复杂地质下桩端承载力丧失机理分析及应对措施

李延双，罗长清，李可涵，陈兆荣

（康桥集团 惠州城市公司，广东 惠州 516003）

随着我国城镇化进程的快速发展，人们生活水平的不断提高，土地的需求量日益上涨，人们开始在复杂和软弱地基上开展工程建设，并取得了一定的成果.同时，城市建设规模的不断扩大，城市地下空间的开发数量和规模获得快速增长，大型高层建筑地下室、地下商场以及大型地铁达到了前所未有的发展规模，伴随而来的在复杂和软弱地基上的大量桩基施工过程中，由于各种确定或不确定的原因造成桩基承载力丧失，严重时甚至造成灾难的出现.

岩土工程勘察能够根据工程的要求，查明、分析、评价建设场地的地质、环境特征等岩土工程条件，是对该勘探点的土质分布情况进行研究，不能反映该地区所有土质情况，具有一定的局限性.尤其是针对深厚软土地质、岩溶地质、岩溶和孤石地区的勘探结果，更需要经验丰富的设计师和施工队伍进行建设.

本文针对深厚复杂软土地质进行的静压预应力混凝土管桩［1］（以下简称PHC管桩）在单桩竖向抗压静载试验检测结果不满足要求的情况下进行桩端承载力丧失机理分析，并采取应对措施.供相关工程参考.

1 工程概况

该工程位于东莞市长安镇霄边村，宵边大街东侧，占地面积约6.6万m2，总建筑面积26.3万m2，1～7号商住楼均为31层建筑高度为93.5～98.0m，采用剪力墙结构；8～12号商业楼均为2层，建筑高度为10.0～10.8m，采用框架结构，地下室均为2层.该场地类别为II类，设防烈度为7度（0.1g）.总体规划见图1所示.

图1 总体规划示意图

根据勘察结果、土工试验、原位测试及当地的勘察经验，结合有关规范、规程，各岩土层有关力学参数建议值见下表1.

表1 相关力学参数

工程地质典型剖示意图见图2所示，从图2可知地质分布较为离散.对于拟选用的持力层4-2针对实际施工桩长为7～11m，部分桩长小于6m，属于短桩的范畴.

图2 工程地质典型剖面图

2 桩承载力丧失机理分析

2.1 问题的提出

原设计对该工程基础采用PHC管桩，从规划区域西侧开始，即4、5号塔楼开始.施工现场情况示意图见图3所示.

图3 施工现场情况示意图

在4号楼已施工完毕，5号楼刚刚开始之际，对桩基进行了检测.静压检测结果见表2所示.通过5根PHC静压检测，结果表明仅有一根桩达到设计承载力标准值要求4200kN；对随意抽取PHC进行复压，最大值达30cm；静压桩机在施工过程中以及在周边行走时已完成桩基产生不同程度的下沉或者上浮情况.

表2 静压检测结果

2.2 问题剖析

根据静压检测结果，原设计PHC桩承载力损失严重.重新对勘探、设计、施工进行复核［2］.发现主要问题有两个.

其一，持力层选用强风化花岗片麻岩（层序号4-2），该土层具有浸水易软化的特性，遇水后降低了桩端土质的承载力.设计和施工未及时对其桩尖封底，造成4-2持力层部分已经浸水软化，所以在复压时能够产生约30cm的沉降量.对于此类土层，设计时应注意单桩承载力特征值的折减；施工时应注意对桩端封堵止水，应对桩端以上约2m范围内采取微膨胀混凝土填芯或在内壁预涂柔性防水材料等有效的防渗措施；

其二，设计时其参考有效桩长不小于15m，与现场试桩及以后施工的实际施工桩长7～11m有较大出入，设计未对地勘具体位置具体分析，静压桩基不能将PHC桩压入那么长的深度，原设计对施工机械不甚了解.

经桩顶标高检测，静压桩机在施工过程中行走时周边已完成桩基产生不同程度的下沉或者上浮情况，属于土体隆起现象，主要是由于桩基的有效桩长比较短，加上挤土效应产生的.

3 应对措施

对于桩端遇水软化桩，如需要复压下沉量离散性很大，其主要原因是残积土组分复杂、含土量不一致，遇水软化数据离散性很大；加上已施工完大部分桩头已损，重新接头具有相当难度.

3.1 已施工部分桩基

对于4、5号塔楼已经施工的桩基部分，为充分利用已施工部分桩基，采用CM复合地基［3］.其工作原理具为：①将桩基强大集中力变为均匀很小的附加应力，②利用天然地基强度，进行缺多少补多少的设计方法，③大幅度减小沉降，提高强度.

CM复合地基由C桩（刚性桩）、M桩（亚刚性桩）、桩间土和褥垫层四部分组成.刚性桩为弹性模量大于104MPa的桩体，可为素混凝土灌注桩、预制混凝土桩等.亚刚性桩为弹性模量102～104MPa的桩体，可为水泥土搅拌桩、水泥砂浆桩、低强度等级（C15以下）混凝土桩等，土体的弹性模量在101～102MPa之间.CM复合地基通过桩体间的长短交叉，不同桩体在空间刚度梯度上形成了C+M+土、C+土和土三级刚度梯度（见图4），充分结合附加应力随埋深逐渐消散的原理，从而充分调动深层土体参与作用，提高了桩间土的工作系数，大幅度提高了复合地基承载力，从而减小了建筑物的沉降.

图4 刚度梯度示意图

对于4、5号塔楼已经施工的PHC桩充当CM复合地基的M桩，增加C桩，与桩间土共同形成CM三维高强复核地基的应力场，从而整体受力.根据现场管桩单桩竖向抗压静载试验检测结果可知，综合考虑取管桩单桩承载力特征值为750kN，同时考虑到地质复杂，复合地基承载力由桩基设计在标准组合（D+L）下的承载力430kPa提高到500kPa进行设计.

复合地基承载力按照复合地基技术规范（GB/T50783-2012）［4］(以下简称复合地基规范)公式（1）计算，

式中：fspk为复合地基承载力特征值；

m为刚性桩的面积置换率；

kp、 ks为刚性桩及桩间土承载力修正系数；

lp、 ls为刚性桩及桩间土承载力发挥系数；

经计算，fspk=505.7 k Pa＞Pk=500kPa ，满足要求.其中4#CM复合地基平面布置见图5所示.

图5 4#CM复合地基平面布置图

3.2 未施工塔楼部分桩基

对于未施工塔楼部分，结合场地土质的复杂性，为确保项目的总工期，决定采用旋挖钻机成孔灌注桩.与其他成孔机型相比，旋挖钻机具有施工效率高、操作自动化程度高、垂直度控制好、图层穿透性强等优点.

3.3 CM复合地基沉降验算

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)［5］(以下简称地基规)第5.3.5条对地基变形计算作了规定，认为地基内的应力分布，可以采用各向同性均质线性变形体理论，按下式计算.

式中：s为地基最终变形量（mm）；

s'按分层总和法计算出的地基变形量（mm）；

n地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

p0相应于作用的准永久组合时基础地面处的附加压力（kPa）；

Esi基础底面下第i层土的压缩模量（kPa）；

zi、 zi-1基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；

表3 角点沉降基本数据

表4 5#一区复核地基沉降计算结果

3.3 CM复合地基现场施工

CM复合地基现场施工工艺流程为：①现场施工准备（三级配电、设备组装、供浆后台搭建）；②开挖清障形成导槽（地坑）；③桩位放线、桩机就位（架空作业）、垂度调控；④配浆并送浆；⑤双重管不翻浆喷浆搅拌下钻；⑥异常处理（不同土层的下钻参数调控）；⑦喷浆（或不喷浆）搅拌提钻；⑧检查钻头、检查后台送浆量；⑨异常补浆搅拌；⑩清理钻头.现场施工见图6所示.

图6 CM复合地基现场施工示意图

（1）施工准备：施工图会审、技术交底、水泥复检、设备检查、试桩报告等；

（2）场地平整-挖掘清障-形成施工导槽（低于施工地面约1米）：是确保桩位可靠、垂度可控、搭接可靠的强制性施工措施；

（3）桩机（架空）就位：先调平机架，再微调丝杆，使钻杆垂直；

（4）配浆并送浆：①在不小于0.5m3的储浆筒中，按既顶定水胶比配浆，必要时可加入适量缓凝型浆液；②将已配好的浆液导入送浆坑，按前台指令，开泵送浆；

（5）喷浆搅拌下钻：暴露钻头，检查搅拌刀片及出浆口，目视浆液从喷浆口正常喷出，开始按额定值匀速搅拌下钻，进行“缓慢的”、“同位的”、“长时间的”均匀连续的搅拌，达到设计桩长；

（6）异常处理：当钻头进入坚硬土层时，采用异常处理：降速或改用高压喷射的方法临时进行喷射-搅拌-喷浆钻进，达到设计桩长；

（7）喷浆（或不喷浆）搅拌提钻：当喷浆搅拌的桩长达到设计桩长以后，即可以按额定值喷浆搅拌提升钻头至桩顶而成桩；也可以在提钻搅拌的过程中，对于目标地层（如淤泥），进一步实施慢速搅拌；

（8）检查钻头：每一根桩成桩以后均必须检查钻头质量，检查搅拌刀片的状态和数量是否符合设计和规范要求，以及检查钻头的附泥是否符合桩端地层的设计要求；

（9）异常补浆搅拌：成桩以后经检查，发现异常，即不满足设计要求时，如刀片异常或地层异常.均必须按不同的情况进行异常补浆搅拌（复搅），直至所有指标均满足设计要求；

（10）清理钻头：成桩以后必须将钻头清理干净，不得残留桩端地层的余土，以免引起下一根桩的桩端地层的误判；

（11）桩机移位

重复上述程序，继续进行下一根桩的施工.

4 结论

（1）在桩端持力层为遇水易软化的风化岩层的地质条件下，要慎用管桩，尤其是强风化花岗片麻岩以及含泥量较多的强风化、全风化花岗岩层做持力层的管桩基础，因未及时封底或者接头、桩尖漏水，导致持力层遇水软化造成承载力降低.

（2）PHC桩属于挤土桩，特别对于长度小于7m的短桩.在桩基施工过程中的挤土效应及重型机械行走，极易造成处于复杂淤泥层中的PHC桩身上浮、移位和地面隆起的现象.

（3）对东莞长安某项目桩基工程在施工后经检测其承载力大幅度降低、部分桩身上浮，经过分析主要原因是桩端持力层遇水软化造成承载力下降，对已施工桩基部分采用CM复合地基措施，此方案具有可以充分利用已施工管桩的优点，经验算，复合地基承载力和平均稳定沉降满足要求.