预应力混凝土管桩偏位实例分析与加固处理

周 敏

ZHOU Min

(浙江省城乡综合设计院有限公司，浙江 杭州310005)

预应力混凝土管桩具有造价低、施工速度快等特点，近年来在多高层建筑基础设计中被广泛使用。但是，因为预应力混凝土管桩在自身平面内抗弯刚度较小，在基坑开挖阶段，当遇到较大的土体侧向压力时，管桩很容易发生较大的水平侧移，造成桩身破坏。此时若分析处理不当，盲目继续施工，往往容易留下安全隐患甚至酿成工程事故。

1 工程概况

舟山市永跃大厦位于浙江省舟山市普陀东港新区29 -18#地块，距离朱家尖大桥往北约800 m 处。由一栋19 层主楼和3 层裙房组成，设1 层地下室。地下室层高5.0 m，主要用作汽车库及设备用房;地上首层层高为5.0 m，主楼主要功能为大堂庭院，裙房主要功能为商业网点;2 层层高为5.0 m，主楼主要功能为办公，裙房主要功能为餐厅和后勤用房;3 层层高为4.8 m，主楼主要功能为办公，裙房主要功能为会议和附属用房;主楼4～19 层层高均为3.9 m，主要功能为办公。主楼与裙房之间不设抗震缝。

工程总建筑面积25383 m2(其中地下部分建筑面积约为4324 m2)，主楼结构高度为77.600 m。采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，设计基本地震加速度为0.10 g，地震分组为第一组，场地土类别为Ⅳ类。框架及剪力墙抗震等级均为二级，填充墙采用蒸压加气混凝土砌块。

1.1 土层分布

根据海军东海建筑安装工程中心勘测队提供的《永跃大厦岩土工程勘察报告》(工程编号2009—04—010)，地基自上而下分布情况见表1。

各地基土层基础设计参数见表2。

表1 各土层主要物理力学参数

表2 各岩土层地基承载力及桩基参数建议值

1.2 水文地质条件

场区勘探深度(83.0 m)范围内地下水属上层滞水，主要赋存于素填土底部和淤泥质黏性土层上部。受大气降水竖向入渗补给及地表水体下渗补给为主，径流缓慢。勘察期间，钻孔稳定水位埋深0.1～2.6 m。水位变化主要受大气降水影响，接受大气降水垂直渗入补给。根据舟山区域水文地质资料，结合气候和降水特点，明确地下室抗浮验算最高水位宜从地表算起。

综合考虑施工工期和工程造价，桩型采用先张法预应力混凝土管桩，锤击法施工。基础采用柱下独立承台和墙下筏板承台。

裙房区域管桩采用PC -AB600(100)，桩身混凝土强度等级C60，桩径600 mm，壁厚100 mm。桩长48 m、4 节，单桩竖向抗压承载力特征值Ra=2000 kN，桩端进入持力层(7 号粉质黏土)深度≥2.5 m。施工时以桩长控制为主，以贯入度(最后30击，每10 击贯入深度不大于80 mm)控制为辅。共141 根。

裙房区域底板另外增设209 根PC - AB600(100)抗拔桩，桩长15 m。以桩长控制为主，单桩竖向抗拔承载力特征值Ra=170 kN。共209 根。

主楼区域框架柱下管桩采用PHC - AB800(110)，桩身混凝土强度等级C80，桩径800 mm，壁厚110 mm。桩长64 m、4 节，共60 根。

主楼区域核心筒下管桩采用PHC - AB800(110)，桩身混凝土强度等级C80，桩径800 mm，壁厚110 mm。桩长72 m、5 节，共48 根。

主楼区域所有单桩竖向抗压承载力特征值Ra均取4350 kN;桩端进入持力层(9 号粉质黏土)深度≥2.5 m。施工时以桩长控制为主，以贯入度(最后30 击，每10 击贯入深度不大于50 mm)控制为辅。

设计要求建筑物最大沉降量不超过180 mm;主楼核心筒与外围框架柱之间、主楼框架柱与裙房框架柱之间、裙房框架柱之间沉降差均不超过0.3%。为实现这一目标，设计人员采取以下措施:(1)主楼核心筒下桩基进行变刚度调平设计(核心筒部位的有效桩长比外围框架柱下的有效桩长加长8 m);(2)主楼与裙房之间设置沉降后浇带，该沉降后浇带宜在两侧主体结顶后至少14 d 方可进行浇灌。采取上述措施后，建筑物的沉降量和沉降差计算均能满足规范及设计要求。

2 问题出现

2010年2 月开始施工本工程围护桩，围护桩由两排Φ800 水泥搅拌桩止水帷幕和一排Φ1000钻孔灌注桩组成。2010年5月围护桩施工完毕。

2010年1月13 日开始打工程桩试桩，试桩情况良好。在整个工程桩施工过程中，除裙房北侧有极少数工程桩欠送3～4 m 外，其余基桩施工都比较顺利。2010年6月采用堆载法进行桩基静载荷试验，结果完全符合规范及设计要求。

2010年7 月开始进行全面基坑开挖。但由于在基坑开挖过程中，施工单位未能做到均匀、分层开挖;也没有严格控制相邻基坑一次性开挖高差小于1.0 m;更没有做到随挖随撑、实时监控。因此自2010年7月20日起，就陆续有开挖后的较大桩偏位报告汇报给建设单位和设计单位。考虑到发生偏位的桩数量较多，数值较大，笔者和相关设计人员于2010年8月初到现场进行实地考察，发现了一些比较明显的问题:一是开挖班组各自为政，开挖深度、范围和层次非常不均匀，造成相邻基坑开挖高差往往达到甚至超过1.8 m;二是裙房外围的围护桩有些变形比较严重，围护桩桩后土体明显滑落至基坑;三是围护设计未能有效地控制坑中坑开挖时土体的侧向位移。针对上述问题，笔者要求施工单位立即调整施工方案，并确保做到以下几点:一是严格控制相邻基坑开挖高差不得超过0.8 m;二是对已经失效的围护桩尽快清除，改为自然放坡;三是要求施工单位在开挖主楼核心筒下的坑中坑承台之前，补打部分围护桩并增加三条混凝土水平支撑梁;四是要求在基桩全部开挖完成后，必须暂停施工，等到对所有基桩进行检测、评估和制定加固措施以后，才能正式进入下道施工工序。

3 原因分析

2010年8月31 日五方主体单位在现场召开了桩基偏位处理协调会。在认真听取各方的主要意见之后，笔者又仔细查阅了施工现场记录，虚心询问了工程桩具体施工人员，做到心中基本有数。然后会同建设单位、监理单位、施工单位主要负责人员下到基坑底，对照施工记录中偏位数值较大的桩，现场重新复核。经过几天的分析、思考，笔者提出了自己的观点:一是所有开挖后的桩都应该补做低应变检测，明确最终桩身质量;二是结合桩偏位数值，对于偏位在验收规范允许范围内的Ⅰ、Ⅱ类桩，明确可以继续使用;对于Ⅲ、Ⅳ类桩及偏位超出验收规范允许范围的Ⅰ、Ⅱ类桩，均应进行加固或补钻孔灌注桩处理;三是对于有些偏位特别大的桩，无论检测结果是哪类桩，都应该废弃不用，重新补钻孔灌注桩。

对于第一条处理建议，大家都没有异议。

对于第二条如何界定验收规范允许的偏位数值范围，各方有不同理解。施工单位认为，有效桩长为48～64 m，参照《建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB 50202—2002)》第5.1.4 条，关于灌注桩垂直度允许偏差为1%计算［1］，则管桩的垂直度允许偏差值为480～640 mm;如果再加上桩本身施工允许的水平偏差(D/2 =300～400 mm)，那么最终桩的允许偏差可达到780～1040 mm。施工单位认为偏位小于上述数值的桩，只需简单处理即可，不需要采取加固措施。笔者认为上述意见明显欠妥，一是实际桩的偏位均倒向开挖的基坑中心，有明显的规律性，而并没有呈现随机分布。二是如果按照施工单位的说法，管桩在施工时全长倾斜，那么当下一节管桩进入土层后，在施工上一节管桩时，D60 柴油锤施加在上一节管桩桩顶的力，将对上一节管桩桩底及上、下节管桩之间的连接焊缝产生较大的附加弯矩。简图示意见图1。

图1 简图示意

查阅浙江省标准图集《先张法预应力混凝土管桩(2010 浙G22)》可得［2］，柴油锤的冲击力为5000～7000 kN，Mk附加=5000 kN×(15 m×1%)=750 kN·m。远远超过管桩的抗裂弯矩 Mk=471 kN·m，且基本接近管桩的极限弯矩Muk=771 kN·m。那么在施工过程中，每一节管桩都已经开裂甚至接近破坏，根本不能正常使用。但随后的低应变检测结果并没有反映出这一现象。因此笔者认为桩施工过程中，桩全长范围存在上述偏位基本上是不可能发生的。造成上述偏位结果的原因是在基坑开挖过程中，一次性单侧开挖深度过大，基坑围护(尤其是坑中坑围护设计)不到位，从而造成处于软土范围内的上部两节管桩向基坑中心倾斜。而第三节管桩以下均位于相对较好的土层中，土体流动性明显减弱，受基坑开挖的影响也大大减少，可以初步判断第三节管桩及以下桩的偏位可以忽略不计。由浙江宏宇工程勘察设计有限公司提供的低应变检测结果也表明，绝大多数Φ600 的Ⅱ、Ⅲ类工程桩，缺陷部位均出现在桩顶以下11～13 m;绝大多数Φ800 的Ⅱ、Ⅲ类工程桩，缺陷部位均出现在桩顶以下14～16 m;也就是第一节与第二节管桩焊接连接部位附近。

4 纠偏处理

施工单位提出以下方案:第一步是用千斤顶对偏位管桩实施顶推工艺，尽量使其复位;第二步是对所有的Ⅲ、Ⅳ类工程桩，均采用内部灌芯处理，灌芯长度为穿越第一节与第二节管桩焊接连接部位以下2 m，即可正常使用。上述加固步骤理论上应该可行，而且实际工程中也有类似处理案例［3］。但笔者认为针对本工程，该方案实施起来操作性不强。因为最上面一节管桩在顶推复位过程中，要克服桩侧被动土压力，这个数值是很大的。

简单计算Φ600 的工程桩(第一节桩长12 m):

乘以管桩折算直径，该荷载约为897 × (0.8 ×0.60)= 430.56 kN。

简单计算Φ800 的工程桩(第一节桩长15 m):

乘以管桩折算直径，该荷载约为1402.21 ×(0.8 ×0.80)= 897.41 kN。

这么大的推力，一般的千斤顶根本无法提供。而如果采用桩侧取土工艺，势必会引起桩的二次偏位，后果可能更不堪设想;因此顶推复位工艺不可行。对于灌芯方案，各方基本认可。但具体到对哪些桩进行灌芯、灌芯长度、灌芯后的桩承载力取值等关键问题，各方众说纷纭。为了从理论上解决上述疑惑，让工程得以顺利实施，笔者就桩偏位后的受力情况作了一些假定:(1)假定发生偏位的部分仅为最上部两节管桩;(2)假定最上部两节管桩桩侧土层基本均匀;(3)假定地下水稳定水位恰好位于管桩桩顶;(4)不考虑桩周土及桩侧土先于桩身破坏;(5)以管桩受压一侧最外边缘混凝土应力是否达到或接近fck来判断，该管桩是否到达极限受力状态;(6)不考虑同一承台下，不同的单桩反力引起的承台翘曲、倾斜变形。简化后的管桩受力力学模型见图2。

图2 简化后的管桩受力力学模型

管桩桩身倾斜后，在竖向荷载作用下，桩顶将产生的附加水平力。该水平力由桩偏位对应侧的土体静止土压力来平衡;同时该水平力使桩身在一定深度范围内将产生附加水平剪力和附加弯矩。

选取主楼区域最典型的框架柱下四桩承台为例进行计算，假定承台最大竖向荷载为4 根基桩竖向承载力特征值之和，不考虑柱底水平剪力和弯矩。当4 根基桩同向水平位移均为300 mm 时，群桩的形心与上部荷载重心不再重合，各基桩反力不再相等。简单示意见图3。

图3 桩位不偏移和偏移受力简图

主动土压力系数ka= tg2(45° - 12.6°/2)=0.642;

被动土压力系数kp= tg2(45° + 12.6°/2)=1.558;

桩侧静止土压力系数k0取两者之间的一个数值，根据当地类似工程经验，可取k0= 0.80。

桩侧有效发挥土体抗力的截面计算宽度参照《建筑桩基技术规范(JGJ 98—2008)》附录C 的规定［4］，b0= 0.9 × (1.5 ×0.8 +0.5)= 1.53 m。

计算可得桩身某处(深度为x)的弯矩标准值

即桩身弯矩标准值是深度x 的函数。f'［M(x)］=Rah-4.90 ×x2。则当x = 3.28 m 时，Mx取得最大值=52.82 ×3.28 -1.63 ×3.283=115.73 kN·m。弯矩标准值作用下的σM= Mmax/W弹性模量=3.18 N/mm2;轴力标准值作用下的σN= Nmax/A净面积= 22.15 N/mm2。计算结果汇总见表3。

表3 φ800 工程桩不同偏位桩身应力汇总

裙房区域最典型的为框架柱下三桩承台，参照上述做法，b0=1.26 m;Mx=Rah×x-1.34 ×x3;f'［M(x)］=Rah-4.00x2。计算结果汇总见表4。

表4 φ600 工程桩不同偏位桩身应力汇总

明确了各种偏位工程桩的承载力折减幅度后，各方意见基本统一。结合低应变检测结果，分别采取在管桩内灌芯、废弃一部分工程桩、补打一部分Φ600 和Φ800 的钻孔灌注桩、加大部分承台尺寸和基础梁配筋等措施进行加固处理。加固桩位平面布置图见图4。

工程桩的具体加固做法见表5。

具体的加固工作从2010年7月开始，持续到2010年12月结束。要求加固后的灌芯及补桩桩身完整性应至少满足《建筑基桩检测技术规范(JGJ 106—2014)》［5］中规定的Ⅱ类桩要求;同时必须满足《建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB 50202—2002)》［1］等其他国家和地方相应验收规范规定。2011年10月28日该工程进行中间结构验收，2012年11月24日该工程进行竣工验收，沉降观测共布设14 个点，根据规范规定及施工进度要求进行沉降观测，共观测22 次。第一次观测日期为2011年1月23日，最后一次观测日期为2011年10月14日。最大沉降量为11 mm，最小沉降量为5 mm。说明该建筑物整体沉降均匀，沉降速率基本平稳，桩基的加固处理取得了预期的效果。

图4 加固桩位平面布置图

表5 工程桩加固措施汇总

5 结 语

预应力管桩虽然具有非常明显的优点，但是在基坑开挖过程中容易产生桩偏位、桩身断裂等各种事故。所以在有较深地下室的高层建筑基础中使用时要特别谨慎，尽量做到反复论证，综合考虑。当然，桩基设计的方案一旦确定，面对管桩基础产生的各种突发情况，更重要的是要冷静分析，大胆假设，小心求证。做到既有一定的理论依据，又能较好地结合工程实际。

永跃大厦自竣工验收结束后，至今已经过了将近一年半。期间笔者也回访了数次，使用情况良好;内部轻质隔墙未出现结构裂缝，室外地坪也未出现明显的不均匀隆起或下沉。本文的理论推导对管桩基础纠偏提供了一定的理论基础;而且将误差控制在桩基础加固工程的精度范围内，基本做到了造价经济、结构安全。

［1]上海市建设和管理委员会.GB 50202—2002 建筑地基基础工程施工质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2002.

［2]浙江省建筑设计研究院.2010 浙G22 浙江省建筑标准设计结构标准图集 先张法混凝土预应力管桩［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［3]刘金波.建筑地基基础设计禁忌与实例［M］. 北京:中国建筑工业出版社，2013.

［4]中国建筑科学研究院. JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5]中国建筑科学研究院. JGJ 106—2014 建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014.