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上海桩
浅谈软土地区PHC管桩施工事故分析及处理
(所属杂志:
此文章来自原稿) 发布时间:
2010-01-14 已阅读:
891
孔凡波
(中国建筑上海设计研究院有限公司,上海200063)
摘要:
对某工程PHC管桩事故进行深入分析,并提供了具体的处理方案;以提示施工单位,应重视软土地区打桩、降水、挖土等施工方案的确定,避免同样事故的发生。
关键词:
软土地基;地基处理;村基础;施工技术
中图分类号:
TU473.1文献标识码:
B
1项目简介
本工程位于上海市某区,系大型商业广场,总建筑面积19.9万平方米,地下面积3.1万平方米,一层地下室,地上面积16.8万平方米,由3栋高层(26层,框架-剪力墙结构,高度均不超过100米)及裙房(3~5层,框架结构)组成,高低交界处由抗震伸缩缝分开。
一期工程设置整体一层地下室(长263.3米、宽117.7米),功能主要为超市及停车场,结构层高5.5米,裙房区域底板厚0.5米,埋深5.60米,高层区域底板厚1.8米,埋深6.9米。
本工程取±0.000作为上部结构嵌固端,柱网布置8.4X8.4,采用框架梁间设置“十”字梁的结构布置方案,地下室顶板厚均为180mm,地下外墙厚400mm,超市降板区局部外墙加厚至500mm;并在地下室内部适当设置剪力墙,满足嵌固端刚度比的要求。
2地质情况
本工程场地地貌单元属滨海平原,场地地形较为平坦,实测的勘探孔标高一般为3.66~6.33m,本场地所揭露的90m深度范围内的地层为第四纪全新世至上更新世滨海平原型沉积土层,主要由粘性土、粉性土和砂性土组成。
本场地为古河道沉积地段,④层淤泥质粘土具有天然含水量高、空隙比大、压缩系数大、强度小的特点,属中~高灵敏度土体,在一定外荷作用下流变特征明显,缺失上海市统编的第⑥层暗绿色硬土层,代之沉积了较厚的⑤3-1层灰色粉质粘土夹粉性土、第⑤3-2层灰色粉质粘土和次生的⑤4层灰绿色粉质粘土,导致第⑦1层层顶埋深变深,第⑦2层及以下各土层沉积基本正常。
⑦1层粉砂平均比贯入阻力Ps=11.57MPa,高层下存在数米Ps值≥16MPa的砂土,平均标准贯入击数N=49.7击,中~密实,当作为预制桩的持力层时,应考虑沉桩的可行性。
3桩基方案的确定
3.1多层部分桩型的确定
桩型选择的原则:
(1)根据上部荷载情况,选择合适的单桩承载力,达到较好的布桩效率;
(2)经济性应相对较好;(3)控制施工难度,同时避免冒桩对基坑开挖造成影响。
最终确定桩型为PHC预应力管桩,直径400mm,桩长37米,持力层为⑤4层粉质粘土,单桩承载力设计值为1300kN,最终单柱下根据荷载大小布置5~9根桩。
3.2高层部分桩型的确定
桩型选择的原则:
(1)满足施工进度的要求;
(2)经济性相对较好;(3)安全可行。
方案一:
预制桩方案,采用PHC-Ø500的先张法预应力混凝土管桩,经济性较好,质量容易保证,施工速度快,但挤土效应对场地周围影响较大,由于⑦1粉砂层Ps值较高,沉桩有一定难度;方案二:
采用直径Ø700的桩端后注浆钻孔灌注桩,后压浆工艺可有效提高单桩承载力,但对施工工艺要求高,造价较高,后压浆效果受施工质量影响较大,工期相对较长;上述两方案经业主比选后,确定选择方案一进行实施。
4施工中桩基出现的问题
基坑开挖至A栋高层时,发现桩头明显倾斜,桩头倾斜方向均朝向开挖侧,偏移值最高达1.0米,经各方协商确定,后续基坑工程立即停工,并对坑内挖土边坡进行加固处理。
选取一定数量的桩进行现场抽样检测,采用高压水枪配专用喷头,对管桩空心部分进行反复冲洗,然后将孔内水抽干,采用影像设备深入孔芯内进行视频观察,发现大部分桩身在④层与⑤1层界面附近发生弯折破裂,断裂面上方的桩身均向土方开挖侧倾斜,弯折断面以下的桩身偏斜明显减小;从冲孔视频观察,有个别桩身在第一个焊接接头处产生1cm~2cm脱节的情况,约占抽样总数的10%,桩基与土层的剖面示意如图1所示。
图1桩基土体分层剖面示意
5原因分析
(1)打桩速率过快。
原桩基施工工期为70天,因为多方面原因,桩基工期被压缩为仅35天,并跨越春节长假,实际有效沉桩天数仅为25天左右,沉桩速度过快,最高峰为一台桩机一天施工24根桩,且24小时连续沉桩,土体几乎没有休止时间,施工单位未能对特殊的施工情况,采取严格有效的防挤土措施,沉桩挤土效应明显,土体扰动大,使得中高灵敏土体强度严重降低。
(2)因打桩速度过快,现场降水情况不理想,降水时间短,打桩过程形成的超孔隙水压力未能得到及时、有效的消散;饱和土体的总应力σ=σ`(有效应力)+u(孔隙水压力),当孔隙水压力上升时,土体的有效应力降低,使得土体强度进一步降低。
(3)基坑土体开挖应在土体强度恢复到一定程度后方可进行;本工程土体扰动大,恢复时间短,土体强度远未达到开挖的要求。
因赶工期,场地内施工道路、降水井点布置等原因,土方开挖未能分层均衡进行,现场采取了分级放坡的方式进行基坑开挖,但开挖时由于土体强度低、土体高差过大,在坑内形成了不稳定的边坡,土体产生水平变形;开挖时土体强度估计仅为原状土的30%~40%,开挖后发现坑底土体尚处于流动状态。
分级放坡开挖时产生的侧向土体压力超过了土体所能承受的范围,④层淤泥质粘土向开挖面明显变形,造成管桩水平受力,并向开挖方向跟随土体一起产生较大变形,而⑤1层土埋置较深,且土性相对较好,产生的变形小,桩身所受水平力在两土层交界面附近形成反弯点,进而导致桩身在④层土与⑤1层土交界面附近发生弯折破坏。
(4)重力坝围护变形大,根据现场观测资料显示,重力坝外侧土体下沉达0.6米左右。
基坑开挖后,坑内土体压力快速释放,因坑内被动土体受上述沉桩、降水等因素的影响,强度降低较多,造成内外压力失衡,坝下土体产生绕坝流动的现象,造成基坑内土体上浮,使得本已受弯剪作用的桩又施加了上拔力,桩身受力情况进一步恶化,并使得焊接接头破坏严重的桩产生上浮、脱节。
(5)根据冲孔资料统计,有相当比例的桩在接头焊接部分产生破坏,分析原因主要为由于赶时间,焊接接头冷却时间不足,在压桩进入⑦1层时,压桩力在3700~4000kN,加之前述沉桩时较大挤土效应产生的土体侧向推力,以致焊接接头局部破损,后期由于土体开挖对桩产生的复杂作用,使得桩身在焊接接头部位最先产生破坏。
(6)基坑开挖前已经完成了试桩的静载荷试验,试桩与工程桩同时施工,试桩前小应变检测均为完整桩,静载试验结果相当好,最大加载力为4350kN,沉降20mm左右,而此部分试桩开挖后桩身发生与前述工程桩形式相同的破坏,由此也充分表明桩身的偏移破损主要系在基坑开挖阶段挖土不当造成的。
6处理方案
通常的处理方法:
将所有偏斜破坏的桩进行纠偏,然后清孔检测,再进行填芯加固处理,施工中应确保填芯混凝土的浇筑质量,然后重新进行静载试验,确定最终加固后桩的承载力,通常情况均能满足原设计要求,如不满足可进行补桩处理。
本工程的具体处理方案:
(1)因现场条件影响、工期限制,纠偏施工困难而未能进行;但对所有管桩均进行冲孔检测,确定桩身断裂面位置,并测量管桩倾斜值,检测结束后用清水将管芯注满,保持管芯内压力,避免外部泥水渗入。
(2)对所有管桩均进行填芯加固处理,填芯采用C45微膨胀混凝土,长度至断裂面下3米及第一个接头下2米,两者取大值,填芯混凝土配置通长钢筋筋6Φ18,箍筋Φ8@200,断裂面上下个1.5米范围12Φ18,箍筋Φ8@100;混凝土浇筑前对管芯进行重新清洗,确保管壁清洗质量,并及时进行混凝土浇筑,采用定制的振捣棒对填芯混凝土进行认真振捣,确保管芯混凝土的浇筑质量,此道工序为桩身处理过程中最重要的环节。
图2Φ500PHC管桩加固方法
(3)根据现场统计的倾斜率情况,对倾斜率在9%以内的桩抽样进行静载荷试验,A栋高层共计407根桩,选取6根加固后的管桩进行静载荷试验;试桩加载的终止条件为沉降量达到25mm~40mm,根据现场具体情况确定,主要为了避免桩身发生破坏;根据试桩结果进行分析,倾斜率在9%以内的桩,在试桩加载力范围内桩的承载力与倾斜率无直接关系,试桩情况如下表,最大加载力均可达到原设计承载力对应极限值的70%以上,其中1号桩有2cm左右的脱节现象,试桩的沉降较大,但脱节部分被压实后,承载力仍可达到原设计值的75%以上;倾斜率在9%以上的桩数量较少,作为安全储备,但要适当考虑其对整体偏心的影响;从安全的角度出发,考虑高层桩基的重要性,试桩按25mm沉降确定单桩竖向抗压极限承载力,按《上海市建筑基桩检测技术规程DGJ08-218-2003》中的相关规定,确定单桩竖向抗压极限承载力标准值,按标准差及离差系数法进行计算,计算公式Rk=Rm[1-ξ(Cx-0.17)],离差系数Cx大于0.17,经视频资料核实,确认系由于1号试桩脱节造成,最终计算单桩竖向抗压极限承载力标准值为Rk=2190kN,本工程试桩样本数量满足工程需要,按统计结果确定单桩承载力安全、可靠。
加固后管桩静载试验统计见表1。
表1加固后管桩静载试验统计表
桩号
试验最大加载
(kN)
最大沉降量
(mm)
残余沉降量
(mm)
回弹率
(%)
桩头不均匀沉降(mm)
单桩承载力极限值(kN)
相应沉降量
(mm)
倾斜率
(%)
1
2860
55.31
41.57
24.8
1.58
1180
25.0
6.0
2
2600
30.10
17.59
41.6
2.56
2345
25.0
4.92
3
2880
25.75
12.05
53.2
3.42
2845
25.0
5.63
4
2600
43.14
21.29
50.6
1.00
1943
25.0
8.12
5
3120
20.22
5.78
71.4
3.29
≥3120
/
7.56
6
2880
27.33
12.19
55.4
2.17
2636
25.0
3.88
(4)具体补桩方案,根据上述分析计算结果,加固管桩承载力设计值统一按Rd=1370kN考虑,承载力不足部分进行补桩处理;补桩采用直径700的桩端后注浆钻孔灌注桩,桩底后注浆可固化桩底沉淤,加固桩底周围土体,以有效提高单桩的竖向抗压承载力,尽量减少补桩数量,减少在坑底施工灌注桩的工作量;桩端后注浆钻孔灌注桩需通过承载力试验确定单桩承载力极限值,根据工程实际情况,由于单桩承载力高,坑底大量堆载施工困难,故采用静载与高应变相结合的方式进行,减少静载试桩数量,最终确定的检测方案为静载试桩一根,高应变六根,并通过静动对比进行系数修正,有效提高高应变动测的精度;最终确定单桩承载力设计值4300kN,比根据地勘报告计算值提高50%;补桩设计中充分考虑两种桩型的不同特性,均匀进行,并综合考虑纯灌注桩及灌注桩与管桩共同作用时的偏心情况,最终的补桩方案如下图,共计补灌注桩88根;进行底板设计时,应考虑两种桩实际承载力发挥的不均匀性,对底板进行适当加强处理。
7预防措施
预制桩施工必须非常重视挤土效应的问题,不仅要考虑对外围管线、建筑等的不利影响,同时还要考虑土体强度降低对工程的不利影响;打桩期间,应选择合理的打桩顺序,并结合工程的具体情况严格控制打桩速率,不得连续打桩,每天至少应保证8小时以上的土体休止时间。
进行大面积密集桩群施工时,应采取相应得辅助措施,如采取先预钻孔,然后再打桩,可有效的降低挤土效应;增加应力释放孔,并确保其有效性;对饱和粘性土地基,应设置袋装砂井或塑料排水板等措施,有效降低超孔隙水压力对土体的不利影响。
如有特殊要求,打桩前可埋置测斜管,在打桩过程中对土体位移进行监测。
基坑开挖方案的确定,应考虑打桩造成的土体强度降低的影响;对流塑状软土的基坑,挖土应均衡分层进行,土体高差不应超过1米;根据工程经验,当采用分级放坡开挖时,坡度应适当减小,分级平台长度应加大;如对开挖方案无确切把握,开挖时应对土体位移进行监测,并做好相应处理预案。
收稿日期:
2008-11-11
作者简介:
孙凡波(1976~),男,大学本科,工程师,主要从事结构设计工作。
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