静压预应力管桩载荷试验异常沉降的原因分析及复压处理
关键词：预应力管桩;静载;沉降
1工程概况
汕头市某新校区工程为五层建筑面积14500m2，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：
首先，按照规范中对工程桩的抽检要求，对照地勘报告，工程桩施工完成并满足规范规定的时间间歇后，随机对两根桩进行竖向载荷试验自检。该新校区的1#楼桩基础按设计要求的终压力值（Φ400管桩终压值为2900KN，Φ500管桩为4100KN）进行施工完成隔7天后进行复压抽查发现有些桩桩的承载值达不到设计要求，且出现桩身下沉情况，其中一根Φ500桩加载到六级时沉降突然加大，桩身开始滑行下沉，至沉降量达500.77mm后压力值才达到设计要求的终压力值为4100KN；另一根径Φ400桩，加载到六级时沉降突然加大，桩身开始滑行下沉，至沉降量达800.77mm后压力值才上升达到设计要求的终压值为2900KN，沉降量达达到908.91mm。经查施工记录，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7天，施工过程正常。因此决定对已施工完成的78根桩进行复压检查，结果11根桩出现压力值达不到设计要求，其余67根桩压力值达到设计要求。根据地质资料判断为不下沉的67根桩，桩尖基本能进入中砂层界面或进入该层，选择复压会出现下沉的27#桩（Φ400）和不会下沉的47#桩（Φ500）两根桩进行静压试验，采用静压桩机作为静载荷试验工具，在第七级至第九级又稳定均匀沉降，最终27#桩（Φ400）沉降量为34.74mm，残余19.50mm。最终47#桩（Φ500）沉降量为29.55mm，残余14.98mm。经两根桩进行静压试验结果合格，复压检查后桩的承载值达到设计要求。
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7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7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，桩尖脱离持力层。在类似土质压桩的实际观测中发现，快速压桩达到终压值桩机卸载时桩身最大上浮达50-70mm，扣除正常桩静载荷试验回弹量大约为10-18mm，残余沉降量将达40-50mm，复压很难消除掉这么大的回弹量；另外，在大压力下复压，相当对桩施加很大的冲击荷载，容易对桩身特别是桩头法兰盘与桩身混凝土接触处、桩接头焊缝处产生裂缝，有的施工单位并不愿意认真复压。如果在施打过程中没有采取逐步加载多次复压的措施，敷衍了事，这些桩在静载荷试验时就可能达不到设计要求。
3.4挤土效应
召集有关单位分析事故原因的会议上，有的单位坚持事故是由挤土效应引起的。挤土效应一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应对已经施打的桩的影响表现为桩身倾斜及浅桩（≤20m）上浮。这些情况多发生在桩距较密、布桩平面系数大且存在巨厚粘土层的地基。本工程同一承台桩间距Φ400、Φ500分别为1200mm、1500mm，均大于3倍桩径；柱距为3.2～7.0m之间，场区桩距较大，布桩平面系数小，本工程为2.6%，且桩长≥29m，桩施工时未出现土体隆起现象，周围路面和建筑物未见因压桩引起的新的损伤，可见因沉桩挤土引起桩体上抬导致桩尖脱离持力层的说法是不正确的。
4复压处理及结果
通过上面分析，此次事故主要原因为：压桩与静载荷试验间歇时间太短、桩端持力层存在粘土薄弱土层、快速沉桩导致饱和粘土层回弹致使桩身上浮。因此，要求施工单位有的放矢地对持力层存在粘土薄弱土层的地质钻探孔至周边正常地质钻探孔范围内的桩必须全数进行复压；选取试验的桩必须在该桩复压25天后再进行静载荷试验。
在复压时碰到的问题和采取的措施如下：
4.1复压控制
4.1.1消除桩周土固结
由于桩周土有多层饱和软塑～可塑粘土层，且层厚大，层数多，摩擦力大，特别是先施打完成的桩由于土体重新固结，在桩机瞬时大压力加载下桩可能难于沉降，不能达到复压目的。在复压时，先采用极限承载力标准值60%～70%的压力进行瞬时短暂地反复施压，以破坏桩周土的固结效应。实践证明，这个方法是可行的，复压沉降量较大的桩都在施压6-8次之后就开始有明显下沉。
4.1.2终压控制
考虑到管桩公司提供的桩身强度有一定安全储备，把桩复压终止压力值控制在单桩竖向承载力极限标准值的100～110%。对首批复压的78根桩进行小应变试验，结果其中78根为Ⅰ类桩，表明桩身质量符合要求，终压控制压力值是安全的。由于液压静力压桩机的构造特性，对桩顶施加压力不能象竖向静载荷试验一样维持某个稳定的压力持续长时间加载，施压时桩尖遇到受压缩密实砂层时压力直线上升，所以复压压力接近终压值时需特别小心，稍有大意，压力就会急速上升，可能破坏桩身完整性。
4.1.3桩机配重
桩机配重对桩机施打过程的稳定性至关重要。配重不足，桩机压力接近终压值时桩顶反力使桩架上抬脱离地面，桩机失去稳定性，容易使桩顶受到冲击，可能使桩身特别是桩顶法兰盘与混凝土接触处损坏。复压初期就有三根桩的桩顶受到破坏，当要求桩机配重加大到600T后桩顶破坏情况基本得到消除。
4.2送桩深度
部分送桩深度为0.4-0.5m。由于场区水位为-0.5m，水位较高，送桩超过0.5m的桩复压难以进行，主要因为复压时钢桩送难以对准桩头。如复压时钢桩送未能对准桩头，会使桩头偏心受压，桩身受拉产生横向裂纹以至破坏。如果通过大面积开挖，外露的桩必须砍掉桩头，桩头没有法兰盘约束，在复压时容易破坏；桩机也难以进入基坑作业。所以复压前先挖去场区400mm以上的表层砂层，以不露出桩头为限，使绝大部分桩都得以复压。挖出埋得较深桩头的砂坑，在桩机的重压下砂可能流入砂坑。为了解决这个问题，要求在桩头以下300-500mm处放置厚壁砼井圈，井圈上沿低于地面100mm，避免桩机移动时压坏井圈和方便就位。
4.3沉降观测
为使复压沉降情况直观明显，预制了1.2×1.2的龙门架，待桩机就位后水平稳定地安放在桩的周边。利用龙门架可以方便地在复压过程中测量桩的沉降和回弹情况。此外，为了查明桩最终沉降情况，利用水准仪测量复压前及复压后即时和一天后桩头的标高差，即为桩的复压回弹量和最终沉降值。
4.4处理结果
总共复压了318根桩，其中19根复压沉降量超过10mm，5根超过20mm，最大沉降47mm。复压完成18天后共选择5根进行静载荷试验，最大沉降量为17.4-32.5mm，残余沉降量为2.5-17.4mm,全部达到设计要求。Q-s曲线无明显陡降，s-lgt曲线尾部无明显向下弯曲。
该工程已经竣工验收备案，最大沉降量9mm，最小沉降量7mm，上部主体结构未发现可见裂缝，结构安全可靠。
5设计和施工注意问题
5.1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。
5.2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。
