11《工程质量》2008压缩版-遇孤石静压管桩终压力假象的岩土机理分析

建设部优秀期刊全国唯一全面报导工程质量期刊《中国期刊网》、《中国学术期刊》（光盘版）《中文科技期刊数据库》核心期刊《中国学术期刊综合评价数据库》核心期刊工程质量ISSN1671-3702CN11-3864/TB2008.11(A)40~42遇孤石静压管桩终压力假象的岩土机理分析林梁厦门市建设工程质量安全监督站二00八年三月目录1引言2工程案例1）高层公寓住宅2）多层办公楼3）高层办公楼3遇孤石静压成桩终压力假象的岩土机理分析3.1桩端脆断后终压力稳定时岩土本构特征分析3.2成桩后静载荷试验时岩土本构特征分析4终压力假象的辨识方法及处理建议5结语遇孤石静压管桩终压力假象的岩土机理分析林梁(厦门市建设工程质量安全监督站，福建厦门361003)【摘要】管桩桩端在持力层遇孤石成桩后,往往会产生剪切裂缝而爆裂脆断。通过对岩土内部本构特征变化机理的分析，得出终压力满足要求是暂时的假象，并提出辨识这种假象的方法和解决这个质量缺陷的处理建议。【关键词】管桩；孤石；承载力缺陷；超孔隙水压力；非线性弹性变形【中图分类号】TU753.3【文献标识码】A【文章编号】1671-3702(2008)11(A)-0040-03AnalysisonGroundMechanismofEndPressureFeintonStaticPressureTubularPileafterEncounteredBoulderLINLiang(XiamenConstructionEngineeringQualityandSafetySupervisionStation,Xiamen,Fujian361003)AbstractTubularpileendstendedtohaveshearcracksaftersupportingcourseencounteredboulder.Basedontheanalysisaboutthevaryingmechanismofstructurecharacteristicinsideground,cometotheconclusionthatendpressuresatisfieddesignrequirementisatransientphenomenon.Putforwardthewayofdistinguishthisphenomenonandsolutiononthisqualitydefect.KeywordsTubularpile;boulder;defectofbearingcapacity;excessivepore-waterpressure;nonlinearelasticdeformation1引言静压预应力高强度混凝土管桩(以下简称管桩)以其环保和综合效益方面的优点得到了广泛的应用，但在施工中有时也会遇到一些问题。管桩桩端持力层遇到孤石后,混凝土易产生剪切裂缝而爆裂脆断。在继续加压沉桩过程中,桩端混凝土将不断爆裂脆断。此时,有些压桩能够听到明显的爆裂声音或设备压力仪表上有明显的显示,但是,根据工程实践经验,多数看不到压力仪表上的指针明显摆动,也听不到明显的爆裂声音,并能够一直沉桩到终压力达到设计要求的状态。这种现象是该桩型在特殊的岩土条件下出现的特殊现象,与传统的预制方桩相比,这种缺陷的隐蔽性很强，需要积累相当数量的工程实践经验,才能有较好的认识和辨别。2工程案例1）厦门某高层公寓工程，位于湖滨南路中段北侧、北邻筼筜湖,地下1层,地上17~20层，采用静压管桩基础(φ500-A-125)。静压管桩平均长度约25m,桩端持力层为花岗岩残积砂质粘土层(其上覆有填土、淤泥、粉砂等软弱土层),设计单桩竖向极限承载力标准值为4800kN,终压力为5300kN。施工中遇孤石出现断桩后,对其中的63个桩位进行补充勘察(其中36个桩位下存在孤石),以了解孤石的埋深、厚度和数量。施工完成后在遇孤石的正常桩（指终压力等指标符合设计要求，施工无爆裂异常声音，压力仪表上指针无明显摆动或急剧变化现象）中选取2根做静载荷检验,检验结果详见表1。在静载后,对240号桩采用钻杆探测方法，从管桩的中心空芯处往下探测。结果发现,其下覆的第一块孤石被管桩侧挤于桩侧，而下覆的第二块孤石仅下沉0.01m,说明桩端处的桩身爆裂脆断损失长度约3.0m。而这个桩端爆裂脆断损失的问题,在压桩过程中未被发现,并将该桩误判为正常桩。由此可推定217号桩下覆的两块小孤石均被管桩侧挤于桩侧,不存在桩端爆裂脆断损失的问题,所以静载结果合格。2）厦门曾厝垵某学校办公楼工程，地上4~5层，采用静压管桩基础(φ500-A-100)，静压管桩平均长度约13m，桩端持力层为花岗岩全风化土层或粗砂层（其上覆有填土、淤泥、粘土等软弱土层)，设计单桩竖向极限承载力标准值为2400kN,终压力为2880kN。表1单桩静载荷试验结果情况桩编号按送桩长度计算桩端位于第二块孤石面下深度(m)静载极限承载力（kN）桩顶沉降(mm)静载后的桩身质量静载结果结论2175.5≥480035.17正常合格2403.1384051.50脆断不合格注：①217号桩进入持力层深度6.5m，下覆两块孤石厚度均为0.5m，有效桩长15.9m；②240号桩进入持力层深度4.4m，下覆两块孤石的厚度分别为1.0m和2.0m，有效桩长15.8m（未扣桩端爆裂脆断损失）。表2单桩静载荷试验结果情况桩编号按送桩长度计算桩端位于孤石面下深度(m)静载极限承载力（kN）桩顶沉降(mm)静载后的桩身质量静载结果结论840.996080.65脆断不合格注：桩端位于一块厚度约为3.0m的孤石上，桩端周边为粘土、无设计要求的持力层，施工桩长14.65m（未扣桩端爆裂脆断损失）。根据地勘报告,有个区域粘土层下覆直接为孤石,施工完成后在遇孤石的正常桩中选取1根做静载荷检验。该桩为笔者向业主、代建单位、施工及监理单位说明原因后增选的检测桩,检验结果详见表2。在静载后，对84号桩采用低应变动力检测,桩长短缺约0.9m。这个桩端爆裂脆断问题,也未在压桩过程中被发现,并误判该桩为正常桩。3）厦门翔安某服务大厦工程，地下1层，地上18层，采用静压管桩基础(φ500-A-125)。桩端持力层为花岗岩残积砂质粘土层,单桩承载力设计值为2700kN，终压力不小于4460kN,施工桩长12.6m。施工完成后在遇孤石的正常桩中选181号桩做载荷检验,检验结果表明：单桩极限承载力为4014kN，桩顶沉降为92.86mm。另外，厦禾路某高层公寓等很多使用管桩的工程，在施工中都遇到过类似的情况。3遇孤石静压成桩终压力假象的岩土机理分析3.1桩端脆断后终压力稳定时岩土本构特征分析当管桩遇到孤石后,桩端混凝土产生剪切裂缝而爆裂脆断,在继续加压沉桩过程中,桩端混凝土将不断爆裂脆断,其桩身混凝土碎块被挤压而堆积在桩端周边(以下简称堆积体),如图1所示。当桩顶不再下沉,终压力达到设计要求时,由于无断桩异常声音或压力表异常波动现象,因此,一般都判断为符合设计要求。根据岩土塑性本构定律中的有效应力原理[1]：土的任何应变作用必须由总应力和孔隙压力（孔隙水压力uw和孔隙气压力ua）之压差所引起，此压差称为有效应力。对于饱和土，可表达为:σ`=σ－uw(1)式中σ`——有效应力；σ——总应力；uw——孔隙水压力。PHC管桩杂填土桩端爆裂裂痕示意淤泥粉质粘土桩端爆裂混凝土碎块堆积体孤石花岗岩砂质残积土图1管桩遇孤石后桩端混凝土爆裂脆断碎块堆积示意图根据土动本构关系原理[1],对于饱和岩土,结合公式(1),其运动微分方程可写成：σ`ij,j＋(uw)j＋Fi=ρüi(2)式中：σ`ij,j为单元体积的有效应力；(uw)j为单元体积的孔隙水压力；Fi为单元体积的体力分量；ρ为单元体积的介质密度；üi加速度分量，üi=。当压桩力达到要求，桩顶不再下沉时,土体运动加速度分量为零(即üi=0）,根据公式(2)可得下列有效应力平衡方程为：σ`ij,j＋(uw)j＋Fi=0(3)公式(3)中表明，桩端混凝土脆断后,超孔隙水压力对桩顶终压力达到相对稳定平衡时起到了重要的作用,此时具体的岩土内部本构特征如下：1）沉桩的挤土引起桩周边一定范围内的土结构的改变,导致孔隙水压力迅速增长成为超孔隙水压力,并达到最高值;同时桩端堆积体中的孔隙水压力也达到超孔隙水压力,并撑托住混凝土碎块的骨架,使之不能进一步压缩密实。2）土动应力表现为向塑性应力过渡转变。3）桩侧、桩端土(堆积体)的岩土内部大动应变没有了，但根据土动本构关系原理[1],土动应力与应变之间存在非线性关系和土动应变对于土动应力具有滞后的特征，因此其塑性残余变形等尚未发生。4）桩周土的强度突然损失后,在平衡时损失停止，但尚未恢复正常。由此可见,管桩遇孤石桩端爆裂脆断后,在桩顶不再下沉时,由于桩侧、桩端土(堆积体)的应力、应变、超孔隙水压力和土体强度都尚未稳定,因此压桩力与桩侧、桩端土反力平衡是临时的。对于块砾与单粒组合结构的堆积体,由于超孔隙水压力撑托了堆积体内部的块砾与单粒骨架,使之达到相对稳定。这就是管桩遇孤石桩端混凝土爆裂脆断后,静压成桩终压力能够达到设计要求的原因所在。3.2成桩后静载荷试验时岩土本构特征分析根据上述的岩土本构特征，静载荷试验应在岩土层挤土效应释放以后进行。此时,其岩土内部本构特征如下：1）桩侧、桩端土的孔隙水压力恢复正常,即超孔隙水压力消散完成。2）桩周岩土内部应力表现为线性弹性应力,而桩端堆积体内部应力并不是表现为线性弹性应力;根据土的非线性弹性模型理论[1~2],在沉桩竖向压力作用下,由混凝土碎块和破碎分离出的碎石与砂粒等组成的堆积体骨架,其结构为弧状定向和局部不定向排列的块砾与单粒组合结构,具有各向异性特征;因而其应力应变关系及其内在的本构特征不完全符合传统的弹性模型理论,而更适合非线性弹性模型理论。堆积体的内部应力表现为非线性弹性应力。3）岩土内部塑性残余变形完成,表现为可恢复的线性弹性变形;桩端堆积体的塑性残余变形也已完成,但转而表现为非线性弹性变形,其压缩变形的后期、在骨架的挤密过程中伴随着不可恢复的塑性蠕动变形[3]。4）桩周土体强度恢复(增强),而桩端堆积体的强度由于蠕动变形和恢复的非线性而降低。由此可见,在挤土效应释放以后,桩侧土(包括未遇孤石的桩端土)表现为线性弹性应力应变关系,所以未遇故石的桩在正常情况下，其静载荷试验都能够满足设计要求。而遇孤石的桩桩端堆积体表现为非线性弹性变形,在进一步挤密的后期表现为塑性蠕动变形,导致桩顶继续沉降而超过设计要求。这就是遇孤石桩端爆裂脆断后,载荷试验达不到设计要求的真正原因。4终压力假象的辨识方法及处理建议1）计算送桩的入土长度,核对岩土勘察报告,确定桩端位置的持力层。对于管桩难以或不可能进入的持力层,而计算的送桩长度已经进入,则说明桩端混凝土很可能或已经爆裂脆断,其终压力存在着假象[4]。2）若岩土勘察报告或补充勘察报告中,表明了孤石的具体深度,而计算送桩长度已经进入其中或更深;这时，较小的孤石将被侧挤于桩侧,不影响成桩及其承载力；而对于较大的孤石,则说明桩端混凝土已经爆裂脆断,虽然未被发现,但其承载力缺陷已不可避免[4]。3）对比同承台的各桩长和相邻承台的桩长,若桩长相差较大,应具体分析而定。有时短桩存在问题,有时长桩也可能是假的(其桩端已经爆裂脆断了很长)，建议采用补勘后综合分析确定。4）对于桩端混凝土可能或已经确定爆裂脆断的,建议采用压力注浆对桩端堆积体进行胶结加固处理[5]、或根据载荷试验结果、单桩承载力大小、桩的分布位置及建筑物重要性等，适当降低单桩竖向承载能力。5结语根据岩土塑性本构定律、土动本构关系原理和非线性弹性模型理论,通过对管桩遇孤石夹层桩端混凝土爆裂脆断后的岩土内在本构特征进行定性分析,得出其终压力达到设计要求是临时的假象。其原因是：在挤土效应释放以后,由于撑托堆积体内部块砾与单粒骨架的超孔隙水压力的消散,桩端堆积体表现为非线性弹性变形,其压缩变形的后期、在骨架的挤密过程中伴随着微观塑性蠕动变形,导致桩顶继续沉降而使总沉降量超过设