PHC预应力混凝土管桩基础质量缺陷处理 - 建筑设计论文发表
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PHC预应力混凝土管桩基础质量缺陷处理
郝 为 峰
【摘 要】高强混凝土预应力管桩具有卓越的工程性能，广泛应用于高层建筑基础。但由于设计、施工等原因，质量问题也较多。本文介绍了某大楼管桩基础施工中所存在的质量问题、处理工艺及处理过程、质量检测和鉴定方法以及施工质量验收等，分析了管桩基础质量问题的产生原因，提出了管桩基础设计施工中应注意的若干事项。
【关键词】预应力管桩基础 质量缺陷 缺陷处理工艺和过程 混凝土填芯 投石注浆 钢管桩补强 质量检测
华东地区某行政中心大楼，混凝土预应力管桩检测过程中，发现桩身不同位置出现裂缝、错位、桩中桩等质量问题和质量缺陷，经过多次专家论证，采取了管桩芯混凝土补强、管桩芯投石注浆、地基土压密注浆、增补钢管桩等措施，最后经各项检测和联合验收，达到了设计和规范要求。
一、工程概况及桩基础设计指标
该行政中心大楼建筑面积9.82万平方米，钢筋混凝土框架-筒体结构，裙房部分为3层、高度18.47m，主楼部分为22层、高度109m，地下室为2层基底标高-7.85m。工程桩总数量为1306根，其中主楼区为群桩（桩距2m）共计938根，裙房区为承台桩共计368根。
抗压桩采用预应力混凝土管桩（PHCAB600-110*10），按照《上海市建筑标准图集先张发预应力混凝土管桩》制作，桩身强度等级C80，主楼桩长31m裙楼32m，单桩承载力特征值2300KN。抗拔桩为预制钢筋混凝土450×450mm方桩，桩身强度等级C40桩长32m，单桩承载力设计值900KN。设计桩端持力层为粉土类，桩端入持力层深度2～3m，施工质量控制以标高为主、锤击贯入度为辅。
二、桩基础施工方案及施工过程
1. 桩基础施工方案
根据工程地质条件和当地政府建设文明施工现场的有关要求，本工程预应力混凝土管桩以静压为主锤击为辅方法施工。即：大部分管桩采用静压法施工，以降低噪音和震动，减少施工对周围环境的影响；土层较为复杂的局部区域，为增加沉桩的穿透能力采用锤击法施工。打桩机械采用3台JNB－900型全液压静压桩机、1台D80型柴油锤桩机。
2. 施工过程简述
施工试桩采用静压工艺，经单桩极限承载力静荷载试验，最大荷载值均不小于5759 KN，对应的桩顶沉降位移量为19.00mm。根据试桩结果，设计单位确定单桩承载力特征值为2300KN。
工程桩于试桩检测合格后，按照经批准的施工方案进行静压桩和锤击桩施工。沉桩过程中，无论静压桩还是锤击桩都出现了少数桩达不到设计标高的情况，而其它指标如静压桩压力值（3450～5700 KN）、锤击桩贯入度（最后3阵贯入度2～5cm/击）均满足要求。
施工单位请示设计单位意见，设计单位回复沉桩以标高控制为主，尽可能压至设计标高。根据现场情况，施工单位提出下述方案：1）静压桩不能压至设计标高的，改由锤击桩施工；2）锤击桩不能施工至设计标高的，采用预引孔方案施工，即减少桩身摩阻力保证沉桩至设计标高。由于预引孔方案涉及到部分费用，而施工合同价又是固定总价合同，故业主不同意支出合同外额外费用，方案改为使用大功率锤击桩机施工。
三、桩基础检测及缺陷桩情况
1. 桩基础检测
工程进入土方开挖阶段，随土方开挖进度检测单位对桩基础进行了桩身完整性（低应变）检测，检测结果如下：主楼部分（工程桩总数938根）低应变检测总数925根，低应变检测发现缺陷桩（Ⅲ类、Ⅳ类）78根，桩中桩5根，共计缺陷桩83根，缺陷桩占主楼总桩数的8.8％；裙楼部分（工程桩总数368根）低应变检测总数238根，低应变检测发现缺陷桩5根，低应变缺陷桩占主楼检测总数的2.1％。
在小应变桩身完整性检测基础上，还进行了大应变检测。大应变检测表明，部分桩基础虽小应变判为Ⅲ类、Ⅳ类桩，但桩基础承载力满足设计要求。
2.桩清孔摄像检查、缺陷具体情况
在小应变、大应变检测基础上，为进一步查明缺陷桩伤损情况、制定缺陷处理方案，根据专家论证意见，对缺陷桩进行清孔、抽水并摄像检查。根据摄像资料，缺陷桩伤损主要有一般裂缝、断裂处错位、断裂处涌砂、桩身弯曲、桩中桩、桩身明显下沉等情况，列表介绍如下：
四、桩基础质量问题原因简析
本工程的Ⅲ类、Ⅳ类缺陷桩高达8.8%，在当地甚至华东地区也是绝无仅有的，故有必要对管桩基础缺陷产生的原因进行分析和探讨。当然，管桩基础出现裂缝、错位等质量缺陷的原因很复杂，笔者试结合本工程实际，从设计、施工两个角度做下述分析。
1. 设计角度应考虑的问题
本工程主楼群桩的设计间距为2.0m，即3.33倍管桩直径。暂且不论2.0m桩间距是不是基础设计必须的，单据以往工程经验，应该说2.0m间距对于600mm管桩而言间距是比较偏小的。管桩属于挤土类桩基础，特别是大桩径小间距管桩基础，挤土量量很大、挤土效应明显，挤土效应产生的水平推力对桩身的破坏性很大（见后述），可能导致桩基础缺陷产生。
所以，在满足结构计算和规范规定、确保结构安全的基础上，尽可能考虑施工因素，不能把安全系数定得过大，从而给施工造成困难。
2. 挖土机械的影响
管桩基础施工完毕后，土建施工单位即进行土方开挖，开挖方案按照常规方法进行。选用反铲挖掘机和推土机配合施工，推土机由基坑西侧向东侧推土、挖掘机在边角处配合，土方分层开挖至桩顶标高上300～500mm，之后推土机退出，剩余土方由人工配合挖掘机施工。上述开挖过程，对管桩质量可能产生的影响简析如下：
1）工程地基土多为压缩性较高淤泥质土、松散性粉质砂土，加之基坑降水效果不佳，土体压缩性和流动性较大。推土机行走时与管桩顶部的实际距离，可能不足规定；同时推土机行走还给土体施加了一水平推力，土体可能把这种推力传递给附近桩基础，一定程度上构成了管桩缺陷产生的原因。
2）由于基础底板分布有电梯坑、水坑等下沉构件，而沉桩标高是统一的，实际上“坑中坑”开挖是在桩间进行的。由于挖掘机操作工水平不高，加之坑深较大、截桩不及时等，挖掘机抓斗在挖土过程中难免碰撞桩身。由于管桩为薄壁结构，在外部水平推力作用下，极易产生裂缝及断裂情况，直接导致管桩基础质量缺陷的产生。
3. 淤泥质土产生水平力
工程勘察报告显示，主楼西段淤泥层较薄地质情况相对较好，东段淤泥层较厚地质情况相对较差，之后地下室开挖也证明了这一点。从小应变检测情况分析来看，Ⅲ类、Ⅳ类桩数量西段比东段要少得多，这也说明淤泥质土挤土产生的影响较大。
淤泥质土的不排水抗剪强度较低，具有弱渗透性和不排水时压缩性低的特点。管桩沉入地基土后，四周土体受到强烈扰动，主要表现为径向位移，桩尖桩周一定范围内的土体受到不排水剪切及很大的水平挤压，桩周土体接近于非压缩状并产生很大的剪切变形。此时地基土扰动重塑土的体积不会产生变化，土体颗粒间空隙内的自由水被挤压，形成较大的超静孔隙水压力，降低了土的不排水抗剪强度，促使桩周临近土体在沉桩过程中，向桩周发生较大的侧向位移和隆起。空隙水向四周消散及地基土体低压缩性的影响，以及群桩施工中叠加效应，进一步扩大位移和隆起的影响范围，由于用于压桩的设备重达500余吨，且桩机行走时路基箱与地面接触面较大，土体向上隆起受到限制，只能在场地以下水平方向挤土，对已沉入的桩体（特别是未达到标高的桩体）产生水平推力作用。
由于混凝土抗拉强度低于其轴心抗压强度，所以钢筋混凝土翘曲时首先将在截面受拉侧开裂并趋于破坏。特别是抗弯刚度EI值较大的大直径桩，因为它在较小的变形时将产生较大的应力，故可能在较小位移和转角的变位下发生截面受拉破坏。
4. 坑中坑周边土压力
如前所述，基础底板上分布有多个电梯坑、积水坑，其中电梯坑深度达8m以上。坑坑中的开挖，虽然也采取了一定的支护措施（如采用锚杆或土钉墙等），但一般是边开挖边支护或者说是先开挖后支护，土的侧压力实际上已施加给坑边桩基础（如下图所示）。如果这种侧压力较大，加之支护措施不到位，就可能致使桩身出现裂缝、错位等质量缺陷。
5. 打桩控制方法的选择
本工程成桩控制指标，过分强调了“摩擦桩以标高控制为主”的原则，甚至在压（打）桩不下情况下，还一再坚持标高控制，犯了教条主义错误。
按照工程经验，预制桩施工应以设计桩端标高为成桩标准作为主要控制指标，同时辅以最后贯入度作为参考指标,来进行施工控制。确定成桩指标因素很多，对于本工程而言主要参考管桩压力值、单桩承载力设计值、最后贯入度、每米沉桩锤击数、最后1 m沉桩锤击数、桩基进入持力层的深度等，而不是标高一种控制指标。
五、缺陷桩质量处理方案及处理程序
缺陷桩数量如此之多，不能满足工程结构安全要求，必须采取措施进行质量处理。而桩基础的缺陷类型又互不相同，质量处理也较为复杂，结合以往类似工程经验，并经专家会议讨论，决定采取下述方案进行缺陷桩质量处理：
1. 对小应变检测的缺陷桩，不论大应变承载力是否符合要求，均进行填芯处理，处理范围为裂缝（错位）位置下5m至桩顶，针对不同缺陷类型，质量处理分为钢筋笼混凝土填芯、插筋投石注水泥浆、管桩外地基土注水泥浆等；
2. 填芯混凝土至龄期后，再进行小应变、大应变检测，检测合格则判为合格桩，仍有缺陷的按废桩论处；
3. 已经判为废桩的5根桩和填芯后再检测仍然有缺陷的桩，由设计院考虑补桩，考虑到工期影响、地基土特征、现场状况（基坑开挖支护结束，垫层混凝土浇筑完桩头外露，大型打桩机械不便行走）等因素，选用锚杆静压钢桩(φ477*14*31000mm/Q345B)为补桩桩型；
4. 锚杆钢桩采用反力架施工，即在基础底板上预留锚栓固定反力支架，支架横梁与钢桩之间放置千斤顶，利用千斤顶行程顶进钢管桩；
5. 确定补桩位置和数量后，在基础底板内预留补桩孔，补桩孔呈下大上小的棱台楔状，结构受力合理；
6. 预留补桩孔后即进行基础底板施工，增补钢桩在地下室和主体结构施工期间穿插进行，不影响工程工期。
六、缺陷桩的处理主要工艺
1. 管桩内清孔
管桩内清孔采用高压水冲洗桩内土体、水泵抽水的方法进行，正常清孔较为简单，施工难点主要有以下几个方面：遇到高压水不能肢解的坚硬物质、部分桩抽水后或抽水过程中产生涌水涌砂等，分别叙述如下：
1）遇到高压水不能肢解的坚硬物质，根据其深度位置不同，分别选用下述方法处理：①如果坚硬物质深度不大（3m以内），采用挖土、截桩方式清除，之后继续采用冲洗、抽水方法清孔；②如果坚硬物质深度较大，已超过裂缝深度时可停止清孔；③如果坚硬物质深度较大，清孔不能超过裂缝深度情况，视具体情况而定，不得以可停止清孔，以免对管桩造成其它伤害。
2）由于部分桩裂缝过大和错位，桩内抽水后或抽水过程中产生了涌水涌砂现象。涌水涌砂情况下处理方法为：①停止抽水保持管桩内外压力平衡，避免桩外土体大量进入桩内，桩侧摩擦力削弱承载力下降；②继续注入高压水使桩内水自动溢出，直至清孔完成，并使桩孔内泥浆比重较低（主要是降低含泥量，保证投石注浆加固效果）。
2. 填芯补强
填芯补强根据缺陷具体类型，采用了三种形式：①一般性裂缝的缺陷桩，清孔较为顺利，清孔完毕后按照清孔深度，放置钢筋笼、浇筑C40混凝土；②清孔遇到障碍物的缺陷桩，障碍物以上参照前述方法钢筋混凝土补强；③断裂错位、桩身弯曲的缺陷桩分上下两段处理，下段采用插钢筋投石注浆处理，上段采用钢筋混凝土加固；④断裂涌砂的缺陷桩，由于桩孔内有大量的水，采用插钢筋（笼）、投石注浆方法补强；⑤桩中桩类型的缺陷桩已判为废桩，为有限利用其作用，凡上段可清孔的，也进行投石注浆处理。
3. 预留补桩孔
补桩孔预留也是一个重要环节，由于预留孔必然要切断底板钢筋，施工中采用了下述方法处理：①考虑到孔底切断钢筋难以在以后恢复，在孔底用30mm厚Q345钢板制作了800*800*400mm钢框，被切断底板钢筋在其四周焊接，充分保证了结构安全；②钢框以上采用支模板预留，上部切断钢筋考虑在补桩后恢复，桩孔四周钢筋接头均加工成螺纹，包覆严密后浇入混凝土。
考虑到后浇的桩孔混凝土必须保证底板不渗漏，桩孔四周模板留置企口凹槽；还考虑到桩孔混凝土实际上就是后补桩之承台，如前所述把桩孔留成下大上小倒瓶塞状的棱台楔，保证结构受力合理。
4. 预留孔混凝土浇筑
由于地下水较高，原有降水设施很难有效保留较长时间，所以预留孔混凝土浇筑的难点是如何排除预留孔积水。采取方案如下：①底板混凝土浇筑前，桩孔处预留抽水管道，抽除积水时把水泵与预留管接驳即可；②为有效防止地基土随抽水流失，造成桩基础承载力损失，在静压锚杆钢桩桩头位置铺填一定厚度碎石，利用碎石压制地基土流失。
七、桩基础工程质量验收
缺陷桩填芯补强完成后，委托检测单位对桩身质量进行的低应变检测（主楼99.25%、裙楼64.6%）和3%的高应变检测，检测结果均为Ⅰ类桩和Ⅱ类桩，判定填芯补强桩合格。
增补的锚杆静压钢桩，以施工记录的压力值、桩长、接桩焊缝探伤检测等为标准进行验收。有关记录显示，钢桩尺寸及外观质量符合设计及施工质量验收规范的要求，验收记录完整。桩顶标高符合设计及施工验收规范的要求，最大压桩力7666 KN，最小压桩力4766KN，4766KN〉1.5*2300KN,满足设计要求。
综合桩基础检测情况，桩身质量经低应变检测（1163根）合格，单桩极限承载力标准值经高应变检测（计39根）符合设计和施工质量验收规范的要求，桩基工程施工质量验收合格。
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