预应力混凝土管桩基础质量缺陷处理

1、PHC预应力混凝土管桩基础质量缺陷处理江苏建科建设监理有限公司（210008）郝 为 峰【摘 要】高强混凝土预应力管桩具有卓越的工程性能，广泛应用于高层建筑基础。但由于设计、施工等原因，质量问题也较多。本文介绍了某大楼管桩基础施工中所存在的质量问题、处理工艺及处理过程、质量检测和鉴定方法以及施工质量验收等，分析了管桩基础质量问题的产生原因，提出了管桩基础设计施工中应注意的若干事项。【关键词】预应力管桩基础 质量缺陷 缺陷处理工艺和过程 混凝土填芯 投石注浆钢管桩补强 质量检测华东地区某行政中心大楼，混凝土预应力管桩检测过程中，发现桩身不同位置出现裂缝、错位、桩中桩等质量问题和质量缺陷，经过多次

2、专家论证，采取了管桩芯混凝土补强、管桩芯投石注浆、地基土压密注浆、增补钢管桩等措施，最后经各项检测和联合验收，达到了设计和规范要求。一、工程概况及桩基础设计指标该行政中心大楼建筑面积9.82万平方米，钢筋混凝土框架-筒体结构，裙房部分为3层、高度18.47m，主楼部分为22层、高度109m，地下室为2层基底标高-7.85m。工程桩总数量为1306根，其中主楼区为群桩（桩距2m）共计938根，裙房区为承台桩共计368根。抗压桩采用预应力混凝土管桩（PHCAB600-110*10），按照上海市建筑标准图集先张发预应力混凝土管桩制作，桩身强度等级C80，主楼桩长31m裙楼32m，单桩承载力特征值23

3、00KN。抗拔桩为预制钢筋混凝土450×450mm方桩，桩身强度等级C40桩长32m，单桩承载力设计值900KN。设计桩端持力层为粉土类，桩端入持力层深度23m，施工质量控制以标高为主、锤击贯入度为辅。二、桩基础施工方案及施工过程1. 桩基础施工方案根据工程地质条件和当地政府建设文明施工现场的有关要求，本工程预应力混凝土管桩以静压为主锤击为辅方法施工。即：大部分管桩采用静压法施工，以降低噪音和震动，减少施工对周围环境的影响；土层较为复杂的局部区域，为增加沉桩的穿透能力采用锤击法施工。打桩机械采用3台JNB900型全液压静压桩机、1台D80型柴油锤桩机。2. 施工过程简述施工试桩采用静

4、压工艺，经单桩极限承载力静荷载试验，最大荷载值均不小于5759 KN，对应的桩顶沉降位移量为19.00mm。根据试桩结果，设计单位确定单桩承载力特征值为2300KN。Page 1 of 6工程桩于试桩检测合格后，按照经批准的施工方案进行静压桩和锤击桩施工。沉桩过程中，无论静压桩还是锤击桩都出现了少数桩达不到设计标高的情况，而其它指标如静压桩压力值（34505700 KN）、锤击桩贯入度（最后3阵贯入度25cm/击）均满足要求。施工单位请示设计单位意见，设计单位回复沉桩以标高控制为主，尽可能压至设计标高。根据现场情况，施工单位提出下述方案：1）静压桩不能压至设计标高的，改由锤击桩施工；2）锤击桩

5、不能施工至设计标高的，采用预引孔方案施工，即减少桩身摩阻力保证沉桩至设计标高。由于预引孔方案涉及到部分费用，而施工合同价又是固定总价合同，故业主不同意支出合同外额外费用，方案改为使用大功率锤击桩机施工。 三、桩基础检测及缺陷桩情况 1. 桩基础检测工程进入土方开挖阶段，随土方开挖进度检测单位对桩基础进行了桩身完整性（低应变）检测，检测结果如下：主楼部分（工程桩总数938根）低应变检测总数925根，低应变检测发现缺陷桩（类、类）78根，桩中桩5根，共计缺陷桩83根，缺陷桩占主楼总桩数的8.8；裙楼部分（工程桩总数368根）低应变检测总数238根，低应变检测发现缺陷桩5根，低应变缺陷桩占主楼检测总

6、数的2.1。在小应变桩身完整性检测基础上，还进行了大应变检测。大应变检测表明，部分桩基础虽小应变判为类、类桩，但桩基础承载力满足设计要求。 2.桩清孔摄像检查、缺陷具体情况在小应变、大应变检测基础上，为进一步查明缺陷桩伤损情况、制定缺陷处理方案，根据专家论证意见，对缺陷桩进行清孔、抽水并摄像检查。根据摄像资料，缺陷桩伤损主要有一般裂缝、断裂处错位、断裂处涌砂、桩身弯曲、桩中桩、桩身明显下沉等情况，列表介绍如下：四、桩基础质量问题原因简析Page 2 of 6本工程的类、类缺陷桩高达8.8%，在当地甚至华东地区也是绝无仅有的，故有必要对管桩基础缺陷产生的原因进行分析和探讨。当然，管桩基础出现裂缝

7、、错位等质量缺陷的原因很复杂，笔者试结合本工程实际，从设计、施工两个角度做下述分析。1. 设计角度应考虑的问题本工程主楼群桩的设计间距为2.0m，即3.33倍管桩直径。暂且不论2.0m桩间距是不是基础设计必须的，单据以往工程经验，应该说2.0m间距对于600mm管桩而言间距是比较偏小的。管桩属于挤土类桩基础，特别是大桩径小间距管桩基础，挤土量量很大、挤土效应明显，挤土效应产生的水平推力对桩身的破坏性很大（见后述），可能导致桩基础缺陷产生。所以，在满足结构计算和规范规定、确保结构安全的基础上，尽可能考虑施工因素，不能把安全系数定得过大，从而给施工造成困难。2. 挖土机械的影响管桩基础施工完毕后，

8、土建施工单位即进行土方开挖，开挖方案按照常规方法进行。选用反铲挖掘机和推土机配合施工，推土机由基坑西侧向东侧推土、挖掘机在边角处配合，土方分层开挖至桩顶标高上300500mm，之后推土机退出，剩余土方由人工配合挖掘机施工。上述开挖过程，对管桩质量可能产生的影响简析如下：1）工程地基土多为压缩性较高淤泥质土、松散性粉质砂土，加之基坑降水效果不佳，土体压缩性和流动性较大。推土机行走时与管桩顶部的实际距离，可能不足规定；同时推土机行走还给土体施加了一水平推力，土体可能把这种推力传递给附近桩基础，一定程度上构成了管桩缺陷产生的原因。2）由于基础底板分布有电梯坑、水坑等下沉构件，而沉桩标高是统一的，实际

9、上“坑中坑”开挖是在桩间进行的。由于挖掘机操作工水平不高，加之坑深较大、截桩不及时等，挖掘机抓斗在挖土过程中难免碰撞桩身。由于管桩为薄壁结构，在外部水平推力作用下，极易产生裂缝及断裂情况，直接导致管桩基础质量缺陷的产生。3. 淤泥质土产生水平力工程勘察报告显示，主楼西段淤泥层较薄地质情况相对较好，东段淤泥层较厚地质情况相对较差，之后地下室开挖也证明了这一点。从小应变检测情况分析来看，类、类桩数量西段比东段要少得多，这也说明淤泥质土挤土产生的影响较大。淤泥质土的不排水抗剪强度较低，具有弱渗透性和不排水时压缩性低的特点。管桩沉入地基土后，四周土体受到强烈扰动，主要表现为径向位移，桩尖桩周一定范围内

10、的土体受到不排水剪切及很大的水平挤压，桩周土体接近于非压缩状并产生很大的剪切变形。此时地基土扰动重塑土的体积不会产生变化，土体颗粒间空隙内的自由水被挤压，形成较大的超静孔隙水压力，降低了土的不排水抗剪强度，促使桩周临近土体在沉桩过程中，向桩周发生较大的侧向位移和隆起。空隙水向四周消散及地基土体低压缩性的影响，以及群桩施工中叠加效应，进一步扩大位移和隆起的影响范围，由于用于压桩的设备重达Page 3 of 6500余吨，且桩机行走时路基箱与地面接触面较大，土体向上隆起受到限制，只能在场地以下水平方向挤土，对已沉入的桩体（特别是未达到标高的桩体）产生水平推力作用。 由于混凝土抗拉强度低于其轴心抗压

11、强度，所以钢筋混凝土翘曲时首先将在截面受拉侧开裂并趋于破坏。特别是抗弯刚度EI值较大的大直径桩，因为它在较小的变形时将产生较大的应力，故可能在较小位移和转角的变位下发生截面受拉破坏。4. 坑中坑周边土压力如前所述，基础底板上分布有多个电梯坑、积水坑，其中电梯坑深度达8m以上。坑坑中的开挖，虽然也采取了一定的支护措施（如采用锚杆或土钉墙等），但一般是边开挖边支护或者说是先开挖后支护，土的侧压力实际上已施加给坑边桩基础（如下图所示）。如果这种侧压力较大，加之支护措施不到位，就可能致使桩身出现裂缝、错位等质量缺陷。5. 打桩控制方法的选择本工程成桩控制指标，过分强调了“摩擦桩以标高控制为主”的原则，

12、甚至在压（打）桩不下情况下，还一再坚持标高控制，犯了教条主义错误。按照工程经验，预制桩施工应以设计桩端标高为成桩标准作为主要控制指标，同时辅以最后贯入度作为参考指标,来进行施工控制。确定成桩指标因素很多，对于本工程而言主要参考管桩压力值、单桩承载力设计值、最后贯入度、每米沉桩锤击数、最后1 m沉桩锤击数、桩基进入持力层的深度等，而不是标高一种控制指标。五、缺陷桩质量处理方案及处理程序缺陷桩数量如此之多，不能满足工程结构安全要求，必须采取措施进行质量处理。而桩基础的缺陷类型又互不相同，质量处理也较为复杂，结合以往类似工程经验，并经专家会议讨论，决定采取下述方案进行缺陷桩质量处理：1. 对小应变检

13、测的缺陷桩，不论大应变承载力是否符合要求，均进行填芯处理，处理范围为裂缝（错位）位置下5m至桩顶，针对不同缺陷类型，质量处理分为钢筋笼混凝土填芯、插筋投石注水泥浆、管桩外地基土注水泥浆等；2. 填芯混凝土至龄期后，再进行小应变、大应变检测，检测合格则判为合格桩，仍有缺陷的按废桩论处；3. 已经判为废桩的5根桩和填芯后再检测仍然有缺陷的桩，由设计院考虑补桩，考虑到工期影响、地基土特征、现场状况（基坑开挖支护结束，垫层混凝土浇筑完桩头外露，大型打桩机械不便行走）等因素，选用锚杆静压钢桩(477*14*31000mm/Q345B)为补桩桩型；4. 锚杆钢桩采用反力架施工，即在基础底板上预留锚栓固定反

14、力支架，支架横梁与钢桩之间放置千斤顶，利用千斤顶行程顶进钢管桩；5. 确定补桩位置和数量后，在基础底板内预留补桩孔，补桩孔呈下大上小的棱台楔状，结构受力合理；6. 预留补桩孔后即进行基础底板施工，增补钢桩在地下室和主体结构施工期间穿插进Page 4 of 6行，不影响工程工期。六、缺陷桩的处理主要工艺1. 管桩内清孔管桩内清孔采用高压水冲洗桩内土体、水泵抽水的方法进行，正常清孔较为简单，施工难点主要有以下几个方面：遇到高压水不能肢解的坚硬物质、部分桩抽水后或抽水过程中产生涌水涌砂等，分别叙述如下：1）遇到高压水不能肢解的坚硬物质，根据其深度位置不同，分别选用下述方法处理：如果坚硬物质深度不大（

15、3m以内），采用挖土、截桩方式清除，之后继续采用冲洗、抽水方法清孔；如果坚硬物质深度较大，已超过裂缝深度时可停止清孔；如果坚硬物质深度较大，清孔不能超过裂缝深度情况，视具体情况而定，不得以可停止清孔，以免对管桩造成其它伤害。2）由于部分桩裂缝过大和错位，桩内抽水后或抽水过程中产生了涌水涌砂现象。涌水涌砂情况下处理方法为：停止抽水保持管桩内外压力平衡，避免桩外土体大量进入桩内，桩侧摩擦力削弱承载力下降；继续注入高压水使桩内水自动溢出，直至清孔完成，并使桩孔内泥浆比重较低（主要是降低含泥量，保证投石注浆加固效果）。2. 填芯补强填芯补强根据缺陷具体类型，采用了三种形式：一般性裂缝的缺陷桩，清孔较为

16、顺利，清孔完毕后按照清孔深度，放置钢筋笼、浇筑C40混凝土；清孔遇到障碍物的缺陷桩，障碍物以上参照前述方法钢筋混凝土补强；断裂错位、桩身弯曲的缺陷桩分上下两段处理，下段采用插钢筋投石注浆处理，上段采用钢筋混凝土加固；断裂涌砂的缺陷桩，由于桩孔内有大量的水，采用插钢筋（笼）、投石注浆方法补强；桩中桩类型的缺陷桩已判为废桩，为有限利用其作用，凡上段可清孔的，也进行投石注浆处理。3. 预留补桩孔补桩孔预留也是一个重要环节，由于预留孔必然要切断底板钢筋，施工中采用了下述方法处理：考虑到孔底切断钢筋难以在以后恢复，在孔底用30mm厚Q345钢板制作了800*800*400mm钢框，被切断底板钢筋在其四周

17、焊接，充分保证了结构安全；钢框以上采用支模板预留，上部切断钢筋考虑在补桩后恢复，桩孔四周钢筋接头均加工成螺纹，包覆严密后浇入混凝土。考虑到后浇的桩孔混凝土必须保证底板不渗漏，桩孔四周模板留置企口凹槽；还考虑到桩孔混凝土实际上就是后补桩之承台，如前所述把桩孔留成下大上小倒瓶塞状的棱台楔，保证结构受力合理。4. 预留孔混凝土浇筑由于地下水较高，原有降水设施很难有效保留较长时间，所以预留孔混凝土浇筑的难点是如何排除预留孔积水。采取方案如下：底板混凝土浇筑前，桩孔处预留抽水管道，抽除积水时把水泵与预留管接驳即可；为有效防止地基土随抽水流失，造成桩基础承载Page 5 of 6力损失，在静压锚杆钢桩桩头位置铺填一定厚度碎石，利用碎石压制地基土流失。七、桩基础工程质量验收缺陷桩填芯补强完成后，委托检测单位对桩身质量进行的低应变检测（主楼99.25%、裙楼64.6%）和