位的工程樁由于傾斜率不是太大，在進行必要的補強處理后，其承載能力未受明顯影響。對偏位值（傾斜率）更大的工程樁，或偏位后存在一定彎曲應力的樁身，其剩余承載能力是否還能滿足工程要求，是后續更值得研究的問題，并需要實際工程來進行檢驗的。

初沉池施工完成后經過閉水試驗，目前已投入運行一年多，經沉降跟蹤監測，累計沉降1.5 cm 并基本穩定，達到設計要求。

9 結論

（1）沉樁時，因垂直度控制誤差而產生的傾斜工程樁，其樁身一般不存在初始彎曲應力。而由沉樁時，擠土效應或基坑滑坡引起的工程樁傾斜，由于土體水平位移的作用，樁身局部長度會存在一定的初始彎曲應力。

（2）管樁的抗彎極限承載能力較弱，由于局部彎曲破壞導致傾斜，其工程樁豎向極限承載能力減小是最易發生的事故。

（3）依據該工程實際處理結果，在樁身傾斜率7%（合4.1°）以內，如消除或減少樁身周圍土體的不平衡水平應力（消除樁的初始彎曲應力），傾斜工程樁的豎向荷載極限承載能力和沉降值基本同豎直樁。

（4）傾斜樁在豎向荷載作用下，樁身最大彎矩發生在樁頂以下2.5～3.5 m 區段內，對該部分的樁身進行加強處理（如灌芯補筋），提高其抗彎極限能力是必須的。