软土地基桩基质量问题分析及处理_郑妙芳.pdf

福 建 地 质 Geology Fujian 62第 42 卷福 建 地 质 Geology Fujian 收稿日期：2022-12-19 作者简介：郑妙芳（1982-），男，工程师，主要从事地基基础检测和地基处理工作。软土地基桩基质量问题分析及处理郑妙芳(福建省地质测绘院，福州，350001)摘 要 软土地基因承载力低、稳定性差、高压缩性、透水性差、抗剪强度低等特性，对桩基施工影响大，增加工程施工难度。以福州项目软土地基中桩基质量事故为例进行分析并提出处理方法，总结其经验教训，对相似的桩基工程项目安全、桩基工程施工质量把控有一定借鉴作用。关键词 软土地基 桩基础 桩基检测 高压注浆中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1001-3970(2023)01-0062-08Analysis and Treatment of Soft Land Pile Foundation Quality ProblemsZheng Miaofang（Fujian geologic surveying and mapping institute，FuZhou，350011）AbstractAbstract The characteristics of soft soil,such as low bearing capacity,poor stability,high compressibility,poor permeability,low shear strength,etc.,have a great impact on pile foundation construction and increase the difficulty of project construction.Taking the pile foundation quality accident in soft soil foundation of Fuzhou project as an example,the analysis and treatment are carried out,and the experience and lessons are summarized,which can be used for reference to the safety of similar pile foundation projects and the quality control of pile foundation construction.KeywordsKeywords soft soil foundation,pile foundation,pile foundation detection,high pressure grouting我国沿海地区冲积、淤积、冲洪积成因的软土层分布较广，其具有含水量高，流动性较大，力学性质差等特点。软土的内摩擦角较小、侧压力系数较大1，受外因影响容易出现土体位移，对桩基产生挤压、推移，造成基桩失稳、断裂，最终导致工程质量问题产生。1 工程地质概况拟建场地位于福州南屿，大部分场地原为耕地和少量民宅，地势较平坦、开阔。地基土以冲积、淤积、冲洪积成因的土层为主，基底母岩为燕山晚期花岗岩；地下室开挖深度及以下 30 m 范围分布广泛的软弱土层，场地内主要土层分布特征（表1）。62 第 1 期郑妙芳：软土地基桩基质量问题分析及处理 63 第 1 期项目拟建 12 座 31 33 层高层住宅楼，其中10#、11#楼为 2 层地下室，开挖深度较深，软土层分布较厚，在基础施工过程出现质量问题，桩身完整性检测中发现了大量不合格的、类桩。10#、11#楼地下基础采用冲（钻）孔灌注桩，上部为框剪结构，总桩数分别为 81 根和 62 根，桩径为 900 1 300 mm，设计桩端持力层为碎块状强风化花岗岩，桩长为 43 53 m；建筑桩基设计等级为甲级，地下室基坑安全等级为一级，岩土工程勘察等级为甲级。10#11#楼岩土层自上而下可划分为 11 层（图 1）。2 检测方法项目工程根据建筑基桩检测技术规范2和 关于进一步规范桩基检测的通知（2017）有关规定，对 10#、11#楼桩基采用单桩竖向抗压静载试验、声波透身法、低应变法进行验收性检测；对检测过程中出现不合格桩，再采用钻芯法进行验证检测，成孔亦可用后期注浆补强处理。对 10#、11#楼进行检测的各种方法中，低应变法检测发现桩基存在质量问题，因此下文重点讲解低应变法检测原理。低应变法采用瞬态冲击方式，通过实测桩顶速度或加速度响应时程曲线，依据一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性3。在桩顶施加瞬态激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到桩身缺陷（如断裂、夹泥、离析、蜂窝孔洞等）和桩底缺陷，将产生反射波；通过软件对反射波的传播时间、幅值和波形特征进行分析，判定基桩的桩身完整性4。假设基桩为一维线弹性杆，横截面积为A，弹性模量为E，质量密度为，弹性波速为C （C2=E)，广义波阻抗为Z=ApC；推导可得桩的一维波动方程：（1）设定基桩中某处阻抗发生变化，当应力波Vi从介质（波阻抗为Z1）进入介质(波阻抗为 Z2)时，将产生反射波Vr和透射波Vt。令桩身质量完好系数=Z1Z2，则有：（2）缺陷的程度根据其反射的幅值定性确定，缺土层编号及其名称层厚(m)天然重度(kN/m3)土层状态压缩模量 Es(MPa)地基土承载特征值fak(kPa)杂填土0.30 7.10 16.0松散粉质黏土0.40 3.50 17.5可塑 4.0 100淤泥4.50 16.20 15.3流塑 1.8 45-1 粉质黏土1.20 19.90 18.9可塑 4.5 130-2 淤泥质土0.60 6.20 17.5流塑 3.8 100淤泥质土0.80 12.40 17.0软塑 3.2 60粉质黏土0.90 12.20 17.8可塑 4.9 160表 1 土层特征及力学指标Table 1 Soil layer characteristics and mechanical indexes 广西华蓝岩土工程有限公司，阳光城丽景湾岩土工程勘察报告，2016。2ut 2=C 2 2ux 2-RA Vr=Vi11+;Vt=Vi21+2 福 建 地 质 Geology Fujian 64第 42 卷陷位置根据反射波的时间tx 由下式确定：（3）式中：x为桩身缺陷至传感器安装点的距离（m)，tx为速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms），C为基桩的桩身波速（m/s）。3 检测结果根据规范要求在 10#楼选取 5 根桩、11#楼选取 4 根桩进行静载试验，静载桩超灌至地面标高图 1 10#11#楼地质简图Fig.1 Geological map of 10#11#buildings表 2 静载试验结果汇总Table 2 Summary of static load test results楼号桩径(mm)桩数(根)静载桩(根)单桩承载力特征值（kN）单桩竖向抗压极限承载力检测值（kN）检测结果10#1 0007336 30012 600满足设计要求1 200829 00018 000满足设计要求11#9004425 00010 000满足设计要求1 30018211 00022 000满足设计要求7.5 m，距设计桩顶标高约 8 m 处进行静载试验，检测结果（表 2）。根据规范要求声波透射法检测按单位工程总桩数的 10%抽检，10#楼选取 9 根、11#楼选取 7 根；为防止地下室开挖对声波管的破坏，声波管埋设至施工地面标高7.5 m处进行检测，检测结果（表3）。要待高层住宅楼地下室开挖后，并砍至设计桩顶标高面进行 100%低应变法检测，检测结果（表 4）。以 3 种检测方法为 10#、11#楼的桩基验收检X=12000txC 1txC X郑妙芳：软土地基桩基质量问题分析及处理 65 第 1 期测，承载力检测和声波透射法检测结果均满足设计要求；低应变法检测 10#楼、类桩 55 根，占比 67.9%，11#楼、类桩 55 根，占比 88.7%，不合格桩占比较高。为了准确判定桩身缺陷类型、范围，为后期基桩处理分析提供直观、可靠依据，采用钻芯法进行验证检测5。4 桩基治理问题分析4.1 钻芯法验证分析钻芯法是经常运用于灌注桩检测中问题桩的一种验证方法。为了能够更加全面、准确地判断缺陷位置、类型，考虑到钻芯法的局限性，此次验证取芯采用两孔钻芯法验证；特别是针对灌注桩断裂型缺陷，两孔取芯法能更好地区分钻芯过程中机械破坏而造成的混凝土芯样断口，从而准确判定缺陷位置及范围6。10#、11#楼低应变法检测判定的 110 根、类桩进行偏位测量，顶位移量 300 mm 的、类桩 64 根，顶位移量 300 mm 的类桩 46 根；选取钻芯法验证检测中 2 根具有代表性的桩进行综合分析，分析结果如下。（1）10#楼 2#桩低应变法判定结果为类桩，2L/C 时刻前出现严重缺陷反射波，无桩底反射波；该缺陷反射波峰位于 6 m 桩身处，声时为3.08 ms，幅值为 17.91（均高于桩身其它部位），幅值异常（图 2）。通过钻芯法判定 A 孔、B 孔均在 6.4 m 处出现断裂，断口吻合性较差，见少量小碎块，局部见裂纹痕迹，混凝土胶结较差（照片1）。（2）11#楼 33#桩低应变法判定结果为类桩，2L/C 时刻前出现严重缺陷反射波，无桩底反射波；该桩缺陷反射波峰在 6 m 桩身处，声时为3.22 ms，幅值为 32.63（均高于桩身其它部位），表 3 声波透射法检测结果汇总Table 3 Summary of detection results of acoustic transmission method楼号桩径(mm)桩数(根)声波检测桩(根)检测结果 备注桩身质量评价类别根数10#1 0007387检测结果未出现不合格的、桩，桩身完整性均满足设计要求11 20081111#900445411 3001822表 4 低应变检测结果汇总Table 4 Summary of low strain test results楼号桩径(mm)桩数(根)总桩数(根)波速(m/s)检测结果桩身质量评价类别根数比例10#1 00073813 500 3 6001113.6%1518.5%1 20083340.7%2227.2%11#90044623 500 3 60000.0%711.3%1 300182946.8%2641.9%福 建 地 质 Geology Fujian 66第 42 卷图 2 10#楼 2#桩 反射波时程曲线Fig.2 Reflected wave time history curve of 2#pile of 10#building照片 1 10#楼 2#桩 A 孔、B 孔混凝土芯样Photo.1 Core concrete samples for holes A and B of 2#pile of 10#building幅值异常（图 3）。通过钻芯法判定 11#楼 33#桩A 孔、B 孔分别在 6.14 m，6.12 m 处出现断裂，断口吻合性较差，见少量小碎块，局部见裂纹痕迹，混凝土胶结较差（照片 2）。通过钻芯法验证判定桩基低应变检测缺陷为桩身断裂，排除桩基施工过程中出现桩身塌孔、缩径和夹泥等缺陷类型，为后期补强处理提供准确、科学依据7。4.2 10#、11#楼周边监测点数据分析10#、11#楼基坑周边布设 C17 C19 共 3 个深层土体位移点、J32 J37 共 5 个坡顶水平位移及沉降监测点，各监测点数据分析如下。（1）10 月 27 日前，C17 C19 点位移速率均为-5 5 mm，累计土体位移 13.68 18.43 mm，均未超出累计控制值-50 50 mm 范围；J32 J37 点坡顶水平位移速率均为-5 5 mm，累计水图 3 11#楼 33#桩反射波时程曲线Fig.3 Reflected wave time history curve of 33#pile of 11#building郑妙芳：软土地基桩基质量问题分析及处理 67 第 1 期平位移 13.89 16.99 mm，均未超出累计控制值-50 50 mm 范围；J32 J37 点坡顶沉降速率均为-5 5 mm，累计沉降量 12.75 15.80 mm，均未超出累计控制值-50 50 mm 范围；监测结果均正常，符合规范要求，基坑稳定。（2）10 月 28 日 30 日基坑出现预警，各监测点监测数据（表 5）。C18 C19、J35 J37 各监测点出现超设计预警值，累计位移量均大于累计控制值 50 mm，基坑出现位移量过大，发现在各异常监测点发生塌陷，基坑支护工程遭受破坏。4.3 10#、11#楼桩基质量原因（1）场地开挖未按规定采用小型机械进行多层开挖，而采用 200 型、360 型挖机进行开挖作业，速度过快；且基坑开挖土方未能及时转运，堆积于场地内，并且形成较大高差面，致使桩周岩土侧压力增加。（2）10#楼东侧基坑外增设钢筋加工棚，距基坑距离过近，并堆积大量的钢筋，致使基坑外侧荷载突然增加，造成支护桩破坏，软土层出现挤压位移，对 10#楼桩基造成水平位移剪切破坏。（3）基坑开挖期间突降暴雨，降雨量大，雨水无法及时排出基坑，造成 11#楼开挖区域积水，最深处达 3 m。降雨造成各岩土层含水量增加，岩土间摩阻力减少，力学性能降低；又因 11#楼开挖坡顶面堆积大量岩土，外荷载增加，导致坡顶岩土向基坑内产生滑移，造成桩基被岩土推移破坏。照片 2 11#楼 33#桩 A 孔、B 孔混凝土芯样Photo.2 Core concrete samples for A and B holes of 33#pile of 11#building监测点号监测项目监测指标监测日期10 月 28 日10 月 29 日10 月 30 日C17 C19深层土体位移监测位移速率(mm)0.41 41.890.78 50.32基坑塌方 C18、C19 监测点受破坏累计土体位移(mm)14.76 60.3215.54 110.64J32 J37坡顶水平位移监测位移速率(mm)0.24 68.310.36 72.31基坑塌方 J35、J36、J37 监测点受破坏累计土体位移(mm)14.03 85.3014.39 157.40坡顶沉降监测位移速率(mm)0.37 15.330.45 52.30累计沉降量(mm)16.35 56.7816.80 109.08表 5 10#、11#楼周边各监测点结果汇总Table 5 Summary of monitoring points around 10#and 11#buildings 福 建 地 质 Geology Fujian 68第 42 卷5 桩基质量问题处理5.1 桩基处理方法 （1）对场地北面和东面边坡采取加固措施，周边道路禁止所有车辆通行，禁止基坑周边堆载，并加强基坑监测。（2）基坑开挖禁止大型设备进行作业，应采用分段分层开挖，在淤泥、淤泥质土分层开挖深度不大于 0.5 m；开挖土方严禁堆载场地内，应及时转运土方。（3）基桩桩顶水平位移超 300 mm 以上、桩身完整性为类不作为工程桩使用，对该类桩进行补桩处理。（4）基桩桩顶水平位小于 300 mm 的类桩进行两孔取芯高压注浆补强处理，注浆补强参数应根据试验后确定最终注浆参数。（5）基础由桩基础改为桩筏基础，以提高基础整体共同受力，保证沉降均匀、稳定。5.2 取芯孔高压注浆补强处理10#楼 2#桩和 11#楼 23#桩作为高压注浆补强处理的试验桩，为后期补强处理提供可靠的注浆参数，试验桩采用不同的工艺及注浆参数进行处理，各桩处理工艺、注浆参数及检测结果（表 6）。10#楼 2#桩和 11#楼 23#桩取芯孔高压注浆补强处理注意事项如下。（1）两孔取芯利用取芯孔进行密闭高压注浆，深度应穿过桩身缺陷位置以下 2 m，并且缺陷位置应采用高压水反复多次冲洗。（2）注浆花管埋设深度应于桩身缺陷位置下50 cm，直通管埋设位置距桩顶面 3 5 m，直通管上部安置止浆阀。（3）碎石回填前需用清水清洗，回填至桩顶0.8 m 停止施工。回填碎石有利于混凝土中形成高强度的骨架，可减小混凝土的收缩，从而提高取芯孔混凝土强度，提升桩身竖向抗压承载力8。（4）每孔在桩身缺陷处放置 2 根 20 mm 螺纹钢，长度为 4 m；有利桩身缺陷位置混凝土的约束作用，提高桩身缺陷位置水平抗剪能力。（5）取芯孔封孔结束超过 10 h 后，对花管进行注浆，注浆过程应逐渐提高注浆压力、注浆流量及浆液浓度。当桩周出现冒浆，持续冒浆时间不小于 10 min 时，即可停止注浆。（6）注浆应遵循逐根逐孔顺序注浆，花管注浆结束后，对直通管进行二次注浆，是为了防止浆液在凝固的过程中产生的体积收缩及浆液流失，使水泥浆饱和填充于取芯孔及桩身缺陷位置，提高桩身完整性。表 6 各试桩注浆补强参数及检测结果汇总Table 6 Summary of grouting reinforcement parameters and test results of each test pile试验参数试验桩号10#楼 2#桩11#楼 33#桩取芯孔数（孔）22高压水洗孔洗孔水灰比0.60.55注浆压力（Mpa）2 52 5注浆次数（次）12泵量（L/min）4020 50填充骨料粒径 1 cm注浆管埋设数量（根）12钢筋用量（根/孔）2 根 20 mm注浆方式开口注浆密闭注浆终止标准出气管冒浆桩周浆冒浆 10 min低应变检测（补强处理后检测）郑妙芳：软土地基桩基质量问题分析及处理 69 第 1 期6 结论 桩基质量问题常见的有桩身离析、断桩、夹泥、缩径和桩底沉渣等缺陷类型，类型较多，且属于隐蔽工程，对桩身质量缺陷不易发现和判定，如何准确判定缺陷位置及类型，对后期处理非常重要。由于工程具有特殊性、唯一性，每个工程的地质条件、建设环境等各有不同差异，不同桩身质量问题处理方法、施工成本、施工工期等均不同，因此选择经济合理、效果显著、影响较小的处理工艺就显得尤为重要。（1）检测方法的选择应根据成桩工艺、检测目的及现场检测条件等，选择最为合理、有效、可靠的检测方法；对桩身缺陷类型的判定应通过 2 种或2 种以上检测方法进行相互补充验证，能有效提高桩基础检测结果判定的可靠性。（2）基坑开挖应防止地下水对支护工程、岩土体结构稳定性的影响，根据地质条件采用科学合理的分层卸荷方式开挖，防止人为因素造成支护工程、桩周岩土外荷载增加。（3）工程断桩采用取芯孔高压注浆补强处理，后期取得了很好的处理效益，对于断桩的桩径越大、断层位置越深，该处理方法的性价比越高，可以为类似工程建设提供参考经验。参 考 文 献1 林福地.软土地区基坑开挖对坑内工程桩的影响分析.昆明:昆明理工大学,2021.2 JGJ1062014 建筑基桩检测技术规范3 曹坤.基于低应变反射波的基桩缺陷研究.保定:河北大学，2018.4 段文旭.低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究.成都:成都理工大学,2015.5 高荆钻芯法在建筑工程质量检测中的应用住宅与房地产，2018，501(16).6 莫建昌.钻芯法在混凝土桩质量检测中的应用分析.广东建材，2021,37（10）.7 李志林.钻芯法检测重点及灌浆处理分析.广东建材,2021,37（03）.8 肖晨.压力注浆处理桩基缺陷的施工技术.珠江水运,2020（14）.