硬土場(chǎng)地錘擊預(yù)應(yīng)力管樁的擠土效應(yīng)

某硬土場(chǎng)地錘擊預(yù)應(yīng)力管樁的擠土效應(yīng)摘要：某硬土場(chǎng)地中錘擊預(yù)應(yīng)力管樁工程失敗，分析原因主要是擠土效應(yīng)所致。后改用靜壓法取得了成功。關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力管樁錘擊硬土擠土效應(yīng)稀泥靜壓法1工程及地質(zhì)概況某預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)工程，位于xx市龍崗大工業(yè)區(qū)。原始地貌為丘陵剝蝕殘丘，后經(jīng)人工整平。建筑場(chǎng)地呈L型，面積大體約80m×55m，周邊空曠無(wú)物。設(shè)計(jì)樁基采用錘擊AB型C80預(yù)應(yīng)力管樁，分為Ф600、500兩種，壁厚分別為130mm、125mm，單樁承載力特征值分別為2900、2300kN，樁端以全風(fēng)化巖（局部強(qiáng)風(fēng)化）為持力層，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度29~30m，樁中心距約3.3d~4d（d為樁徑）。先開(kāi)挖基坑后施打工程樁，基坑放坡開(kāi)挖，深度約4.5m。基坑邊距樁邊最近約2.5m。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基坑內(nèi)地層自基坑底面起向下依次為：①第四系坡積層（Qdl）粘土：黃紅、褐紅色，含2~5%石英砂礫，夾淺黃色網(wǎng)紋狀粉砂條帶，可塑狀態(tài)，層厚1.6~4.2m，平均3.3m。②第四系殘積層（Qel）粘土：褐黃、紅黃色，由粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化形成。原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，具風(fēng)化不均勻特點(diǎn)，局部混雜風(fēng)化碎屑?？伤軂硬塑狀態(tài)，分布普遍，層厚14.20～18.90m。③石炭系下統(tǒng)沉積巖層(C1)：主要為粉砂質(zhì)泥巖，微粒狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，依據(jù)巖石風(fēng)化程度可劃分為全、強(qiáng)等風(fēng)化二層（帶）。全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖：灰黃、綠黃色，巖石完全風(fēng)化解體，原巖結(jié)構(gòu)清晰可辯，巖芯呈土狀和土夾碎塊狀，遇水浸泡易軟化，風(fēng)化不均，底部巖層夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅴ級(jí)。場(chǎng)地內(nèi)均有分布，層厚9.50～24.00m。強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，鉆探未揭穿。殘積層及基巖各風(fēng)化層均呈漸變過(guò)渡接觸關(guān)系。粘土層滲透系數(shù)K=0.05~0.1m/d。各巖土層天然密度17.9~17.5kN/m3，壓縮模量4.1~3.5MPa，其它物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。場(chǎng)地地下水屬上層滯水或孔隙潛水類(lèi)型，穩(wěn)定水位埋深0.40~1.10m。表1各地層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)土層名稱(chēng)含水量w孔隙比e塑性指數(shù)Ip液性指數(shù)ILQdl32.80.99918.80.31Qel34.51.06318.90.25C136.81.10118.10.452施工過(guò)程及擠土現(xiàn)象2006年3月底至4月下旬，完成基坑開(kāi)挖、護(hù)面、排水、墊層等工作。21日，兩臺(tái)柴油打樁機(jī)采用62#樁錘，分別試打了一條Ф500、600管樁，情況正常，現(xiàn)場(chǎng)確定收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后10擊貫入度20mm。23日正式打樁，均采用3節(jié)樁，圓錐閉口型鋼樁尖。24日下午，施工人員聽(tīng)到已施打的樁孔內(nèi)有異物掉入的響聲，觀察到地面有輕微隆起。25日上午打樁時(shí)聽(tīng)到打過(guò)的很多樁內(nèi)都有響聲，用手電筒照射樁孔內(nèi)查看，多數(shù)樁從第1節(jié)與第2節(jié)接樁處向內(nèi)滲泥，少數(shù)樁在第2、3節(jié)接樁處滲泥，響聲即泥巴被震落到樁孔內(nèi)發(fā)出的。樁孔內(nèi)有積水，少數(shù)樁水位較高，超過(guò)了第1節(jié)樁。樁身環(huán)向裂縫較多，多半出現(xiàn)在第2節(jié)樁上，部分第3節(jié)樁有少量豎向裂縫。少數(shù)環(huán)向裂縫是沿樁全斷面的通長(zhǎng)裂縫。大部分環(huán)向裂縫滲水。多數(shù)樁中下部?jī)A斜，少數(shù)樁接樁處明顯偏斜并錯(cuò)位。地面已打樁區(qū)域及附近有數(shù)條裂縫，最寬約5、6cm，最長(zhǎng)20多米。地面有明顯隆起，高約5~20cm。局部有地下水滲出匯集。遂暫停施工。此時(shí)已施工43條樁。相關(guān)人員對(duì)管樁的質(zhì)量、施工工藝、施工順序等進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。實(shí)際樁長(zhǎng)22~30m，錘擊總數(shù)一般六、七百擊，其中前兩節(jié)一百多擊，后一節(jié)五、六百擊，均為本地區(qū)正常范圍。打樁過(guò)程基本正常，只是第2節(jié)樁進(jìn)尺5~8m開(kāi)始進(jìn)入全風(fēng)化層時(shí)，有走位、跳動(dòng)現(xiàn)象，繼續(xù)進(jìn)尺后恢復(fù)正常，從打樁過(guò)程判斷地質(zhì)情況與巖土工程勘察報(bào)告基本相符。專(zhuān)題會(huì)議研究后決定采取更換管樁廠商、跳打、改用開(kāi)口型鋼樁尖、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量等措施，重點(diǎn)控制施工中的垂直度、焊縫質(zhì)量、接頭同軸度、錯(cuò)位等，同時(shí)采用低應(yīng)變法對(duì)已施工管樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，進(jìn)行施工勘察確認(rèn)地質(zhì)條件有無(wú)異常。施工單位嚴(yán)格采取了上述措施，如采用兩臺(tái)全站儀從相互垂直的兩個(gè)方向?qū)渡泶怪倍冗M(jìn)行了觀測(cè)，控制第1節(jié)樁垂直度偏差小于0.2%；采用了本地區(qū)最好的焊條及高水平電焊工，分兩層施焊接樁，焊縫自然冷卻時(shí)間8分鐘以上等，保證了施工質(zhì)量達(dá)到或超過(guò)相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)程。5月6日、7日又試打了10條開(kāi)口樁及1條閉口樁，打樁一兩天后仍出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。至此，可以認(rèn)為上述現(xiàn)象與施工質(zhì)量或管樁質(zhì)量關(guān)系不大，主要是管樁擠土效應(yīng)所致。已施工管樁平面位置如圖1所示。施工中觀察到，擠土效應(yīng)對(duì)樁的影響分兩種情況：①后施工樁對(duì)已施工樁的影響：后施打的樁下沉過(guò)程中，造成前一條樁下半部分反向傾斜，如圖2(a)所示，入土樁數(shù)越多這種現(xiàn)象越明顯。設(shè)計(jì)人員將某個(gè)承臺(tái)下的Ф600管樁改為Ф500，即樁心距從3.5d改為4.2d，該現(xiàn)象依然存在。如果一個(gè)承臺(tái)同一斷面有3條樁，一般先施打中間樁；施打第2條樁時(shí)，位于中間的第1條樁反向傾斜；施打另一側(cè)的第3條樁時(shí)，中間的第1條樁下半部分再次反向傾斜，如圖2(b)所示。此外，后施打的樁對(duì)已施打的樁有上抬作用。②已施工樁對(duì)后施工樁的影響：后施打的樁貫入過(guò)程中下半部分向已施工樁的方向傾斜，如圖2(c)所示。已入土的下節(jié)樁傾斜后，端面不水平，而待焊接的上節(jié)樁垂直，故上下節(jié)樁環(huán)型接頭板連接不緊密，四周?chē)负蟓h(huán)型端頭板中心仍有空隙。第2、3節(jié)樁之間空隙較大，一般3~5mm，最大達(dá)25mm，第1、2節(jié)樁之間空隙不明顯，但施打后，表現(xiàn)為第1、2節(jié)之間傾斜較嚴(yán)重（開(kāi)口樁由于第1節(jié)基本上被泥水淹沒(méi)，不能進(jìn)行比較）。每個(gè)承臺(tái)第一條樁不傾斜，越后打的樁傾斜的可能性越大。圖1已施工管樁平面布置圖圖2不同施工順序?qū)軜兜挠绊?月5日至8日補(bǔ)鉆了3個(gè)孔進(jìn)行施工勘察，最近一個(gè)孔離某已施工樁距離約2.5m，其余相距較遠(yuǎn)。取土樣、水樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析，與原勘察時(shí)相比無(wú)變化。同時(shí)對(duì)一半已施打的管樁進(jìn)行了低應(yīng)變測(cè)試，檢驗(yàn)成果頗出乎意料：約一半為Ⅰ類(lèi)樁，一半為Ⅱ類(lèi)樁，僅有一條為Ⅲ類(lèi)樁，該Ⅲ類(lèi)樁在第2節(jié)與第3節(jié)樁接樁處有缺陷。本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為類(lèi)似場(chǎng)地低應(yīng)變有效檢測(cè)樁長(zhǎng)一般14、15m，而本工程中第1、2節(jié)樁接樁處深度約為15~18m，且第2、3節(jié)樁接頭處多有缺陷，故低應(yīng)變法不能檢測(cè)到第1、2節(jié)樁接頭處是否有質(zhì)量缺陷。低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果與肉眼觀察到的情況不盡相符，而且低應(yīng)變法不能檢測(cè)到樁身偏斜度，故該檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有作為已施工管樁質(zhì)量評(píng)定的依據(jù)。5月11日至18日，對(duì)該Ⅲ類(lèi)樁（也是肉眼觀察到的第2、3節(jié)樁之間錯(cuò)位最嚴(yán)重的一條樁）采用人工挖孔樁型式進(jìn)行了開(kāi)挖檢驗(yàn)。開(kāi)挖至約3.5m時(shí)發(fā)現(xiàn)樁孔土層明顯變軟，向承臺(tái)中心側(cè)相變?yōu)檐浤?。越向下開(kāi)挖土體越軟，由于開(kāi)挖困難，采取了打短鋼筋超前支護(hù)、將每節(jié)護(hù)壁高度降為0.5m等措施。開(kāi)挖約7m至第2、3節(jié)樁接樁處，此時(shí)向承臺(tái)中心側(cè)早已相變?yōu)榱鲃?dòng)狀稀泥，如圖3所示，施工人員不能站穩(wěn)，沉陷泥中30~40cm。背承臺(tái)中心側(cè)也很軟，人員站上后沉陷約10cm，軟泥與稀泥之間無(wú)明顯界線。檢查管樁，發(fā)現(xiàn)兩節(jié)樁從焊縫處完全脫開(kāi)，第3節(jié)樁平移約30mm，上浮至少20mm。圖3開(kāi)挖檢驗(yàn)樁位置示意圖3原因分析通常認(rèn)為，沉樁過(guò)程中，樁錘對(duì)樁頂連續(xù)施加沖擊荷載后使樁尖刺入土中[1]，樁尖下土體承受樁傳來(lái)的應(yīng)力，初始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞。當(dāng)所受應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，樁尖土急劇變形達(dá)到極限破壞，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，被向下及側(cè)向壓縮擠開(kāi)，形成連續(xù)滑動(dòng)面，樁尖則繼續(xù)刺入下層土中。樁向下位移時(shí)由于摩阻力帶動(dòng)了樁周土向下位移，在樁周土體中產(chǎn)生剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力一環(huán)一環(huán)從樁周向外擴(kuò)散，越來(lái)越弱。在剪應(yīng)力、徑向擠壓力及反復(fù)震動(dòng)等因素共同作用下，樁周土受到擾動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)沿徑向產(chǎn)生不同程度的破壞，按破壞程度從樁周向外圍可分為重塑擠密區(qū)、擾動(dòng)區(qū)及基本不擾動(dòng)區(qū)[2]。土體遭受強(qiáng)烈擾動(dòng)發(fā)生流動(dòng)變形時(shí)，在樁周一定范圍內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，孔隙水壓力消散使重塑擠密區(qū)及擾動(dòng)區(qū)土體得到密實(shí)。本場(chǎng)地土體工程特性遇水浸泡后易軟化，場(chǎng)地地下水水位高，土體飽和，樁周土體結(jié)構(gòu)被劇烈擾動(dòng)后與孔隙水或滯水混合成了稀泥。接樁處滲漏的稀泥應(yīng)是水土充分混合后形成的，與挖樁觀察到的稀泥性狀相同，不像是水流動(dòng)時(shí)帶走細(xì)粒土而形成的泥漿。樁周土在單樁施打過(guò)程中很可能就已經(jīng)部分相變?yōu)橄∧?，證據(jù)是最早進(jìn)行的1號(hào)試樁。該樁直徑500mm，與其它后施打樁相距至少13m，應(yīng)不會(huì)受到后施工樁的擠土影響，其第2、3節(jié)樁接頭處也有滲泥。但并非所有的樁周都產(chǎn)生了稀泥，正如挖樁時(shí)看得的那樣，樁周土軟化程度不同，另外，少數(shù)樁雖從接頭處滲水但沒(méi)有滲泥。觀察到第1、2節(jié)樁接頭處已有稀泥，因接頭一般已進(jìn)入全風(fēng)化巖3~6m，即稀泥底面埋深至少應(yīng)有16~19m。樁端下應(yīng)無(wú)稀泥，原因?yàn)椋撼翗蹲枇τ蓸吨芡羵?cè)阻力及樁端土端阻力組成，在周期荷載、孔隙水壓力等因素作用下，樁周土抗剪強(qiáng)度逐漸降低直至其重塑強(qiáng)度，本工程中部分甚至已呈流動(dòng)狀態(tài)基本失去了強(qiáng)度，樁頂荷載主要由樁端土承擔(dān)，如果樁端土已軟化，必然可以從貫入度等施工參數(shù)中得到體現(xiàn)，而施工過(guò)程中樁端土一直表現(xiàn)為硬土。這也同時(shí)說(shuō)明了稀泥的范圍沒(méi)有超過(guò)3d，因?yàn)楣軜兜闹行木嘁话?.5d~4d，如果稀泥的范圍超過(guò)了3d就會(huì)影響到相鄰樁。此外，某補(bǔ)鉆的勘察孔離已施工管樁約4d，土工試驗(yàn)結(jié)果表明鉆孔土樣并未受到擾動(dòng)。挖樁時(shí)發(fā)現(xiàn)稀泥半徑至少2m，即離管樁表面至少約3d距離，看來(lái)應(yīng)該是多根樁產(chǎn)生的稀泥疊加在一起了。后施工的樁加大了已施工樁樁周土的軟化程度。圖3中開(kāi)挖樁離群樁較近的那側(cè)樁周土已呈稀泥狀，而較遠(yuǎn)的那側(cè)則是軟泥，當(dāng)然，這也許和孔隙水壓力消散及土的強(qiáng)度恢復(fù)有關(guān)系。樁周土軟化及樁端土堅(jiān)硬解釋了樁身傾斜的原因。先施工的樁中部樁周土軟化后，對(duì)樁的約束力變小，后施工樁貫入過(guò)程中的強(qiáng)大徑向擠壓力通過(guò)樁間土傳遞到已施工樁。樁身上部靠近地表的土體由于產(chǎn)生裂縫、隆起等現(xiàn)象，孔隙水壓力消散很快，孔隙水沿樁身或裂縫上升，盡管土體也受到擾動(dòng)，但結(jié)構(gòu)被破壞程度不大，其強(qiáng)度仍較中部高很多，側(cè)向約束仍較強(qiáng)，大大限制了樁頂及樁間土的側(cè)移。先施工樁在兩端相對(duì)固定的情況下，受后施工樁擠土影響中部產(chǎn)生撓曲變形，使樁身出現(xiàn)水平張拉裂縫或使原裂縫加大直至斷裂，斷裂后接樁處出現(xiàn)了水平方向錯(cuò)動(dòng)，使樁身傾斜。后施工樁對(duì)先施工樁的影響隨著入土樁數(shù)的增加有加大趨勢(shì)。同時(shí)，先施工樁由于樁周土已經(jīng)軟化，造成后施工樁擠土有了方向性，后施工樁樁尖更容易向土較軟、約束力較小、即已施工樁一側(cè)偏移，造成樁身傾斜。樁身接頭處的裂縫及其它環(huán)向裂縫，則應(yīng)主要或最早由錘擊壓應(yīng)力在樁端反射回來(lái)的拉應(yīng)力造成的[3]。從樁端反射回來(lái)的拉力波沿樁身上行，與從樁頂下行的壓力波疊加后，在樁身某一部位產(chǎn)生凈拉應(yīng)力。正常情況下拉應(yīng)力也許并不大，但本工程中，管樁貫入過(guò)程中樁頂漸漸不平使錘擊偏心、樁身傾斜后樁機(jī)矯正樁位使樁身受彎、接頭處不嚴(yán)密有空隙、樁身彎曲等因素，都可能造成錘擊應(yīng)力大幅增加。此外，管樁受沖擊荷載時(shí)是處于三向受力狀態(tài)的，樁周土對(duì)樁有壓應(yīng)力，樁周土相變?yōu)橄∧嗪?，圍壓力大大增加，使管樁可承受的拉力降低，在拉?yīng)力作用下，樁身更容易出現(xiàn)裂縫。已施工樁受到后施工樁的水平擠壓、隆土的上浮等因素，使裂縫寬度加大。第3節(jié)樁的少量豎向裂縫，則主要由錘擊壓應(yīng)力反復(fù)作用引起的。4處理方案5月20日，工程相關(guān)各方開(kāi)會(huì)研究下一步施工方案，會(huì)上提出了可嘗試預(yù)鉆孔、降水等輔助沉樁措施，可設(shè)計(jì)變更為排土樁，可采用靜壓法沉樁等。筆者認(rèn)為，沒(méi)有證據(jù)表明預(yù)應(yīng)力管樁不適合本場(chǎng)地，如采用靜壓法沉樁，一可避免了錘擊應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，二是沒(méi)有震動(dòng)擾動(dòng)應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生稀泥，應(yīng)可行，優(yōu)于其它方案。四周邊樁因靜壓樁作業(yè)面不夠，可采用錘擊法施工，因樁數(shù)少且基本為單柱單樁，擠土效應(yīng)不會(huì)對(duì)樁產(chǎn)生太大影響。已施打的管樁，可洗凈樁孔后澆灌C30混凝土，并局部補(bǔ)樁。該建議得到采納并實(shí)施。施工進(jìn)展順利，靜載荷試驗(yàn)及高應(yīng)變檢驗(yàn)結(jié)果正常。該建筑目前已投入使用一年多，情況良好。5結(jié)束語(yǔ)在堅(jiān)硬粘土中錘擊沉樁，通常情況下由于土體抗剪強(qiáng)度高、受擠壓后易產(chǎn)生裂縫有利于孔隙水的消散從而減少了孔隙水壓力的影響程度和范圍等原因，擠土效應(yīng)不太明顯，故沒(méi)有得到在飽和粘性土及砂土中打樁那樣的廣泛關(guān)注和研究。實(shí)際上，在xx地區(qū)，已經(jīng)發(fā)生多起硬土場(chǎng)地錘擊管樁工程質(zhì)量事故。另一起比較典型的案例是某通訊公司工業(yè)廠房錘擊管樁工程，主要地層為花崗巖殘積土，出現(xiàn)了大面積斷樁現(xiàn)象，最后改為了灌注樁。樁周產(chǎn)生深厚的軟泥可能是導(dǎo)致錘擊管樁失敗的因素之一，泥漿阻斷了排水通道，使孔隙水及孔隙水壓力遲遲得不到消散。本工程挖樁表明管樁施工完1個(gè)月后