倾斜PHC 管桩的处理方法及剩余承载力研究

2021-04-26何稼超

城市道桥与防洪 2021年4期

何稼超

（同济大学，上海市 200092）

0 引言

近年来，我国的基建事业发展迅猛，基建项目遍地开花，基建中有许多民生保障类项目。这些项目的特点无一例外都将工期作为主要的控制因素。预应力高强混凝土（PHC）管桩以其施工速度快、造价低廉、沉桩质量容易保证等诸多优势，在这类工程建设中大量采用，且效果良好。

但是，在我国很多地区，由于其场地土质偏软，在工程实施过程中，容易导致预应力混凝土管桩桩体出现倾斜、偏位、弯曲、裂缝，甚至断桩等情况的发生。这些情况发生的主要原因总结如下：桩尖、桩头制作的偏差、大面积高密度的群桩基础引起的挤土效应、基坑围护出现边坡滑移等。此类桩基质量问题引起的后果相当严重，会对建构筑物的安全性带来威胁。因此，如何科学合理、正确评价有缺陷的工程桩的剩余承载能力，或通过合理的处理手段使其基本恢复原有的承载能力，是工程实践中经常面对的问题。这类问题处理得当，对工程有着实际的重要意义。

1 工程及地质概况

沿海某市污水厂的改扩建工程，其初沉池直径40 m，池体高度5.5 m，中心筒位置再落深3 m，是典型的钢筋混凝土圆形水池结构。

拟建场地属浙东南沿海滨海相沉积平原地貌类型。勘探深度范围内地基土主要为5 个工程地质层。从上至下依次为：①0杂填土、②1含粉砂淤泥、②2淤泥、③2黏土、④2粉质黏土、⑤2粉质黏土。各层土的基本物理力学参数见表1 所列。

表1 初沉池位置地质土层情况一览表

由于池底持力层土性较差，承载能力严重不足，加之地质浅层有高厚软土，基础设计采用高强预应力混凝土管桩（PHC 管桩）。

根据分析和计算，桩端持力层取④2粉质黏土层，设计采用直径600 mm 的PHC 管桩，型号AB110，桩长50 m，单池布桩166 根。单桩竖向承载力特征值600 kN，无抗拔承载力的要求。

2 工程桩实施情况

由于该项目用地紧张，工艺平面布置时，初沉池与生物反应池的基坑相距仅5 m，初沉池的底板高于生反池基坑底4 m 多，由于生反池基坑开挖时，未有妥当的围护措施，加之边坡开挖深度内的杂填土和含砂淤泥土性过于软弱，生反池基坑靠近初沉池侧出现土体滑移现象，造成初沉池靠近生反池较近的已完成沉桩的工程桩共计有54 根出现不同程度的倾斜，桩顶明显向生反池侧倾斜，最大桩顶偏位达95 cm。

桩基布置及桩顶偏位示意图见图1 所示。

图1 初沉池桩基偏位图

3 工程桩偏位分析

沉桩时施工正常、后期土体滑移造成的工程桩偏位，符合德比尔（De Beer）所说的“被动桩”概念，即承受由桩周土水平位移所产生水平荷载的桩。此类桩会随着桩周土的水平运动，桩身继而产生倾斜、挠曲变形，桩的水平位移可达到开挖深度的1%～2%，甚至更大。根据德比尔和沃拉斯（De Beer and Wallays）等对承受土体水平运动的桩的现场试验成果，软粘土地基侧向流动引起的作用于桩上的侧向压力很大，足以使较大尺寸的桩产生变形，甚至破坏[1]。

经分析判断，土体滑移造成桩顶偏位意味着工程桩可能出现如下缺陷：

（1）桩身未损坏、桩整体倾斜；

（2）桩身出现裂缝、桩整体倾斜；

（3）桩身出现裂缝、桩出现整体挠曲；

（4）桩身弯折及出现断点（断裂），折点（折断）位置的上部桩身倾斜、下部略有倾斜或基本保持竖向。

情况（1）和（2）的桩身保持直线完整性，无弯折现象，但存在竖向倾斜角。情况（3）的桩身往往较长，比较柔，由于挠曲后其曲率半径的存在，桩身会有附加弯矩。情况（4）的桩折点（折断）位置一般在土层滑移深度下方的桩身弯剪力最大处、或桩身薄弱处（接桩处），上部桩往往由于倾斜率过大，且与下部有折（断）点，容易使整根桩基本失去承载能力。

桩整体倾斜、挠曲变形或桩身出现裂缝、桩身折断均会造成工程桩的承载能力降低。从工程应用实际和安全出发，人们最关注的是已偏位的工程桩是否还能满足工程需要，缺陷桩的剩余承载能力或者其经过修复后是否还能满足设计要求，这是迫切需要解决的首要问题。

4 检测结果

4.1 桩身完整性检测结果

在54 根偏位桩中，共存在I 类桩3 根，II 类桩19 根，III 类桩32 根，无IV 类桩。

根据《建筑基桩检测技术规范》定义，I 类桩桩身完整。II 类桩指桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载能力。III 类桩指桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。无IV 类桩意味着工程桩未出现桩身折断等严重影响结构承载力的情况。

4.2 桩身垂直度检测结果

按照工程桩偏位值，结合桩身完整性检测结果，共选取了8 根桩作倾斜率（角）测定。结果详见表2所列。

表2 桩身垂直度检测结果一览表

4.3 检测结果分析

分析上表中具体数值可以得出的基本结论是：

（1）偏位桩一般均存在桩身垂直度的问题，有一定的倾斜角。

（2）偏位数值和桩身完整性无必然联系，即不存在偏位值大的桩其完整性一定就差。

（3）接桩处一般为桩身薄弱位置（表中缺陷深度的位置基本同上部单节桩长，只有桩号310 例外），当桩受上部土体滑移影响，接桩处承受弯剪能力弱于桩身。

（4）偏位值和桩身倾斜角无明显对应关系，即不存在偏位值大的桩其倾斜角就大。

（5）基本无桩身弯曲现象。

5 处理思路

由于现行桩基规范仅对锤击沉桩时，桩的插入垂直度偏差有不得超过0.5%的要求（折算倾斜角为0.28°），未对沉桩后的桩身垂直度定出允许的偏差值。其定义的II 类、III 类桩对承载能力的影响，一般认为是指桩身基本垂直情况下的结论。该工程受生反池基坑滑坡影响，桩身发生倾斜偏位，倾斜角度一般在2.5°～4.1°之间。当桩身倾斜超过一定角度后，桩的承载能力会有影响。为保证工程的安全性，必须正确评估倾斜角与基桩承载力损失的关系。

（1）对倾斜角与基桩承载力损失的关系进行研究分析；

（2）采用静载试验抽样验证上述评估结论；

（3）根据现状桩的实际位置对初沉池底板内力和配筋进行复核计算。

6 桩身倾斜角与基桩承载力关系的理论分析

桩身发生倾斜对竖向荷载下基桩承载力的影响主要有三个方面：沉降值、桩身弯矩和桩身剪力。

对于承受竖向荷载的倾斜桩，其承载能力的特性国内外均有一定的研究。他们一般采用的试验方法是室内模型测试，理论分析采用岩土专业的有限差分软件FLAC3D。

郑刚等[2]人的研究结论是：存在着基于桩身倾斜度对桩顶沉降影响的沉降影响门槛值和对桩体破坏模式影响的破坏模式门槛值。即当桩体倾斜角小于门槛值时，其在相同竖向荷载作用下桩顶沉降的值小于竖直桩，其竖向承载能力不低于竖直桩。当桩体倾斜角超过相应的门槛值时，其沉降会大于竖直桩，竖向承载能力小于竖直桩。他们给出的两者门槛值为倾斜度4%（合2.29°）。土质条件、桩身刚度和强度、桩顶约束条件等都会影响该门槛值大小。在软土地质中，门槛值有所增大，其中沉降影响门槛值为倾斜度5%（合2.87°），破坏模式门槛值为倾斜度4%～5%。

苏子将等[3]分析了软土地区中承台下桩基的倾斜度对竖向荷载承载力的影响。该研究以桩基沉降40 mm 时的荷载作为容许承载力，即仅研究倾斜度与桩顶沉降的关系来评判竖向荷载作用下的桩基承载力，结论是：在倾斜度0°～12°范围内，容许承载力随倾斜度成正比；超过12°时，随倾斜度增大容许承载力逐渐减少。

上述两项研究的结果差异较大，仔细分析一下，形成这个结果的原因有：

郑刚等人研究的对象为模型桩，桩顶端无约束，为自由状；试验土体采用砂土；研究的内容为桩顶沉降和桩身弯曲破坏两个方面。苏子将等人研究的是工程桩，桩径1 200 mm，桩长71 m，单个承台下有11 根桩，可以理解为桩顶有约束的群桩基础，桩周土为淤泥、粘土和圆砾石；研究的内容仅为桩顶沉降。

桩弯曲后，桩的竖向极限承载力会减少。这一点，在国外也有相同的研究成果。根据瑞典规范，当桩的弯曲曲率半径由400 m 到100 m 范围变化时，规定其容许承载力线性地减少到零[1]。

胡文红等人[4]进一步的研究表明，决定倾斜桩的竖向极限承载能力的往往不是沉降大于容许值和桩体的剪切破坏，而是桩身最大弯矩超过桩身极限抗弯强度而造成的破坏，即当竖向荷载达到一定数值后，桩身弯曲破坏模式（剪切力往往小于桩体极限抗剪强度很多而基本不会发生破坏）的（倾斜度）门槛值要低于沉降门槛值。

另外，郑刚等人研究的另一个结论是：（相同）竖向荷载作用下桩身截面弯矩随倾斜度的增加而逐渐增大，弯矩最大值发生在距桩顶端2.5～3.5 m 范围内。这一点与胡文红等人研究的结果：不同竖向荷载作用下倾斜度为5%的桩，其桩身最大弯矩值发生在距桩顶端2.5～3.0 m 处有相似之处。