刘祖德--桩基工程中若干概念设计问题

刘祖德教授博导傅旭东教授博导邹勇博士司马军博士高工杜斌博士2007.09上海桩基工程中若干概念设计问题第八届全国桩基工程学术年会报告武汉大学土建学院武汉大学设计研究总院汇报提纲1．软土地区单层排架厂房地坪桩基托换加固方案优化2．应力解除孔在挤入式密集群桩基础中的应用3．普遍推广PHC管桩以来桩基设计施工新矛盾的解决办法4．警惕扩底式灌注桩基础水平向承载力低下的软肋5．排桩+高压旋喷桩构成复合板墙的抗水平推力大增6．人工挖孔桩的几种工程事故特例分析8．打入桩的几种工程事故的特例分析9．桩在桥梁和其它建（构）筑物纠偏中的应用7．钻（冲）孔灌注桩的几种工程事故特例分析10．QY小区B栋（18层楼）事故的多因一果1．软土地区单层排架厂房地坪桩基托换加固方案优化1.1误区沿海深厚淤泥地基上人工填土强夯压实层能提供承载力软基上带桩排柱基础与无桩地坪连结一起浇筑先造带桩排柱基础，后施工厂房地坪填土大量使用有致命缺陷的柔性桩复合地基（悬挂桩、围封桩、长短散布桩）来加固厂房地坪地基砂桩与加固桩（无论刚性还是柔性）同时混用1.2危害厂房地坪工后沉降过大，持续不休止，形成凹坑厂房地坪过量沉降形成对桩较大负摩阻力，牵连排架结构东倒西歪，桩被压断柔性桩被各个击破，地坪下陷地坪下产生大量脱空现象1.3优化途径提出主动托换桩和被动托换桩不同机理及其适用条件应用性价比较高的素砼刚性桩复合地基，甚至采用PHC管桩应用应力隔离桩或应力隔离孔，解决地坪沉降对厂房排架桩基形成负摩擦力影响问题处理事故中小直径钢管纤维桩的应用托换加固桩与排水固结体不同时混用地坪与厂房排桩基础不连结，设沉降缝慎用悬挂桩、围封桩、长短散布桩（指柔性桩）分清已建建筑物和待建建筑物的地坪托换加固的不同概念和工作机理2.1事故实例武汉市某住宅小区，密集满堂打（压）入式PHC管桩（φ500）600余根。施工后期，压桩使两侧已建成的11～12层小高层楼邻近部位上抬20～30mm，致产生大量倒八字裂缝，发展延伸至3～4层外墙体表面和内墙。后在基础边缘外设置适量的应力解除孔（SRB，StressReleaseBoring）后，方使转危为安。2．应力解除孔在挤入式密集群桩基础中的应用2.2挤桩的其他危害性压桩引起邻桩“吊脚”，沉降过大建筑物区向四周挤扩，使桩位偏移，桩杆倾斜施工地面隆起，地基应大过大，Δu增长过高工后地基排水固结，承台底面脱空挤桩对邻房邻坑导致失稳、横移或坍塌2.3SRB（应力解除孔）的功能和应用领域SRB可防止群桩基础对邻房邻坑挤压推移的破坏作用SRB可减少紧邻建筑物应力叠加，相互牵扯的不良影响SRB在土质高边坡抗滑桩排中单桩背面可减少应力集中效应，降低桩被各个击破事故出现的概率SRB在建筑物纠偏工程中大量被用作应力隔离技术SRB成孔后可灌入EPS泡沫塑料柔性材料长期发挥作用3．普遍推广PHC管桩以来桩基设计施工新矛盾的解决方法3.1问题由来至今设计中普遍延用单桩静力公式法设计计算桩长但地质条件千变万化，大致分三种类型：从静力触探比贯入阻力Ps随深度关系曲线来分析，有Ⅰ，突变型；Ⅱ，渐变型；Ⅲ，跳跃型。如下图：施工中强调“双控”标准来确定打（压）入桩长：一是依据静力公式法计算配套规范设计参数；二是打（压）入贯入度和压桩力，但它招致大量桩难以到位，或出现不少断桩事故。传统打入式预制桩在历史上全球范围内普遍产生类似的事故，最典型的就是1972～1973年上海金山石化工程“桩森林”事件。PHC桩在某大型电厂老粘性土地层中打入施工，招致大量未入土桩段上密集环状贯穿性水平裂缝，仍无法到位。3.2解决的途径（建议）对“双控”要求应有实事求是的认识和处理态度。规范所提供的设计参数不可能全面反映不同工程的沉桩过程中可能出现的各种物理现象，如挤密、触变、液化等。大桩小桩不同，长桩短桩不同，多桩少桩不同，先打后打不同，平面施工顺序不同……“双控”要重视长期效果，整体效果。应由建设、设计、施工、监理四方会同解决“拒打（压）”问题，不能一家主观武断决定。重视“试打（压）桩”这一道程序，配备足量的监测手段（测力、测沉、测斜、测土压和测Δu等试验），认真分析研究。设计者对岩土工程勘察报告的深入再分析工作不可或缺。上图中，“拒打”现象主要发生在Ⅰ型地层条件中，软土下直接下卧有Ps≥7MPa的中密以上砂层，很快出现紧密下卧层，这时绝不能一味向下猛打，老粘性土中亦然。Ⅱ型地层中桩端宜设在Ps=7～10MPa之间的范围内，再向下打对桩身不利。Ⅲ型地层条件中桩端设置高程不确定性因素很多。持力层性质和厚度，以及下卧软土层强度均是主要因素。采取引孔、管桩孔内向下植芯补强、压浆扩底、设应力解除孔等措施，减少“拒打”出现概率，提高单桩有效承载力和桩基整体承载力，防止高Δu，高土中应力、高水平位移等现象。4．警惕扩底或灌注桩基础水平向承载力低下的软肋4.1历史教训武汉QY小区B#栋18层住宅爆破拆除，事故的主要诱因之一是：桩型选择不理想。所用夯扩桩入持力层中细砂仅1m多，扩底形成可转动球铰，整个桩身重落在稀软淤泥层内。虽然基底埋深3m，但埋深部分周围是松散杂填土层。一旦承受水平向外力，336根φ426的夯扩桩几乎可自由地绕其底端铰转动;该楼西南侧C#栋高层在B#栋出事前正紧锣密鼓地进入相同桩的施工阶段，在半个多月时间内打入60余根夯扩桩（长21.5m，φ426），砼计260余m3。计算外挤至B#栋边缘，平移3cm多。淤泥受扰动减强，Cu骤降至10kPa以下，几乎稀释液化。再加上其他9种诱因，造成多因一果——桩基整体失稳。在南方沿海地区软土地带深基坑周边也屡次发生类似事故，桩体失掉侧向支撑，形成“多米诺骨牌效应”，导致坑边楼房倒塌。4.2预防措施类似地基条件下，必须采用入持力层较深的钻孔灌注桩。不得已用扩底桩时，必须设计四周向外伸出的斜支撑桩，而且斜桩必须与基础底面固结一样，不能用独立的围护桩。设计群桩抗水平推力时不能用桩数乘上单桩抗水平推力试验成果，因为无论多少桩数，平行转动机制的功能耗散是极小的。应该用单剪块体模式考虑群桩的水平抗推能力，只考虑块体侧面淤泥总被动土压减去主动土压(Pp－Pa)×A（式中A为块体前方总侧面积）。5.1从基坑支护设计中得到的启发近10年来，双排桩构成框架结构的支护型式得到青睐。从简单的“三明治”夹心饼干型式发展到排桩+连体高压旋喷桩板墙。(如下图)武汉软土地区曾成功地实践过，社会效益和经济效益显著。5．排桩+高压旋喷桩构成复合板墙的抗水平推力大增5.2在软土地基上特大型贮煤筒仓（φ100～φ120m）和电厂巨型冷却塔基础底圈梁桩基设计中的推广应用无桩大面积贮煤筒仓地基软土产生对筒仓壁圈梁桩基础的巨大水平推力。若每一弧度设一桩排（内、中、外三桩组成），则内桩承受过大水平推力，中桩次之，外桩最小，Mmax比例约为1∶0.25∶0.1，不协调，不经济。后改为排桩+连体高压旋喷体板墙（图如上不另），效果是：•第一，大大提高径向桩排抗水平推力的能力；•第二，使内、中、外三位的位移和挠曲变形更趋同步化，减少了内排桩的Mmax，相反地三桩Mmax比例更趋一致；•第三，可以缩小桩径，减少用筋量，节约投资，保证安全；•第四，基础的整体刚度有大幅度提高。对既有挖方又有填方地基的电厂巨型冷却塔来说，软基处理不仅限于用桩基解决竖向承载力问题，而且还要解除填方区桩间土湿化变形下陷形成圈梁底脱空和抗水平推力的能力骤减等复杂问题。必须在桩基完成后采用类似方法予以解决。5.3软弱粘土或松砂层中建筑桩基的抗震能力的提高在群桩基础内，按格构体设计原则用高压旋喷体将各单桩连结成互相制约的板墙方格，大幅度降低地震时上部结构的动变位（某30层大楼桩基加固后，底层下降3倍）此法正拟采用于某地海上栈桥式机场的桩基加固设计中，可望获得巨大经济效益。6.1全风化华南花岗岩地层地下水流动可能转化为“潜蚀性泥石流”厦门HKG大酒店挖孔桩混凝土护壁因水土流失而下沉并开裂漏泥，或从孔底上涌，挖孔工序受阻，挖走的流泥夹砂已达数十m3，却2个月内挖方毫无进展。厦门湖滨南路某大厦的基坑并非挖方形成的，而是几十根人工挖孔桩施工期“潜蚀性泥流”逐步造成的。据当地工程界称，这种泥流曾导致施工人员人身事故多起。深圳、珠海地区都曾发生类似问题。深圳某大厦的地基内，约有1/5的基坑面积内也出现过全风化花岗岩软化流泥现象。所谓“岩石”的强度远比上覆残积土低，模量更低，致使坑外达面积地表下沉。后及时改为钻孔桩施工，方使转危为安。这种“潜蚀性泥流”可能逐步发展成“泥石流”，岩块迅速软化崩解参予泥流过程，或者岩块粗粒骨架坍塌。“潜蚀性泥流”发展过程可能很快，点→线→面→体往往只需几天甚至只有几个小时。这种特殊的不良地质现象不仅发生在人工挖孔桩施工过程中，地连墙施工，隧道施工中都可能发生，必须引以警惕。6．人工挖孔桩的几种工程事故特例分析6.2“移山倒海”式围海造陆中桩基施工困难激增，不可等闲视之沿海地区围海造陆事业日益发展，南方海岸颇多“移山倒海”，即直接将开山土石料抛填倾倒入海，形成深厚海淤上面含大量巨石的抛石体（厚度甚至超过10m）。在这种地基上建造对沉降量有严格要求的建筑物（如主厂房、重型仓库、重要化工设备等）仍必须打桩。然而，企图穿越过厚抛石体打设各种桩基，谈何容易。浙、闽、粤、琼等省沿海一带这一难题屡见不鲜。简图示意:福建某燃气电厂升压站曾不得已地采用逐个挖坑的办法，在抛石体底部施工钻孔灌注桩（φ1000），然后在坑内接筑柱体直至抛石体表面，构成形式上的桩基顶面。事实上，逐个挖坑接柱过程对桩—柱连接系统是一个反对推拉的破坏过程。结果，升压站建成投产后，虽然荷载不大，但所有桩几乎都折断歪斜，基础倾斜，电气间隙不足事故严重。同一地区后建的KMG电站，主厂房1600万m3开山石料全部要用来填海，仍采用“移山倒海”旧法，不分厂区规划功能如何，一概巨石满布。后续工程的沉降控制难以预测。解决矛盾的方法对策：1．超前规划填海厂区分区功能，对必须打桩的重要建（构）物区域应限制抛石体巨石含量和限制抛石最大粒径（如30～50cm）；2．先定桩位，用三角架形式的钢桁架作标记，合理规定填石进展路径和方法，防止桩位地层中巨石的占位设障；3．用竖井或有支护挖孔型式施工，配合小爆破排石，底层2～3m抛石体用管锤或冲孔机械排石穿透。6.3围湖造地后人工挖孔桩入持力硬粘土层深度不足的严重后果武汉LD花园小高层住宅设计采用人工挖孔扩底桩基础，地质条件是湖底淤泥以下直接进入硬老粘性土层，持力层天然地基承载力很高（fsk≥300～400kPa），过渡层很薄，向下挖孔困难。扩大头从软硬土界面就开始。扩大头dmax（=D）为2400mm，桩径d=1000mm，但埋深不足H≤2m，且H范围内土质偏软（如图示）桩基设计和施工均按照国家现行规范执行，未发现桩施工质量问题。但是qp参数由94桩基规范查表而得，却未注意H/D比过小，过渡层土质太差，上覆淤泥过软等问题。结果有二：一是三根试桩结果极限承载力实测值均只达0.6倍设计计算值；二是基坑开挖后大量边桩出现倾斜原因是：桩端进入真正硬粘土持力层太浅，仅1倍扩大端桩径，过渡层土质又差，达不到深基础标准要求再考虑到桩端土回弹、吸水软化、扰动，此比值将更低于0.6，符合实际。解决办法：加深桩端埋置深度。5.70.639.0uCCuuCNCNPPNCuN实实C设设实测设计7.1闽南S市一幢14层大厦倾斜原因分析当地传统经验用人工挖孔短桩（8m）建造大厦，普遍安全。而本楼采用了嵌中风化岩层的36根φ750～φ850的钻孔灌注桩，桩长大于20m，反而出现倾斜20‰的严重质量事故。究其原因就是：钻孔至全风化花岗岩层中，孔底及端部周壁土质变坏软化，无法彻底清孔，以致沉渣厚达50cm。大楼不均匀沉降ΔS最大值超过30cm。救治办法：砍桩纠偏后增补100多根锚杆静压桩托换。7．钻（冲）孔灌注桩的几种工程事故特例分析7.2武汉某厂钻孔