某高层住宅楼PHC工程桩事故分析和处理

某高层住宅楼PHC工程桩事故分析和处理蔡民军1蔡为娟2王耀龙2黄卫2(上海现代华盖建筑设计上海200041)[提要]对某工程中出现的PHC工程桩质量事故，进行了全面详细的检测分析，根据桩基的实际事故情况，对事故采取有效的加固措施，提高桩的质量等级。对整个桩基进行详尽的承载力、沉降量和偏心率计算，根据分析数据采取必要的加桩措施，使其能满足承载力和正常使用极限状态要求，并且把工程损失减小到最低限度。[关键词]PHC桩桩基低应变检测桩芯加固桩基承载力偏心率剪切破坏AnalysisandProcessofAccidentofPre-stressedConcretePile(PHC)inaHigh-riseResidentialBuilding/CaiMinjun1,CaiWeijuan2,WangYaolong2,HuangWei2(ShanghaiXianDaiHuagaiArchitecturalDesignCo.Ltd.,Shanghai200041,ChinaAbstract：Accordingtotherealqualityaccidentofpre-stressedconcretepile(PHC),andbasedonoverallcheckandanalysis,someeffectivestrengtheningmeasurementstoimprovethequalitylevelofthedefectpilearepresented.Basedonthedetailedcalculationofbearingcapacityofpilefoundation,settlementandeccentricity,somepilesareaddedtomeettherequirementsofthebearingcapacityandnormalusedlimit-state.Theengineeringlossisreducedtotheminimum.Keywords:PHC；low-stresscheck；strengtheningofpilecore；bearingcapacityofpilefoundation；eccentricity；shearfailure1工程概况工程建于上海市区西南高档住宅社区。4G2号主楼与会所裙房采用沉降缝断开，主楼地下1层，地上26层，建筑高度83.20m，地下室为停车库，地上层2为商场和办公，层3～26为住宅。其剖面和地下室平面见图1，2所示。图1会所裙房及4G2号主楼A-A剖面图图2地下室平面图工程场地属河口~滨海相冲积平原，场地土层分布平坦，地质年代为全新世Q4和上更世Q3，场地土质为软弱土，地表杂填土以下除层②土较好外，存在很厚的高压缩性粘土和淤泥质粘土层，含水率高，孔隙比大，抗剪强度很低，处于软塑和流塑状态。高层住宅楼采用现浇剪力墙结构，裙房局部采用现浇框架结构，高层主楼桩基选用预应力高强混凝土管桩即PHC管桩，桩长40m，桩径500mm，持力层为⑦1灰色粉质粘土，单桩竖向承载力设计值2100kN，桩数196根。裙房局部桩基选用预制方桩，桩长30m，桩截面400×400，持力层为⑤3灰色粉质粘土层，单桩竖向承载力设计值1300kN，桩数40根。桩基均采用静压法施工，主楼PHC管桩桩顶标高为-5.250m，裙房预制方桩桩顶标高-6.850m，主楼与裙房均采用筏板式承台，筏板厚度1000，地下室混凝土强度C40，抗渗等级0.8MPa。土层情况如表1所示。场地土根本参数表1土层w(%)e〔孔隙比〕Ip〔塑性指数〕IL〔液性指数〕Es〔MPa〕C〔kPa〕〔o〕粉质粘土28.20.81160.444.482221.5淤泥质粉质粘土40.51.14161.253.841318淤泥质粘土50.41.41201.332.281110.5粘土39.51.1217.51.013.091516粉质粘土32.40.9313.90.935.261720粘质粉土夹粘土31.50.9012.80.967.381227粉质粘土33.10.9513.90.894.481920.5砂质粉土夹粉质粘土31.40.9012.60.897.291327砂质粉土夹粘质粉土29.60.85----8.0411292桩基和土方施工情况以及事故原因分析4G2号楼桩基于2003年9月6日开始施工，至2003年10月20日完成。在桩基沉桩施工中有17根工程桩未能压至设计标高，施工中采用堆压荷载和贯入度双控指标。经补充勘察报告分析，由于层⑤2土下部砂性较大、较密实，局部Ps值大于10.0MPa，当沉桩暂停桩接头施工时，停留时间过长会造成后期沉桩困难，另外对桩基中未达设计标高的三根工程桩进行了静载荷检测，检测结果均符合标准和设计要求。2004年2月16日～3月6日对该楼基坑进行土方开挖，此后对桩基进行定位测量和低应变检测时，发现局部PHC桩桩身倾斜，偏位较大，接桩处和桩身处存在断裂或明显缺陷现象，判定出46根Ⅲ类桩，占PHC工程桩的23%，集中分布在该楼北侧邻近的地下车库。最大桩身偏位90cm，表2为桩顶水平偏移及桩倾斜角的情况，从表中可以看出超过标准允许偏差1/2桩径〔25cm〕的比例为63.2%；最大倾斜4o20’，倾斜率根本满足标准要求桩顶水平偏移及桩倾斜角表2桩顶水平偏移(cm)桩倾斜角范围0~1010~2525~40>400~2o2o~4o>4o桩偏移及倾斜根数所占桩总根数比率(%)6.230.637.22674.523.52根据对Ⅲ类桩分布情况以及围护措施和土方施工情况综合分析，认为出现Ⅲ类桩的主要原因如下：1〕4G2号楼基底高于会所地下车库基底，4G2号楼场地与会所地下车库基坑底有6m的高差，在先开挖会所地下车库时，没有采取有效的围护措施；2〕北侧地下车库深于4G2号楼，却先于4G2号楼土方开挖，土方单位挖土时没对4G2号楼进行放坡卸载，而且土方施工车辆来不及清运土方，荷载都堆在4G2号楼地面；3〕地基土剪切破坏形成剪切滑动面，土体推动整个桩基滑向地下车库基坑，造成桩基偏位、3事故处理措施Ⅲ类桩数量多、比例大，而且集中在桩基北侧。从施工企业提供的低应变动测简报分析，绝大多数Ⅲ类桩在桩顶以下1.50~4.0m有断裂现象，个别桩在桩顶以下8m处断裂，桩顶平面偏位大局部在300~500mm范围，个别最大达900mm⑴首先对所有PHC桩及预制方桩进行偏位和桩身质量检测，确定每根工程桩的情况。⑵对全部Ⅲ类桩进行桩芯加固，加固后再作100%低应变检测，检验加固效果。选取9根加固桩作高应变检测，确定加固桩承载力和桩基需加桩数量及桩型。⑶在加固桩检测后，将全部Ⅰ，Ⅱ类桩和Ⅲ类加固桩按实际偏位尺寸，不同的承载力设计值输入计算机进行桩及承载力验算和偏心率计算，并确定加桩的平面位置。⑷提供加桩数量和桩型设计要求，并对相应地下室底板作修改。⑸对加桩进行质量检测，确定桩基加固质量。⑹增加沉降观测点和频次，掌握桩基变形情况。4桩芯加固做法及加固后桩基检测分析2004年4月初开始对46根Ⅲ类桩进行桩芯加固施工(即桩芯内浇筑混凝土)，因桩中心孔被建筑施工垃圾及土堵塞，采用钻探100型钻机对46根Ⅲ类桩进行桩芯钻孔清孔，清孔至每根桩断裂处以下2m，孔底建筑垃圾和土可防止浇筑混凝土时，混凝土下落，有7根桩无法清至探明的断裂处以下2m，其它桩均按要求清孔至设计标高。在300mm桩芯内配置钢筋笼，浇筑C40微膨胀混凝土，浇注过程中，由于10cm的混凝土浇注导管在孔内无法正常提升，以及由于导管直径太小混凝土无法在管内正常流动，与施工方研究施工方案，决定将30cm的管芯视作混凝土浇注导管，用高流动性混凝土进行浇注，将管芯内地下水抽至设计标高，放钢筋笼后，用16m超长振捣棒由上而下进行全过程的振捣。加固后经低应变检测8根桩加固后仍为Ⅲ类桩，且桩位较集中于北侧邻近地下车库处，其余38根桩桩身质量明显改善判为Ⅱ类桩。桩芯加固详图见图图3PHC桩桩芯加固详图因基坑已开挖完成，无法对加固桩进行静载荷试桩，最后决定采用高应变动测进行检测。2004年5月5日对9根加固的Ⅲ类桩进行高应变动测〔图4〕，动测成果见表3，其中124#桩加固后仍为Ⅲ类桩。从高应变动测的数据分析，经桩芯加固后大局部桩身质量明显改善，符合工程桩承载力设计要求。124#桩因桩身加固后未到达设计要求，其承载力略小于设计要求，仍可作为工程桩使用，其设计承载力应降低使用。Ⅲ类加固桩高应变检测成果表3桩号桩长〔m〕灌芯加固施工日期测试日期极限承载力标准值(kN)桩侧摩阻力(kN)端承力(kN)桩身完整性及类别76#39.120203904.23161.4742.9一般、Ⅱ类97#4020204285.73583.0702.7一般、Ⅱ类100#4020203848.13084.9763.2一般、Ⅱ类102#4020204256.53339.7916.8一般、Ⅱ类122#4020204199.23419.3780.0一般、Ⅱ类124#30.920203502.42884.4617.9缺陷有改善但不完全，Ⅲ类130#4020204152.43366.7785.7一般、Ⅱ类161#4020204127.33389.6737.7一般、Ⅱ类189#39.320203961.83490.6471.2一般、Ⅱ类注：原设计单桩极限承载力标准值为3600kN。经对整个桩基进行竖向荷载和水平荷载多种组合工况的承载力分析和建筑物重心与桩基形心偏心率分析，需补桩2根〔图4〕，单桩承载力设计值2100kN，根据实际场地条件，与施工总承包企业商定，加桩采用钻孔灌注桩，桩径650mm，桩长40m，持力层为⑦1层。为保证加桩和PHC管桩协同变形，在桩底端采用后注浆措施，注浆水泥量不小于1500kg/桩。对底板内力重新进行计算和分析，在轴HG2~PG2大底板下排增加一排钢筋Ф16@200(双向)。并对所有46根Ⅲ类桩承载力进行折减，折减系数取0.8，补桩2根，与原设计桩基进行沉降变形和偏心比拟，经程序Autobase及AutoTBSP计算，比拟成果见表4图4高应变检测桩、补桩及沉降观测点平面图原桩基与桩基加固后桩基偏心率和沉降计算分析表4原设计桩基桩基加固后桩基形心与建筑物重心偏心率e〔%〕ex0.150.26ey0.590.66桩基计算沉降量s(mm)125.3129.22004年6月7日经低应变检测结果，加桩1为Ⅰ类桩，加桩2为Ⅱ类桩，根本符合设计要求，至此桩基加固工程结束，经验收合格进入4G2号楼地下室结构施工。从2004年10月2日地下室顶板完成起至2005年6月22日地上26层及塔楼全部结构完成后，沉降观测点见图4，共进行了27次沉降观测，14个观测点，最大沉降量20mm，最小沉降量9mm，沉降均匀。沉降观测成果见表5。沉降观测成果表5观测点1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#累计沉降量(mm)101099911910910131720105结论〔1〕对于工程建设中的桩基质量事故，首先应做好详尽的检测工作，掌握每一根基桩的实际数据，才能对基桩和整个桩根底进行加固措施。〔2〕对有缺陷的基桩可适度利用其承载力，并充分考虑群桩效应和根底以及上部结构刚度的有利作用。〔3〕加固桩基计算应包括承载力极限状态和正