沉管灌注桩典型工程分析.doc

一、工程实例简况：
　　工程I位于市广达路茶亭立交桥下，东北侧。同期共施工5座，7层半住宅楼，均为Φ500mm沉管灌注桩。场地内同时进场三台机，80天内施打完所有1018根工程桩。
　　工程Ⅱ位于环城路与吉庇路交叉口，东南角，共4座住宅楼，所有采用Φ500mm沉管灌注桩，总工期为42天，施打完所有的702根桩。工程Ⅰ、Ⅱ的桩基检测情况，土体重要物理状态指标，地质剖面图详见表一、二及图一、二。
　　Ⅰ、Ⅱ桩基检测情况
表一
工 　程　 名
工 程 幢 号
桩

数

(根)
平均

桩长
(m)
置换率

(%)
施 工 工 期
检测结果
动 测 结 果
静载结果(单桩设计承载力均匀为500kN)
桩数
(根)
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅵ
工 　　程 　　Ⅰ
A
288
20
6.8
～
6.4
26天
36
0
28
22
22
二根满足
二根不满足
B
278
18.5
80天
20
0
30
5
65
七根均不满
足设计规定

C
121
20
11
0
27.3
27.3
45.4
设计
承载力
静载
极限值

工 　程 　Ⅱ
1#
216
15～
18
6.8
～8.7
25天
22
59.1
31.8
9.1
/
480
900
1000
2#
3#
250
20～
23
30天
240
28.05
32.1
27.2
12.7
400
576
384
576
384

土体物理性质指标
表二

土层
天　然
含水量
W
(%)
天然
孔隙比
e
/
饱和度
Sr
(%)
塑性指数
IP
(%)
液性
指数
IL
/
粘土I
37.58
1.017
101.5
30.26
0.41
淤　泥
74.9
2.035
95.9
34.06
1.17
亚粘土I
24.88
0.769
87.7
15.48
0.63
粘土Ⅱ
19.60
0.673
77.1
29.40
0.13

　　二、机理分析：
　　从表一看出工程I各楼竣工后经小应变检查Ⅲ，Ⅵ类桩占44%～100%，静载11根，其中9根达不到设计规定，且与设计规定差距甚远。工程Ⅱ中2#～4#楼竣工后经小应变检测Ⅲ、Ⅵ类桩占30%～40%。静载4根均未达设计规定。这两座工程可以说较典型和严重质量事故的工程。下面从几方面做粗浅的因素分析。
　　1.布桩太密，引起水平应力重叠。根据资料(1)桩周土和桩端处的土在打桩过程中会形成一定范围的重塑压密区。桩周土可以提成三个区域，(见图三)第I区在桩表面(1)/(2)d范围为结构完全破坏的区域。由于土的挤压，通过相称长的时间，土体强度恢复。第Ⅱ区为挤密过渡区，在桩周的3/2范围内。第I区的土在打桩过程中挤密压缩下，一方面土的天然结构受到坡坏，压缩性增大的同时，土的强度剧烈下降；另一方面，孔隙比大大减少。根据公式计算，工程I中粘土的饱和度上升值S′r=264.3%，淤泥的饱和度上升值为158.77%，如此大的饱和度上升，使得孔隙中的水无法迅速地排出去必将在土体中产生巨大的超孔隙水压力。根据有效应力原理，土的抗剪强度ε=(σ-μ)tgφ+c，孔隙水压力上升时，有效应力下降，将使土的抗剪强度减少。图三中第Ⅰ、Ⅱ区的分界面也就是打桩时土体破坏的剪切面。根据图三相邻桩间距要大于4d才为互不抗动区。而工程I和工程Ⅱ的桩距多数仅在3～3.5d之间，导致第Ⅱ区压密重叠。前面已经说过第Ⅰ区的土体强度已经破坏，由于压密区的重叠导致对第Ⅰ区的水平应力重叠(见图四)。施工时使土体对终凝左右的相邻桩产生不断的水平挤压。

　　2.布桩太密导致摩阻力的减少。土的摩阻力被发挥出来的限度，取决于砂土的相对密度。在一般实际条件下打入土中的桩侧面摩阻力不会达成土本来的强度。桩表面摩阻力随着深度而线性增长。摩阻力与土的原不拢动内聚力之比是随着深度而线性增长。摩阻力与土的原不拢动内聚力之比是随着土的坚硬而减少(见表三)。在很软的粘土中摩阻力约达成100%，递减到很硬的粘土中摩阻力的减少20%。摩阻力的减少是由于桩与土之间局部地形成了缝隙，缝隙的形成一是由于打桩时的横向振动，二是由于被排挤的土向上位移及离开桩轴向外辐射位移。对于软粘土，向上隆起的土会重新固结把缝隙闭合，因此摩阻力系数能达成100%，而在中档及硬粘土中只能有不完全的重新固结(见图五)。假如在布桩太密的情况下，打桩时的横向振动必然会互相影响，土体向上位移和轴线外位移也会加剧，桩受相邻桩的拢动次数变得频繁，影响了土体结构的正常恢复，这样就把土体正常的重新固结时间施长了，使得桩与土的摩阻力减少。如工程Ⅱ部分桩的S-lgp曲线见图十。

桩与土之间摩阻力的代表值
表三

桩的材料
土质
内聚力
磅/英尺2
摩阻力
磅/英尺2
混凝土桩
木　　桩
软
0～750
0～700
中档
750～1500
700～900
硬
1500～3000
900～1300

　　3.地层中淤泥层的塑性指数Ip很大，且淤泥顶板的和底板均且较厚的透水性能差的硬粘土层。塑性指数越大土的粘性就愈大，就越不利于孔隙水压力消散工程Ⅰ、Ⅱ中在施工过程中，均发现在施工完的桩的地表发现开裂现象和隆起，可见地层中的超孔隙水压力是巨大的。在不断积压之下无法散，只好上拱最后把土层土顶裂。这对桩身质量导致的危害的可想而知的。根据饱和软粘土在荷载作用下排水固结实践证明，孔隙水压力的消散是非常缓慢的，一般在4～6个月之间。并且目前的工程工期都很急，施工完一到30天，就做静载检测，由于孔隙水压力未完全消散，桩侧摩阻力尚未达成土体原强茺，单桩承载不会达成地质资料中提供的设计极限值。
　　4.工程的地质条件，特别是地质中土层分布顺序，对挤密灌注的质量会起到较大的影响，如工程Ⅲ。地质柱状见图六。(该工程为Φ500，桩长16～19m，桩数552天，工期60天，置换率4.2%，改工后静载三根数限承载力均〉1200kN满足设计规定，动测77根，Ⅲ类桩占3.8%。与前两座工程的质量形成鲜明对比。这除了工程Ⅲ的布桩率低，桩距均大于等3.5d日打桩量少外，地质的差异也是一个很关键的因素。工程Ⅲ的地质中，(1)淤泥顶的硬壳层较薄，地质分布均匀；(2)淤泥下有一中砂层。中砂层透水性较好，有助于孔隙水压力及时消散。较薄的硬壳表层也有同样作用。根据大量的工程关例表白，地层中有二、三米的砂层作为十几米长的桩基持力层，对于挤密灌注桩成桩质量和承载力均能起到保证。由于打入中密砂层时桩管会把旁边的砂层拖下去并振密。导致孔隙水压力的减少及相应的内摩擦角增大。通过工程总结发现，中部有一较厚粘土层的长桩，难以消散的超孔隙水压力是最终引起断桩等桩身缺陷的重要因素。
　　5.桩长太长，入土内的混凝土量太多，使得整体土体结构破坏，工程IA、B、C三楼平均桩长为20m，工程Ⅱ2#-4#楼桩长在20～23m之间。土的位移可以使桩发生较大的变位，并也许导致土对桩的很大侧压力，使桩产生较大弯矩和剪力。当土的位移分布一定期，桩的柔度系数愈大，则其变位愈接近土的位移。(土变位“标准”分布见图七)。资料(3)中把L/d=30是为柔度系数最小的I型桩。(I型桩的变位和弯矩图见图八、九)。而工程、ⅠⅡ的柔度系数40，这样土的变位越大，桩的变位也随之越大。图八中桩的位移和土的变位在0.4L桩长处为最大，此点所受的弯矩值最大。也就是在0.4L桩长范围最易断桩。这对于在土中慢慢形成强度的素混凝土来说是致命的。该工程桩的配筋长度在1/3L左右，在0.4L最易断桩处没有配筋，这和检测出来的断桩位置均在钢筋笼底部基本相一致。工程Ⅱ中的1#楼桩长较短，质量与2#～4#楼对比，就有显著的不同。

　　6.打桩顺序不妥，未合理安排施工顺序。致使短期内入土桩数、混凝土量太多，使得土体上拱，地面开裂。工程I总桩数共1018根桩。三台机同时在同场地中施工，三个月内打完所有桩。工程Ⅱ在42天之内施打完702根桩，平均天天共打入16.7根桩，这么大面积的群桩施工，短期内共灌入地面的混凝土量约达25003，假如所有隆起的话，将使地面抬高0.1m，据记录地面隆地高度一般为理论的30～40%，大量的与桩体积等量的土体被排挤引起侧向位移，这么大的排土量，在引起土体被排挤和向上隆起时必然会对桩产生巨大的剪力和上拔力，导致桩身缺陷和使桩尖与桩尖土接触不密实，或托空，桩身悬浮在桩尖土之上。根据工程Ⅱ的静载报告做部分桩的s-lgp曲线(见图十)，可以看出端承力微乎其微，桩尖上没有发挥出相应的承载力，和施工中的贯入度及地质钻探报告中的数据所计算出的承载力相差甚远。可见桩尖与桩尖土未能紧密接触。摩阻力与端承力不能一起工作，最后导致桩尖土的刺落破坏。

　　此外施工方法、工艺，人员素质等对工程质量均会导致不同限度的影响。特别是在工程的后期，土的挤压，超孔隙水压力都较严重。因此，后打的桩对前面先打的桩导致危害较大，由于先施工的桩所受到的振动、土的排挤位移比后施工的桩次数要频繁的多，对桩身导致的危害也就越严重。
　　三、总结：
　　1.沉管桩对挤土效应很敏感，设计布桩率不宜太大，桩距最佳在4d左右，置换率应控制在4.5%以下较易保证质量。
　　2.根据施工实例记录，对于沉管桩较能保证质量的桩长范围为Φ400mm在16m以内，Φ500mm在18m以内较合适。
　　3.本地质中上层硬土层较厚且淤泥下又有一厚度较大的粘性土时，淤泥层的塑性指数Ip>25%，采用沉管桩应慎重。设计时应特别注意设计短桩，控制布桩密度。否则应考虑改换其它桩型。
　　4.本地区施工实例表现，在布桩密度大，日打桩量大，工期紧，采用通常的施工打沙桩减少孔隙水压力效果不大。由于孔隙水压力在短期内主线没有时间消散。工程Ⅰ、Ⅱ均采用了打沙石桩至淤泥底板1m，以此减少孔隙水压力，均无明显效果。
　　5.日打桩量应加以控制，Φ400mm每日打桩量最佳不超过12根；Φ500mm日打桩量不宜超过7根。
　　6.为防止产生断桩，钢筋笼长度应超过桩长的0.4L，并最佳通长至淤泥底。