1、沉管灌注桩典型工程分析提要：本文以典型的沉管桩工程为例，分析了沉管桩的常见事故原因和解决方法。关键词：沉管灌注桩一、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 500mm 沉管灌注桩。场地内同时进场三台机，80 天内施打完全部 1018 根工程桩。工程位于环城路与吉庇路交叉口，东南角，共 4 座住宅楼，全部采用 500mm 沉管灌注桩，总工期为 42 天，施打完全部的 702 根桩。工程、的桩基检测情况，土体主要物理状态指标，地质剖面图详见表一、二及图一、二。、桩基检测情况表一检测结果动 测 结 果工 程 名 工 程 幢 号桩 数(根)平
2、均桩长(m)置换率(%)施 工 工 期桩数(根) 静载结果(单桩设计承载力均匀为 500kN)A 288 20 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要求C 121 206.86.411 0 27.3 27.3 45.4设计承载力静载极限值1# 216151825 天 22 59.1 31.8 9.1 / 4809001000工 程 工 程 2#3#25020236.88.730 天 240 28.05 32.1 27.2 12.7 400576384576384土体物理性质指标表二土层天 然含水量W(%)
3、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 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验，类桩占 44%100%，静载 11 根，其中 9根达不到设计要求，且与设计要求差距甚远。工程中 2#4#楼竣工后经小应变检测、类桩占 30%40%。静载 4 根均未达设计要求。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
4、方面做粗浅的原因分析。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。桩周土可以分成三个区域，(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，经过相当长的时间，土体强度恢复。第区为挤密过渡区，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，孔隙比大大降低。根据公式计算，工程 I 中粘土的饱和度上升值 Sr=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
5、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=(-)tg+c，孔隙水压力上升时，有效应力下降，将使土的抗剪强度降低。图三中第、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 和工程的桩距多数仅在 33.5d 之间，造成第区压密重叠。前面已经说过第区的土体强度已经破坏，由于压密区的重叠造成对第区的水平应力重叠(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.布桩太密造成摩阻力的减少。土的摩阻力被发挥出来的程度，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到土原来的强度。桩表面摩阻力随着深度而
6、线性增加。摩阻力与土的原不拢动内聚力之比是随着深度而线性增加。摩阻力与土的原不拢动内聚力之比是随着土的坚硬而降低(见表三)。在很软的粘土中摩阻力约达到 100%，递减到很硬的粘土中摩阻力的减少 20%。摩阻力的降低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到 100%，而在中等及硬粘土中只能有不完全的重新固结(见图五) 。如果在布桩太密的情况下，打桩时的横向振动必然会相互影响，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
7、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软 0750 0700中等 7501500 700900混凝土桩木 桩硬 15003000 90013003.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、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。这对桩身质量造
8、成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 46 个月之间。而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，桩侧摩阻力还未达到土体原强茺，单桩承载不会达到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次序，对挤密灌注的质量会起到较大的影响，如工程。地质柱状见图六。(该工程为 500，桩长 1619m，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 满足设计要求，动测 77 根，类桩占 3.8%。与前两座工程的质量形成鲜明对比。这除了
9、工程的布桩率低，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，有利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明，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。因为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。经过工程总结发现，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主要原因。5.桩长太长，入土内的混凝土量太多，使得整体土体结构破
10、坏，工程 IA、B、C 三楼平均桩长为 20m，工程2#-4#楼桩长在 2023m 之间。土的位移可以使桩发生较大的变位，并可能造成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时，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、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
11、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.打桩顺序不当，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，三个月内打完全部桩。工程在 42 天之内施打完 702 根桩，平均每天共打入 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，如果全部隆起的话，将使地面抬高 0.1m，据统计地面隆地高度一般为理论的 3040%，大量的与桩体积
12、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。另外施工方法、工艺，人员素质等对工程质量均会造成不同程度的影响。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造成危害较大，由于
13、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，对桩身造成的危害也就越严重。三、总结：1.沉管桩对挤土效应很敏感，设计布桩率不宜太大，桩距最好在 4d 左右，置换率应控制在4.5%以下较易保证质量。2.根据施工实例统计，对于沉管桩较能保证质量的桩长范围为 400mm 在 16m 以内，500mm 在 18m 以内较合适。3.当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Ip25%，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降低孔隙水压力效果不大。因为孔隙水压力在短期内根本没有时间消散。工程、均采用了打沙石桩至淤泥底板 1m，以此降低孔隙水压力，均无明显效果。5.日打桩量应加以控制，400mm 每日打桩量最好不超过 12 根；500mm 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，并最好通长至淤泥底。参考资料：(1)( 美 )H.F 温物科思，方晓阳基础工程手册中国建筑工业出版社。2.孙更生、郑大同软土地基与地下工程中国建筑工业出版社。(3)李立学、金宋磬完全埋置悬挂与土的相互作用中国建筑工业出版社。
