预应力管桩竖向静载荷试验异常沉降的原因分析和处理情况.doc

预应力管桩具有施工速度快、质量容易控制、施工时无噪音、震动等优点，得到了广泛的应用。但越取越高的单桩设计承载力和不合理的工期，给桩基施工带来了很大的挑战和问题，应引起各方的注意。
1 工程概况
xx市某八层住宅小区工程单层地下室面积6800m2 ，基础采用预应力管桩基础，双桩承台，布桩平面系数为2.6%。 Φ400（壁厚90mm）、Φ500（壁厚100mm）的设计单桩竖向承载力极限标准值分别为3100KN、4300KN，而设计终压值只为 2500KN、3500KN，约为设计单桩竖向承载力极限标准值的80%。按照管桩公司提供的数据，设计单桩竖向承载力极限标准值接近桩身容许承载力。
根据地质勘察报告，场地岩土层分布从上到下分别为：
2 竖向静载荷试验异常沉降情况
地下室桩基全面完成后进行竖向静载荷试验。其中一根Φ500桩加载到六级时沉降突然加大，沉降量达到50.77mm，在第七级至第九级又稳定均匀沉降，最后该桩沉降量为64.74mm，残余49.50mm。另一根问题桩桩径Φ500，加载到六级时沉降突然加大，达到48.91mm，最终沉降量为69.55mm，残余54.98mm。以上两根桩自施打完成到竖向静载荷试验间歇时间(以下简称为间歇时间)均为11天，施打过程正常。
3 原因分析
3.1试验时间
根据《建筑地基基础设计规范》GB5007-2002附录Q单桩竖向静载荷试验要点Q.0.4条规定：开始试验时间：预制桩在砂土入土后7天后；粘性土不得少于15天；对于饱和粘性土不得少于25天。本工程由于工期十分紧迫，竖向静载荷试验沉降异常的两根桩都在施打完成后11天进行试验的。由于桩侧阻力大部分由饱和粘性土承担，间歇时间太短，桩周土未充分固结，其抗剪强度不能得到充分恢复和发挥，导致桩的承载力达不到要求。
地质条件相同，桩端持力层未存在粘土薄层、间歇时间为11天、静载荷试验合格的桩的试验曲线图。其Q-s曲线较陡， s-lgt曲线显示在加载到七级之后比前几级有较大的沉降，说明桩周土固结不充分，可以近似地认为桩侧阻力占桩极限承载力标准值的70%。与事故桩的情况相似。
根据有关文献，桩侧摩阻力主要由粘土层承担的工程桩，如桩的设计极限侧阻力qsik取值较规范表值高出不多（如本工程），则间歇时间为14天时侧阻力可达qsik的90%以上，最终侧阻力可比规范表值高出40-50%。此次复压处理，沉降量大于20mm的桩从压桩到复压的间歇时间均小于15天；间歇时间大于20天的桩的的复压沉降量均小于10mm，属于正常沉降；间歇时间大于25天的桩的复压时都有不同程度（-1～-14mm）的反弹。说明桩周土的充分固结可以大幅度地提高极限侧阻力。

经过复压处理、间歇时间为33天、较有代表性的桩的静载荷试验曲线图。其Q-s曲线较平缓，可以说明桩周土固结较充分，按地质考虑桩的承载力还有较大余地。s-lgt曲线在加载到九级之后比前几级有较大的沉降，从曲线分析桩侧摩阻力约占桩极限承载力标准值的90%。此时桩侧阻力比事故桩提高(90%-60%)/60%=50%，间歇时间11天的桩提高（90%-70%）/70%=29%。这与文献描述的情况相似。
3.2部分桩持力层存在薄弱层
通过查阅工程勘察报告，竖向静载荷试验异常沉降的两根桩及复压中沉降量大于20mm的三根桩附近的钻孔地质柱状土的地层描述“局部夹可塑性粘土，薄层”，计算出Φ500桩桩端在第八层细砂层的极限端阻力Qpk＝qpkAp＝1256KN，而在第八层中的局部夹可塑性粘土薄层时 Qpk＝490KN，可见相差悬殊。Qsk=μ∑qsikli＝2462KN，约等于静载荷试验加载到第六级时的压力值4300*0.6＝2580KN，此时桩总极限侧阻力正好发挥完，若继续加载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。根据《地基与基础》：“充分发挥桩端极限承载力所需的桩端沉降量则大得多…这个极限沉降量，一般粘性土约为0.25d，砂土为（0.08—0.1）d。”要达到桩端极限阻力，在砂土时沉降量为粘性土的2.5-3.5倍。可见桩端持力层为局部夹可塑性粘土层时沉降量远大于密实砂层。由于桩尖细砂层存在软弱土层，承载力较低，充分发挥桩端极限承载力所需的沉降量大，所以在加载到六级后发生沉降突然加大的情况，是符合常理的。
3.3 桩的卸压回弹
在饱和粘性土中沉桩时，由于桩对土的挤压，在桩周厚度达25m的粘土层中产生超孔隙压力水，超孔隙压力水随着土体的隆起和侧移而慢慢消失。如果压桩速度过快，终压后复压过快完成，超孔隙压力水和土体变形未充分消散，此时的饱和粘性土表现为弹塑性变形特征，土体卸压恢复过程中桩身被抬起，桩尖脱 .
4 设计和施工注意问题
4.1 设计注意问题
由于土层的复杂性，特别是持力层为细砂层且局部夹有薄弱土层的情况在地质勘察中不一定能被发现，所以控制压桩终压值非常重要，终压值宜大不宜小，一般不宜小于单桩竖向承载力极限标准值。
在饱和粘土中采用开口桩尖可解决在粘土层中快速沉桩引起桩的卸压回弹问题。由于开口桩尖在沉桩时桩内孔可以进入部分土体，可减少超孔隙水压力和粘土挤土作用，减低桩身上浮的可能性。通过应用对比，实践证明开口桩桩端承载力与闭口桩基本相同。

4.2 施工控制措施
只要桩基配重能达到单桩竖向承载力极限标准值的1.2倍左右，就不会产生压桩接近终压值时桩机抬起晃动引起对桩头和桩身的冲击所导致的桩体破坏，桩身完整性也能得到保证。
控制沉桩速度并采取多次逐步加载复压的措施是有效的，能消除巨厚粘土层中快速沉桩卸压回弹使桩体上浮的作用。