硬土场地锤击预应力管桩的挤土效应

某硬土场地锤击预应力管桩的挤土效应摘要：某硬土场地中锤击预应力管桩工程失败，分析原因主要是挤土效应所致。后改用静压法取得了成功。关键词：预应力管桩锤击硬土挤土效应稀泥静压法1工程及地质概况某预应力管桩基础工程，位于xx市龙岗大工业区。原始地貌为丘陵剥蚀残丘，后经人工整平。建筑场地呈L型，面积大体约80m×55m，周边空旷无物。设计桩基采用锤击AB型C80预应力管桩，分为Ф600、500两种，壁厚分别为130mm、125mm，单桩承载力特征值分别为2900、2300kN，桩端以全风化岩（局部强风化）为持力层，设计长度29~30m，桩中心距约3.3d~4d（d为桩径）。先开挖基坑后施打工程桩，基坑放坡开挖，深度约4.5m。基坑边距桩边最近约2.5m。根据岩土工程勘察报告，基坑内地层自基坑底面起向下依次为：①第四系坡积层（Qdl）粘土：黄红、褐红色，含2~5%石英砂砾，夹浅黄色网纹状粉砂条带，可塑状态，层厚1.6~4.2m，平均3.3m。②第四系残积层（Qel）粘土：褐黄、红黄色，由粉砂质泥岩风化形成。原岩结构尚可辨认，具风化不均匀特点，局部混杂风化碎屑。可塑~硬塑状态，分布普遍，层厚14.20～18.90m。③石炭系下统沉积岩层(C1)：主要为粉砂质泥岩，微粒状结构，厚层状构造，依据岩石风化程度可划分为全、强等风化二层（带）。全风化粉砂质泥岩：灰黄、绿黄色，岩石完全风化解体，原岩结构清晰可辩，岩芯呈土状和土夹碎块状，遇水浸泡易软化，风化不均，底部岩层夹少量强风化碎块，岩体基本质量等级Ⅴ级。场地内均有分布，层厚9.50～24.00m。强风化粉砂质泥岩岩体基本质量等级为Ⅴ级，钻探未揭穿。残积层及基岩各风化层均呈渐变过渡接触关系。粘土层渗透系数K=0.05~0.1m/d。各岩土层天然密度17.9~17.5kN/m3，压缩模量4.1~3.5MPa，其它物理力学性质指标见表1。场地地下水属上层滞水或孔隙潜水类型，稳定水位埋深0.40~1.10m。表1各地层主要物理力学性质指标番土层名称柱含水何量愈w俗孔隙剖比广e兔塑性指脚数的I窄p誉液性指窝数割I与L篇Q父dl阿32.8膜0.99忧9圆18.8剥0.31侦Q美el斗34.5膨1.06增3披18.9虚0.25煌C云1松36.8则1.10称1坝18.1丈0.452施工过程及挤土现象2006年3月底至4月下旬，完成基坑开挖、护面、排水、垫层等工作。21日，两台柴油打桩机采用62#桩锤，分别试打了一条Ф500、600管桩，情况正常，现场确定收锤标准为最后10击贯入度20mm。23日正式打桩，均采用3节桩，圆锥闭口型钢桩尖。24日下午，施工人员听到已施打的桩孔内有异物掉入的响声，观察到地面有轻微隆起。25日上午打桩时听到打过的很多桩内都有响声，用手电筒照射桩孔内查看，多数桩从第1节与第2节接桩处向内渗泥，少数桩在第2、3节接桩处渗泥，响声即泥巴被震落到桩孔内发出的。桩孔内有积水，少数桩水位较高，超过了第1节桩。桩身环向裂缝较多，多半出现在第2节桩上，部分第3节桩有少量竖向裂缝。少数环向裂缝是沿桩全断面的通长裂缝。大部分环向裂缝渗水。多数桩中下部倾斜，少数桩接桩处明显偏斜并错位。地面已打桩区域及附近有数条裂缝，最宽约5、6cm，最长20多米。地面有明显隆起，高约5~20cm。局部有地下水渗出汇集。遂暂停施工。此时已施工43条桩。相关人员对管桩的质量、施工工艺、施工顺序等进行了全面检查，未发现问题。实际桩长22~30m，锤击总数一般六、七百击，其中前两节一百多击，后一节五、六百击，均为本地区正常范围。打桩过程基本正常，只是第2节桩进尺5~8m开始进入全风化层时，有走位、跳动现象，继续进尺后恢复正常，从打桩过程判断地质情况与岩土工程勘察报告基本相符。专题会议研究后决定采取更换管桩厂商、跳打、改用开口型钢桩尖、严格控制施工质量等措施，重点控制施工中的垂直度、焊缝质量、接头同轴度、错位等，同时采用低应变法对已施工管桩进行质量检测，进行施工勘察确认地质条件有无异常。施工单位严格采取了上述措施，如采用两台全站仪从相互垂直的两个方向对桩身垂直度进行了观测，控制第1节桩垂直度偏差小于0.2%；采用了本地区最好的焊条及高水平电焊工，分两层施焊接桩，焊缝自然冷却时间8分钟以上等，保证了施工质量达到或超过相关技术规范规程。5月6日、7日又试打了10条开口桩及1条闭口桩，打桩一两天后仍出现同样现象。至此，可以认为上述现象与施工质量或管桩质量关系不大，主要是管桩挤土效应所致。已施工管桩平面位置如图1所示。施工中观察到，挤土效应对桩的影响分两种情况：①后施工桩对已施工桩的影响：后施打的桩下沉过程中，造成前一条桩下半部分反向倾斜，如图2(a)所示，入土桩数越多这种现象越明显。设计人员将某个承台下的Ф600管桩改为Ф500，即桩心距从3.5d改为4.2d，该现象依然存在。如果一个承台同一断面有3条桩，一般先施打中间桩；施打第2条桩时，位于中间的第1条桩反向倾斜；施打另一侧的第3条桩时，中间的第1条桩下半部分再次反向倾斜，如图2(b)所示。此外，后施打的桩对已施打的桩有上抬作用。②已施工桩对后施工桩的影响：后施打的桩贯入过程中下半部分向已施工桩的方向倾斜，如图2(c)所示。已入土的下节桩倾斜后，端面不水平，而待焊接的上节桩垂直，故上下节桩环型接头板连接不紧密，四周围焊后环型端头板中心仍有空隙。第2、3节桩之间空隙较大，一般3~5mm，最大达25mm，第1、2节桩之间空隙不明显，但施打后，表现为第1、2节之间倾斜较严重（开口桩由于第1节基本上被泥水淹没，不能进行比较）。每个承台第一条桩不倾斜，越后打的桩倾斜的可能性越大。图1已施工管桩平面布置图图2不同施工顺序对管桩的影响5月5日至8日补钻了3个孔进行施工勘察，最近一个孔离某已施工桩距离约2.5m，其余相距较远。取土样、水样进行土工试验分析，与原勘察时相比无变化。同时对一半已施打的管桩进行了低应变测试，检验成果颇出乎意料：约一半为Ⅰ类桩，一半为Ⅱ类桩，仅有一条为Ⅲ类桩，该Ⅲ类桩在第2节与第3节桩接桩处有缺陷。本地区工程经验认为类似场地低应变有效检测桩长一般14、15m，而本工程中第1、2节桩接桩处深度约为15~18m，且第2、3节桩接头处多有缺陷，故低应变法不能检测到第1、2节桩接头处是否有质量缺陷。低应变检测结果与肉眼观察到的情况不尽相符，而且低应变法不能检测到桩身偏斜度，故该检测结果没有作为已施工管桩质量评定的依据。5月11日至18日，对该Ⅲ类桩（也是肉眼观察到的第2、3节桩之间错位最严重的一条桩）采用人工挖孔桩型式进行了开挖检验。开挖至约3.5m时发现桩孔土层明显变软，向承台中心侧相变为软泥。越向下开挖土体越软，由于开挖困难，采取了打短钢筋超前支护、将每节护壁高度降为0.5m等措施。开挖约7m至第2、3节桩接桩处，此时向承台中心侧早已相变为流动状稀泥，如图3所示，施工人员不能站稳，沉陷泥中30~40cm。背承台中心侧也很软，人员站上后沉陷约10cm，软泥与稀泥之间无明显界线。检查管桩，发现两节桩从焊缝处完全脱开，第3节桩平移约30mm，上浮至少20mm。图3开挖检验桩位置示意图3原因分析塌通常认为育，沉桩过夺程中，桩梁锤对桩顶洒连续施加斧冲击荷载性后使桩尖症刺入土中梦[1]欲，桩尖下委土体承受诵桩传来的莲应力，初雁始应力状智态受到破块坏。当所势受应力超叮过其抗剪汽强度时，幻桩尖土病急剧变形勾达到极限晃破坏，产数生塑性流亲动，被向帮下及侧向圾压缩挤开歪，形成连武续滑动面院，桩尖则知继续刺入思下层土中终。桩向下熊位移时由奸于摩阻力利带动了桩颠周土向下后位移，在捞桩周土体著中产生剪累应力，该杏剪应力一兴环一环从额桩周向外河扩散，越爱来越弱。幕在剪应力现、径向挤绢压力及反强复震动等享因素共同味作用下，辛桩周土受抽到扰动，哭土体结构方沿径向产浪生不同程议度的破坏聚，务按可破坏程度老从桩周向督外围可分键为重塑挤梢密区、扰惹动区及基壮本不扰动持区汉[2]钞。土体遭古受强烈扰偿动玻发捞生流动变爸形时，在旱桩周一定穴范围内产秀生超孔隙丈水压力，贯孔隙水压洋力消散使迅重塑挤密株区及扰动州区土体得帮到密实。羞本场地土币体工程特乔性遇水浸拍泡后易软朱化，场地往地下水水重位高，土享体饱和，种桩周土体首结构被剧背烈扰动后脊与孔隙水峰或滞水混筑合成了稀售泥。接桩气处渗漏的变稀泥应是石水土充分华混合后形胃成的，与蝇挖桩观察逢到的稀泥买性绿状相同，缴不像是水铲流动时带旱走细粒土普而形成的法泥浆。桩梅周土在单辱桩施打过扶程中很可愈能就已经柴部分相变币为稀泥，箱证据是最落早进行的理1或号巴试桩。该裁桩构直同径草500m赢m滚，门与其它后下施打桩相德距至劲少抖13疤m箭，应不会恳受到后施矛工桩的挤探土影响，丈其精第于2种、型3希节桩接头减处也有渗唐泥。但并雕非所有的相桩周都产恰生了稀泥倘，正如挖牌桩时看得教的那样，欧桩周土软笋化程度不烈同，另外扫，少数桩因虽从接头仁处渗水但抽没有渗泥形。聋观察到擦第寿1球、册2成节桩接头柜处栽已有稀泥课，因接头姓一般已进贡入全风化墓岩益3~6m耳，即稀泥社底面埋深腐至少应羊有弊16~1质9轻m悦。基桩端下应毁无稀泥坟，原因掉为劝：指沉桩阻力柔由桩周土付侧阻力及胳桩端土端鸟阻力组成范，在周期祝荷载、孔涝隙水压力书等因素作识用下，桩限周土抗剪倍强度逐渐忙降低直至司其重塑强礼度，本工病程中部分曲甚至已呈孟流动状态慨基本失去俗了强度，液桩顶荷载辈主要由桩名端土承担排，如果桩谋端土已软男化，必然使可以从贯碎入度等施幕工参数中骑得到体现辛，而施工饿过程中桩尿端土一直灿表现为硬困土。这也括同时说明弄了稀泥的策范围没有搏超忆过忠3饲d歌，因为管竖桩的中心笋距一漆般合3.5d惧~4茎d庭，巷如果会稀泥的范塌围超过懒了妻3d菠就会影响士到相邻桩社。拴此外，某醉补钻的朋勘察孔离殿已施工管介桩辨约越4仅d绑，土工试昌验结果表蓄明钻孔土政样并未受传到扰动。柴挖桩时发逐现稀泥半菠径至响少瓜2峡m壮，即离管雕桩表面至阶少好约颈3搁d谨距离，看断来应该是仓多根桩产预生的稀泥蓝叠加在一站起了。后议施工的桩愁加大了已帜施工桩桩泳周土的软拼化程度。渗图窗3骨中开挖桩单离粉群轿桩较近的夺那侧桩周刮土已呈稀狭泥状，而写较远的那届侧则是软论泥贡，当然，洁这也许和窗孔隙水压繁力消散及喘土的强度舅恢复有关害系。呼桩周土软讽化及桩端爹土坚硬解陵释了桩身径倾斜的原达因。先施巨工的桩中壳部桩周土森软化后，俗对桩的约洞束力变小控，后施工亦桩贯入过流程中的强啊大径向挤衫压力通过扩桩间土传贴递到已施晃工桩。桩凡身上部靠前近地表的叹土体由于倚产生裂缝我、隆起等粒现象，孔滤隙水压力跑消散很快腥，孔隙水垃沿桩身或碗裂缝上升个，尽管土炸体也受到逆扰动，但定结构被破喝坏程度不怪大，其强贝度仍较中毁部高很多响，侧向约阴束仍较强辩，大大限磨制了桩顶应及桩间土时的侧移。偶先施工桩阻在两端相匀对固定的核情况下，列受后施工碰桩挤土影尖响中部产泥生挠曲变梢形，使桩炕身出现水蹈平张拉裂伤缝或使原钻裂缝加大容直至断裂结，断裂后楚接桩处出杯现了水平凡方向错动戏，使桩身书倾斜。后兽施工桩对别先施工桩鞭的影响随严着入土桩盯数的增加断有加大趋弟势。同时余，先施工煎桩由于桩社周土已经怜软化，造饺成后施工困桩挤土有却了方向性歌，后施工尾桩桩尖更维容易向土页较软、约滚束力较小迷、即已施鲜工桩一侧惯偏移，造棒成桩身倾疫斜。倾桩身接头乓处灰的巩裂缝及跌其它茂环向裂缝复，桨则鼻应主要或做最早由锤坛击压应力冻在桩端反茫射回来的粒拉应力造摔成的嘉[3]仰。从桩端湿反射回来复的拉力波牵沿桩身上奸行，与从滋桩顶下行段的压力波胶叠加后，扫在桩身某肢一部位产垮生净拉应字力。正常腹情况下拉企应力也许日并不大，范但本工程址中，管桩斧贯入过程个中桩顶渐墙渐不平使乳锤击偏心恰、桩身倾劝斜后桩机揪矫正桩位辱使桩身受照弯、接头去处不严密巩有空隙、不桩身弯曲雷等因素，易都可能造跳成锤击应缎力大幅增叼加。此外贯，管桩受夸冲击荷载踢时是处于脚三向受力孟状态的，颂桩周土对扔桩有压应疫力，桩周容土相变为蓬稀泥后，闪围压力大叼大增加，勉使管桩可耀承受的拉窝力降低，否在拉应力虫作用下，稍桩身更容值易出现裂维缝。已施耀工桩受到监后施工桩懂的水平挤茧压、隆土讽的上浮等徐因素，使砍裂缝宽度耕加大。岂第逼3吨节桩的少宪量竖向裂迎缝，则主闹要由锤击后压应力反照复作用引盐起的。徒4贸仍处理方案努5炉月挥2僻0清日，工程谋相关各方思开会研究竿下一步施炉工方案，创会上提出疫了可尝试门预钻孔、沉降水等辅滚助沉桩措添施，可设贪计变更为披排土桩，僻可采用静歉压法沉桩扎等。笔者棚认为，没侵有证据表逝明预应力召管桩不适到合本场地件，如采用朗静压法沉深桩，一可起避免了锤忆击应力产委生的裂缝蝴，二是没检有震动扰仙动应不会答产生稀泥洞，应可行骂，优于其阻它方案。告四周边桩做因静压桩塑作业面不减够，可采鉴用锤击法震施工，因伟桩数少且抢基本杰为单柱单科桩，挤土干效应不会哥对桩产生议太大影响梢。已施打私的管桩，旱可洗净桩表孔后浇扣灌漆C3膜0含混凝土，躁并局部补盼桩。该建货议芬得到采纳系并实施。扩施工进展能顺利，静材载荷试验爱及高应变府检验结果淹正常。该薪建筑目前珍已投入使悔用访一彻年多，情市况良好。灵5扁却结束语齿在坚硬粘岂土中锤击盾沉桩，通孤常情况下督由于土体饼抗剪强度葛高、受挤笋压后易产页生裂缝有幅利于孔隙贺水的消散武从而减少净了孔隙水熟压力的影歉响程度和宾范围等原迷因，挤土秘效应不太泪明显，故稿没