預應力管樁承載力不滿足要求原因分析與處理方法

郭金雪，劉金波，張 松，李 冰

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

預應力管樁在軟土地層中施工速度快、效率高，可避免頸縮、塌孔等問題，且樁身強度高，成樁質量易控制和檢測，因此得到廣泛推廣和應用。但若地質條件特殊或施工方法不當，盡管工程樁驗收結果為I類完整樁，仍會存在單樁豎向抗壓承載力達不到設計要求的情況。工程技術人員需準確分析承載力達不到設計要求的真正原因，才能有效處理此類管樁的質量問題。本文結合勘察報告、低應變和高應變檢測、Q-S靜載曲線及施工資料分析工程樁承載力達不到設計要求的原因，并給出處理方法和建議。

1 工程概況

某工程共14棟樓，其中9棟為17～18層住宅、5棟為29～31層住宅，地下1層大底盤結構均為剪力墻結構。基礎設計為預應力混凝土管樁(PHC500 AB 125)+承臺+防水板，樁端持力層為強風化砂質泥巖，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000kN。工程樁施工完成后檢測單樁豎向承載力，發現部分樁的單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200/1 400kN，不滿足設計要求。

1.1 工程地質條件

場區地基土自上而下分為6層，各巖土層結構及特征分述如下：①素填土 黃褐色～灰褐色，稍濕～濕， 密實度不均勻，松散～稍密狀態。②粉質黏土 黃褐色～棕褐色，部分場區表層呈黑色、褐色，濕～飽和，可塑狀態為主，局部軟塑，具水平層理與中等壓縮性。③粉質黏土 黃褐色，濕～飽和，可塑～硬塑狀，具有有中低壓縮性。④全風化砂質泥巖 紫紅色，泥質層狀構造；原巖結構基本破壞，巖芯呈土狀，風化強烈，塊狀巖芯用手易捻碎，失水易碎，具有軟化性、崩解性，浸水易軟化，失水易干裂，干鉆易鉆進，屬于極破碎極軟巖。⑤強風化砂質泥巖 紫紅色、暗紫色，原巖結構構造大部分破壞，礦物成分顯著變化，具有軟化性、崩解性，浸水極易軟化、失水易干裂；屬于破碎極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。⑥中風化砂質泥巖 紫紅色，泥質、砂質結構，薄層狀構造；原巖結構構造部分已破壞，以泥質及砂質礦物為主要成分，具有軟化性、崩解性，浸水極易軟化、失水易干裂；屬極軟巖，巖體較完整，巖體基本質量等級為Ⅳ級。

1.2 地下水

場區地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為第②層粉質黏土及第③層粉質黏土，整體水量不大。勘察期間鉆孔揭露場區穩定地下水位約11.500m。根據區域水文地質和當地氣象資料，場區地下水位高程年變化幅度約2.000m，近3～5年場區最高水位約13.500m。

2 檢測結果

2.1 樁身完整性檢測

采用高低應變檢測手段對工程樁進行檢測，結果如下：①低應變檢測報告 檢測樁曲線均正常，樁身無明顯缺陷，評價為I類樁；②高應變檢測報告 檢測樁曲線正常，樁身無明顯缺陷，除部分樁基的單樁豎向承載力特征值<2 000kN外(占總檢測樁數的5.6%)，其余均滿足設計要求。

2.2 單樁豎向承載力靜載檢測

對7號樓部分樁進行復打后，檢測其中2根工程樁。檢測結果顯示，復打后單樁豎向抗壓承載力特征值僅1 200kN，仍不滿足設計要求。

已檢測的單樁豎向抗壓承載力極差的已超過平均值的30%，根據JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》，當極差超過平均值的30%時，應分析原因，不能明確時，應增加試樁數量。因此，增加基樁檢測數量，但仍有2根基樁單樁豎向承載力特征值為1 200/1 400kN，不滿足設計要求。各樓工程樁的Q-S靜載檢測曲線如圖1所示。

圖1 Q-S靜載檢測曲線

3 原因分析

為查明是否為勘察不準確造成的單樁承載力不足，進行補充勘察，結果顯示，除部分鉆孔揭示有中粗砂層外，其余各土層性質與原勘察報告基本一致。根據勘察報告、檢測報告、施工資料等，綜合分析可能引起單樁豎向抗壓承載力特征值不滿足設計要求的原因如下。

3.1 未進入樁端持力層

由基樁標高記錄和附近勘察鉆孔對比發現，可能存在部分基樁持力層較淺的情況。但從施工資料可知，打樁總擊數、每陣貫入度、最后1m錘擊數均滿足設計要求。

中粗砂層可能阻礙沉樁，導致樁端持力層為中粗砂層，無法到達原設計持力層。因此單樁承載力降低比例較小，達不到不合格樁承載力降低比例。雖不排除因中粗砂阻礙導致樁端持力層較淺，進而降低單樁承載力的可能，但該原因并非導致基樁承載力顯著降低的最主要因素。

3.2 樁上浮

受限于場地觀測條件，無法直接獲得后施工基樁對既有基樁標高15d以上的持續影響情況，但復打后的樁承載力不滿足要求，說明和基樁上浮基本無關。

3.3 樁端持力層遇水軟化

1)樁端持力層為強風化砂質泥巖，勘察報告表明該層具有遇水軟化失水崩解的特征。

2)管樁樁端未及時封堵，孔內積水滲入樁端，造成砂質泥巖軟化。現場調查時發現，大部分管樁端部未灌注混凝土進行防滲，空孔內有積水，甚至到孔口。JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》規定，對于樁端嵌入遇水易軟化的強風化巖預應力混凝土空心樁，沉樁后應對樁端以上約2m范圍內采取有效防滲措施。

3)打樁與靜載檢測時間間隔長的樁承載力不滿足要求的概率高，符合軟化規律。統計發現，打樁和檢測間隔超過90d的基樁，承載力大部分不滿足設計要求，部分基樁單樁承載力與檢測間隔差如表1所示。

表1 部分基樁單樁承載力與檢測間隔差

根據高應變檢測報告，對比不合格樁與部分合格樁檢測結果，如表2所示。

表2 不合格樁與部分合格樁檢測結果 kN

1)承載力不滿足原設計要求的基樁，端阻力均明顯小于合格基樁，而側阻力差異不大，說明樁端阻力降低是導致基樁承載力降低的主要因素。

2)承載力不滿足原設計要求的基樁均為施工較早的第1批樁(前后兩批基樁施工時間相差約8個月)，而施工較晚的第2批樁承載力均滿足原設計要求。該特點與靜載檢測樁端軟化的時間效應相符。

根據單樁靜載檢測和高應變檢測結果可知，單樁豎向承載力不滿足設計要求的基樁基本存在基樁檢測與施工間隔時間過長的現象，因此推測樁端軟化具有時效性。

3)不合格樁與合格樁的Q-S靜載曲線對比如圖2所示。由圖2可知，加載前期(Q<2 000kN)累計沉降量很小，此時主要是側阻力發揮作用。隨著加載量的增加，端阻力逐漸起主要作用，此時，不合格樁均產生較大沉降，原因如下：①斷樁 根據低應變檢測結果顯示，所有檢測樁樁身完整性均為I類樁，樁身無缺陷，因此排除該原因；②樁端存在虛土或被軟化，導致樁端產生較大刺入。

圖2 不合格樁與合格樁Q-S靜載曲線對比

10號樓18號樁的Q-S靜載曲線加載至2 800kN 后，每級荷載下的變形均減小，即樁端軟化土被逐步壓密，這是典型的樁端持力層遇水軟化現象。

綜上所述，引起部分樁承載力不滿足設計要求的主要原因是樁端持力層遇水軟化。

由于樁端軟化的時效性、隨機性和軟化程度差異性，可能導致底板開裂、結構開裂、建筑物傾斜等后果，因此需采取相應的處理措施。

4 處理方法

針對14棟樓的施工進度、荷載水平等差異性，給出如下處理方法。

4.1 未施工上部結構建筑物

1)改為復合地基 經現場踏勘，場地不具備較好的補樁條件，考慮到為業主節約工期及造價，在不增加樁數的條件下，采用復合地基方案，充分發揮樁間土承載力，使地基承載力滿足設計要求。

設計方案調整為復合地基方案后，為明確樁間土和復合地基的承載力，需檢測樁間土和復合地基承載力，檢測結果作為復合地基方案的設計依據。

2)改為筏板基礎 將原設計的樁基承臺+防水板方案改為筏板基礎，增強基礎整體性，避免產生差異沉降拉裂防水板。同時考慮樁端軟化的隨機性對筏板內力的影響，通過增設暗梁調整內力。

3)采取防滲措施 為防止樁端軟化加劇，施工時應及時采取防滲措施，如采用微膨脹混凝土填芯。

考慮該項目樁端持力層遇水軟化的特殊性，若仍依據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》規定，中砂、粗砂、級配砂石和碎石作為褥墊層，則無法截斷水源，樁端持力層被軟化的可能性仍存在。因此，將褥墊層改為水泥土，同時考慮施工現場條件，僅在樁頂一定范圍采用水泥土褥墊層，其余樁間土仍采用原狀土，超挖部分使用素混凝土回填。

4)主、裙樓共同作用 主樓與裙樓通過后澆帶分隔，后澆帶范圍內的裙房可分擔主樓部分荷載，因此模型計算時考慮主、裙樓共同作用。為防止主、裙樓交界處應力集中導致筏板開裂，需增強主、裙樓連接處剛度，避免剛度突變，如變截面處采用放坡處理。

4.2 已施工上部結構建筑物

由于無法得知已施工上部結構建筑物的樁端是否存在軟化問題，故加固承臺間防水板，增加基礎整體性，并使樁間土分擔部分荷載，減小樁端可能軟化的影響。

5 結語

1)當已檢測樁的數量不足或極差超過規范要求時，需擴大檢測樁數量。

2)若樁端持力層為浸水易軟化的泥巖，施工時應及時采取相應措施進行封堵，防止樁端浸水軟化導致承載力降低。

3)當基樁承載力不滿足設計要求時，可改變地基基礎形式，如樁基改為復合地基，獨立承臺+防水板改為筏板基礎，充分利用樁間土的承載力。

4)既有建筑對承臺間的防水板進行加固時，應提高剛度，分擔部分荷載。

5)考慮裙房分擔部分主樓荷載，可增強主、裙樓間的連接剛度。