预制方桩的缺陷送别及治理
2009-09-28
0 引言
近年来，预制方桩在上海地区的多层、小高层民用住宅以及工业厂房项目的基桩工程中得到了广泛的应用，随之而来的，由于打桩过程中多节桩接头的焊接质量不好、现场预制而导致桩身混凝土强度偏低、锤击应力过高及土方开挖等施工因素而造成的预制方桩产生裂缝、断裂甚至上下节脱离的工程质量事故时有发生。沉桩后的基桩检测，成为对预制方桩施工质量的主要控制手段之一。 本文以位于上海郊区软弱土层上建造的一12层住宅楼为背景，介绍在用PIT（美）(Pile Integrity Tester) 桩身完整性测试仪进行低应变检测和静载荷试验后，结合沉降测量、地质资料、施工资料等进行综合分析，对桩的缺陷性质做出了正确判别，并采取了动力复位的治理方法及PDA（美）（Pile Driving Analyzer）打桩分析仪的高应变法对复位效果进行评判，由此杜绝了工程隐患。
1 工程概况
某民用住宅工程为12层的框剪结构，基桩采用混凝土预制方桩。桩型为JZHb-235-1313B，桩端持力层为⑤-1b粉质粘土夹砂层，单桩抗压承载力设计值为680kN，总桩数为235根。场地地质概况：拟建场地属滨海平原地貌类型，桩长范围内各土层物理力学指标表1。
2 工程桩检测结果
该工程基坑开挖1.5米左右，按设计要求对3根桩进行单桩竖向抗压极限承载力试验，试验前的低应变动测试验发现其中2根的反射波曲线出现明显的接桩位置缺陷，其57#和106#桩低应变反射波曲线分别见图1和图2。
表1 地基土土层分布及物理力学指标
层号
土层名称
厚 度（m）
比贯入阻力Ps（Mpa）
标准贯入
N63.5（击）
预制桩
fs（kPa）
fp（kPa）
②
粉质粘土
0.00~2.20
0.60
15
③
淤泥质粉质粘土
615~8.90
0.48
%26lt;6m,15
%26gt;6m,20
④
淤泥质粘土
3.90~8.10
0.59
20
⑤1a
粘土
4.40~7.30
0.80
30
⑤1b
粉质粘土夹砂
2.95~13.20
1.73
5.7
50
1500
⑤4
粉质粘土
0.00~6.30
3.37
7.8
65
2000
⑦1
砂质粉土
0.00~6.55
8.02
25.4
75
4000
⑦2a
粉砂
7.90~14.90
14.27
39.6
90
6000
图1. 57#桩低应变实测曲线
图2. 106#桩低应变实测曲线
随后的静载试验结果也表明此2根试验桩的单桩极限抗压承载力均未达到设计值，且其中1根的情况非常典型: Q-S曲线在550kN出现明显向下的拐点，即660kN荷载下的沉降明显增大，是前一级的3倍多，而在770kN后沉降收敛，曲线又开始上翘；从S-lgt曲线中也可以看到660kN荷载级明显曲折，沉降出现极大值。上述现象非常明确的表明本试桩接桩处有明显缺陷，上、下两节桩脱开约15mm，在空隙压实前的竖向极限承载力为550kN, 压实后的竖向极限承载力可以达到1100kN。静载Q-S曲线、S-lgt曲线及S-lgQ曲线见图3-5。
图3 静载实测Q-S曲线
图4 静载实测S-LgT曲线
图5静载实测S-LgQ曲线
综合静载试验和低应变动测试验曲线可表明，在接桩处有明显的脱开缺陷，且由于接桩部位脱节，严重影响其单桩承载力的向上传递，但其上下两节桩的桩身完整性均良好。 后对该工程的全部基桩进行低应变动测试验，检测发现有34根桩在不同程度上在接桩处存在明显的缺陷，事故的规模和性质是显而易见的，为了充分利用脱节的两节桩，并弥补脱节的缺陷，使其缺陷桩的竖向承载力能正常传递，让缺陷桩的单桩极限承载力基本达到设计要求，所以我们采用了锤击技术对其进行动力复位。
3 复位方法的选择和复位控制
该工程基桩由打桩机沉桩，但基坑已经开挖，打桩机无法下基坑安装到位，即使能实施费用也很大，得不偿失。故采用三脚架顶部悬挂一落锤的方法(落锤重2吨，落距0.5米)，对缺陷桩进行锤击。复位前先对四根正常桩进行锤击以验证锤击能量是否合适，四根桩两次锤击的总贯入量在1.54mm-1.84mm之间，说明动力复位的锤重及落距选择是合适的，即能将上节桩打动，同时很难将整节桩打动，可将复位停锤标准定为1mm左右，也就是说，当最后两锤的平均贯入量约为1mm时，可停止复位锤击。
4 复位贯入度测量
我们采用索佳B1精密水准仪(测试精度为0.01mm)对被锤击桩进行贯入度测量，复位的锤击贯入度除三根桩的总贯入量在6.52mm-9.90mm之间，其余被复位的锤击贯入度除三根桩的总贯入量在6.52mm-9.90mm之间外，其余被复位的缺陷桩的总贯入量在28.80mm-55.82mm， 说明由低应变动测试验确定的此类桩，上下两节桩接头处存在明显空隙,脱节程度较大，但通过上述动力复位后，接头处的空隙已趋于零。代表性桩位复位锤击贯入度列表如下：
桩 号
16#
57#
59#
84#
106#
230#
正常桩
正常桩
总贯入量(mm)
44.84
43.83
45.78
55.82
55.00
49.70
1.54
1.70
最后两锤平均贯入量(mm)
0.65
0.60
0.77
0.91
0.45
0.98
0.77
0.85
5 复位效果监测和评判
复位后缺陷桩的最终承载力是否得到了较大的提高，运用PDA（美）（Pile Driving Analyzer）打桩分析仪对其中的5根桩进行了复位效果监测和评判，得到了复位后缺陷桩的竖向抗压承载力。 测试时砼的波速设定为3500m/s，传感器安装在距桩顶以下0.7m的位置，通过基桩的高应变测试仪器，接受复位时的每一次锤击信号,通过分析程序可以监控复位的全过程，从下图6-图10,可以看出随着复位锤击数的增加,缺陷处反射信号逐渐变小和桩身完整性系数逐渐变大；缺陷反射信号小到一定程度后，随着复位锤击数的增加，缺陷反射信号再不变化，桩身完整性系数保持为常数，说明复位已经完成。
图6 57#桩复位初始阶段测试曲线
图7 57#桩复位中间阶段测试曲线
图8 57#桩复位收锤阶段测试曲线
图6为57#桩复位初始阶段的测试曲线。从高应变测试曲线特征可以看出，在冲击时刻（t=0），力曲线与速度曲线基本重合，之后，随着土阻力被激发，力和速度曲线逐渐分离，但在约13m处，力曲线与速度曲线交汇，紧接着速度曲线迅速升高形成一个峰值，而力曲线迅速下降形成一个凹槽。这个回响反应，速度曲线峰值与力曲线凹槽即为典型的桩身阻抗减少或桩损坏。此时β值为52%，凯斯-高勃尔法反映的极限承载力Rsp值为360kN左右。沉降测试反映此时贯入度不大，桩刚被打动。 图7为57#桩复位中间阶段的高应变测试曲线，曲线特征同锤击初始阶段相似，速度曲线峰值与力曲线凹槽仍旧非常明显，此时β值为48%，Rsp值为297kN，两者均比初始阶段略有降低，沉降测试反映此阶段贯入度比锤击初始阶段有所增大，由此可知，此时13m接桩处缺陷依旧明显。沉降量增大，Rsp值略微减少，说明桩已被打动，桩被打动后，可导致其侧壁摩阻力降低，致使Rsp值略减，由估算分析可知，Rsp值的大小有与上节桩的桩长相匹配的特征。故缺陷初步定性为：上下两节桩有分离的可能。 图8为57#桩收锤阶段的测试曲线，从高应变测试曲线特征可以看出：速度曲线峰值与力曲线凹槽的变化由逐渐减小到不很明显，β值的变化由初始阶段52%左右上升到84%左右，Rsp值的变化由初始阶段的360kN（图6）上升到905kN。沉降测试反映此阶段贯入度呈减小趋势，收锤阶段最后一锤的沉降量为0.60mm，由此可知，此时13m接桩处缺陷已明显改善，Rsp值的显著增大及沉降量明显的减少，均显示出与整个桩长相匹配的特征，表明前面打动的桩实际为上节桩，此时脱开的上下节桩基本闭合，整根桩共同受力。 由以上检测过程及分析结果可知，由低应变检测确定的57#桩13m接桩处的缺陷，经用PDA检测并结合沉降观测，可具体定性为：桩上下两节脱开，但竖直方向基本未错位，通过动力锤击，可使上下两节桩基本闭合，使其承载力提高。
图9. 106#桩复位初始阶段测试曲线
图10. 106#桩复位收锤阶段测试曲线
图9、图10为106#桩复位初始阶段及复位收锤阶段的测试曲线，其测试曲线的变化特征与57#相同，复位后的单桩竖向抗压极限承载力也达到910kN。
6 结论
①.预制方桩的损坏特征多表现为接头损坏，桩身裂缝、断裂，挖机造成的浅部裂缝及断裂。在用常规的低应变检测技术做检测时，若发现某一性态特征的缺陷表现较明显且数量较多，应将多种检测手段结合起来，并同时充分研究已有的工程施工资料、地质资料，进行综合分析，才能正确判别桩的缺陷性质及损坏程度。②.对于本文所述的混凝土预制方桩有脱节缺陷的工程桩，采用本文所介绍的动力复位法进行修复是完全可行的，经复位后基本可以使脱节部分闭合，复位后的单桩承载力有明显的提高。
参考文献
1 PDA-W Users Manual ( version: July 2001, Pile Dynamics, Inc.)2 Pile Damage Assessments Using The Pile Driving Analyzer (by Scott D. Webster and Wondem Teferra，Stress wave ’ 96 Conference, Orlando, FL, 1996)3 刘金砺. 桩基础设计与计算. 北京：中国建筑工业出版社，19904 桩基工程手册编写委员会. 桩基工程手册. 北京：中国建筑工业出版社，1995
