预应力管桩加固软土地基中断桩的处理措施及预防

　　摘要：预应力静压管桩施工中因多方面的原因，桩基断桩等质量问题时有发生，在工程实践中，探讨如何避免预应力管桩的断裂，和对已断裂的管桩采用费用低廉、切实可行的加固处理方法，具有较强的工程应用价值。
　　关键词：预应力管桩，断桩原因，加固处理，预防
　　预应力静压管桩因具有承载力高、单价低、工期短、施工简单、无噪音等优点而深受工程界的青睐，已成为软土地区一种广泛应用的基础形式，并取得了显著的技术、经济和社会效益。本文分析了预应力静压管桩施工中断桩的原因，并提出处理及预防措施。
　　1预应力管桩断桩的预防
　　1.1预应力管桩断桩的原因
　　从大量的工程实践来看，预应力管桩的断桩一般由以下三方面的原因造成：
　　首先是桩身质量问题：如混凝土强度等级不足或管桩出厂前没有足够的养护时间或在桩材的起吊、运输、堆放等过程中没有采取足够的保护措施，导致桩身结构强度极限值不满足设计要求。桩身质量不合格的管桩，在沉桩过程中很容易压断。其次是设计问题，主要包括两方面：桩型选择不当，主要是场地地质复杂时选型不当，如在硬夹层或孤石、障碍物较多的软土地区选用预应力管桩作基础，很容易碰到孤石等，施工过程中无法压到持力层而又不及时调整桩长就容易断桩。
　　持力层选择不当，如没有正确选择持力层或要求桩基进人持力层的深度过大而无法送桩到设计深度或持力层岩面起伏较大而桩长不灵活调整等。
　　此外，设计中如选用桩径不当、间距过密，也容易出现断桩现象。
　　施工方面也是一个重要问题：主要包括沉桩施工不妥和基坑施工不当两种情况。沉桩施工不妥体现在以下几个方面：
　　场地地表土地耐力较差，桩机在沉桩过程中下陷，无法有效控制桩身垂直度；接桩焊接不当；桩机移动措施不当，或没有合理安排沉桩流程、沉桩速率、没有设置应力释放孔、沉桩监测，由于挤土效应，产生了后续施工对已完成的桩产生偏位和断桩。
　　基坑施工不当体现在以下几个方面：
　　基坑开挖时，大型挖机挖铲转动时不慎碰到桩头，造成断桩；基坑内土方开挖程序未严格按照设计要求分层、分段开挖；在淤泥质土较厚地区，土体本身的流动性大。加上其中积聚的沉桩挤压力、土层中孔隙水压朝开挖方向释放，进而加剧了淤泥向开挖方向流动，又因预应力管桩对水平的抵抗能力小，随着土体的位移而向开挖方向倾斜，如果一次开挖过深就会引起管桩的偏位、严重的产生断裂；围护不当产生边坡失稳，边坡一旦失稳，基坑壁侧向移动，将严重破坏工程桩倾斜、断桩，通常是土钉支护等支护形式容易出现这种问题。
　　1.2预应力管桩断桩的预防
　　通过上述分析，结合多年的工程实践经验，我们认为从以下三方面采取措施可以预防断桩情况发生：
　　第一，严格控制桩身结构强度，确保工程桩质量的合格是顺利沉桩的前提。为了确保桩身质量，要求管桩出厂前应至少有14d龄期的自然养护时间，在桩材的起吊、运输、堆放等过程中严格按照相应的施工规范要求执行，每批桩进场必须提供相应的质量保证书，桩材进场时应由桩基施工企业专职人员配合监理单位对桩身进行验收。
　　第二，在设计上要合理选择桩型、确定桩基参数。在认真分析地质条件的前提下，大面积压桩前一定要做好试桩工作，并根据试桩情况确定好管桩长度，避免强行压桩到指定标高而导致断桩。必要时，可采用厚壁桩，针对具体工程地质情况，备用一些AB型或B型管桩，根据施工情况和地质状况有选择使用，虽然桩的成本增加，但从减少断桩和缩短工期的角度看，是经济的。
　　第三，合理安排施工方案。做好沉桩准备工作，对地表进行必要地建筑垃圾铺设、碾压，保证其达到设计要求的地耐力；打桩前预钻应力释放孔(如预钻孔、砂井、塑料排水板等)，防止工程桩倾斜。
　　严格按有关规定正确施工，必须保证送桩杆与桩身的纵向轴线保持一致，第一节管桩起吊就位插入地面的垂直度偏差不得大于0.5％，并及时用两台经纬仪双垂直方向校测，必要时，宜拔出重插；尽量减少中间休歇时问；接桩时，上下节桩段应保持顺直，错位偏差不大于2mm，焊接应符合有关规定，焊后自然冷却时间不得少于8min，严禁用水冷却或焊好即打。
　　采取措施控制沉桩速率和合理安排沉桩顺序，压桩初期沉桩速率宜控制在8-10根／日，压桩应按背离被保护对象的方向进行，并遵循“先深后浅，先大后小，先中间后两侧”的原则。在施工过程中，根据监测结果，及时适当地调整沉桩速率或压桩流程，必要时采用跳压(间隔距离应大于20m)或停压等措施来调节和控制土体位移量。
　　严禁边压桩边开挖，开挖宜在桩基全部完成并至少隔15d进行，以利于压桩中形成的土体内的应力消散。基坑开挖前应先进行围护体系施工，围护体系满足设计要求时才能进行开挖。
　　在基坑挖土过程中，避免损坏工程桩；开挖应结合后浇带设置情况按照分段分层间隔开挖，分段长度不宜大于20m、以充分发挥“空间效应”，分块位置按1：1.5放坡处理；应控制分层之间土层高差，小范围土层高差不大于2m，桩周土体高差不宜超过lm，以免局部应力释放过快、导致管桩的偏位、断裂现象。
　　开挖次序严格遵循“分层开挖，先撑后挖”的原则。施工下层土钉时，上层土钉必须有48h以上的养护时间。
　　做好基坑监测工作，在基坑开挖过程中，若有异常情况应进行连续观测，并及时通知各有关单位以便及时处理。同时做好应急预防措施，防止突发事件发生。
　　2预应力管桩断桩的处理
　　尽管在设计和施工过程中对断桩现象有严密的预防措施，但由于多方面的原因，在工程实践中断桩问题还是时有发生。软土地区的断桩现象，通常发生在基坑开挖的过程中，一般发生在管桩的上部，这主要是由于其上部受到压桩力较大或水平位移较大造成的。对这类问题，若采用锚杆静压桩甚至回填基坑补桩的方法来处理，既费时又不经济，同时补桩技术难度也较高。
　　断桩加固的原则是：首先，加固后的管桩的完整性和垂直度要符合设计要求，不符合垂直度要求的应通过扶正手段使其满足，不符合完整性要求的通过截断上部破损部分进行接桩处理。其次，加固后的管桩桩基承载力要符合设计要求。
　　管桩断桩的处理，通常是根据其不同情况来分别采取相应的措施。如果只是有裂缝破坏，可以采取填芯措施加固；如果是桩身严重破坏或者上下节严重错位，可以采取接桩措施加固。下面，我们通过一个具体的工程实例来加以说明。
　　3工程实例
　　某工程为小高层建筑，采用框架结构。其桩基采用PHC管桩，桩顶绝对标高1.55m，相对标高-2.9m，桩径400mm，壁厚80mm，桩长为26m，单桩竖向承载力设计值Rd=650kN。
　　在基坑开挖过程中发现23根管桩存在倾斜和偏位现象。经现场测量，桩的最大倾斜量为1570mm，大部分在300-1000mm，超过规范允许的范围。根据检测结果，桩身缺陷位置位于桩顶下3-5m之间。
　　为了保证工程安全，该工程项目部委托相关有资质的单位对PHC管桩的纠偏加固进行设计与咨询。
　　本工程地层特性依次如下：①素填土，松散，②1粉质黏土，可塑一软塑，②3黏土粉质，稍密，③1-1灰色淤泥质粉质黏土，可塑，③1-2灰色淤泥质黏土，软塑，③1-3灰色黏土，软塑一可塑，④1暗绿草黄色粉质黏士，上硬塑一可塑，④3黏质粉土，中密，⑤1灰色粉质黏土，可塑，⑤2灰色黏质粉土，稍密，⑤3灰色粉质黏土，可塑。
　　针对本工程特点，并结合以往处理经验，对未倾斜的Ⅲ、Ⅳ类桩进行填芯加固，填芯厚度应超过裂缝位置一定深度；对倾斜的Ⅲ、Ⅳ类桩，先进行扶正，再进行填芯加固。
　　填芯主要是在管桩内部设置钢筋笼，并在断裂位置上下1.5m范围内加密钢筋，钢筋笼下至断裂位置下3m。填充材料有两种方式，一种是在管芯中填C45微膨胀混凝土；另一种压密注浆，即通过在管芯中添置砂石的混合物并注入高压水泥浆进行补强。为了控制填充材料用量，前者需要在钢筋笼底焊接5mm厚薄钢板托板；后者需要在钢筋笼底安放止浆袋，用C45微膨胀混凝土封口，封口混凝土达到设计强度的70％之后才能进行高压注浆，注浆完成后拔出注浆管。相比较而言，后者工艺较为繁琐，工期较长。综合比较，我们选择C45微膨胀混凝土填充管芯。
　　填芯抗压承载力验算：由于裂缝存在，则在最不利情况下由填芯承担所有上部荷载。根据文献[1]
　　按下式计算填芯的抗压承载力设计值：
　　Nμ＝0.7fcac
　　计算得Nμ＝668kN＞650kN，抗压承载力满足要求。式中符号含义详见文献[1]。
　　为安全起见，除了满足抗压要求，开裂处的填芯还需与原PHC管桩的抗弯抗剪承载力相比较。
　　管桩PHCAB400的抗裂弯矩检验值为Nμ=63kN•m，填芯混凝土采用C45，钢筋为Ⅱ级钢，直径22mm，保护层厚度为30mm，通过计算得钢筋面积AB=3040mm2，n＝10根。开裂处配置12φ22，可以满足要求。
　　填芯加固钢筋笼的主筋为6φ22，并在断裂位置上下1.5m加密6φ22[2]，钢筋笼下至断裂位置下3m，并在钢筋笼底焊接5mm厚薄钢板托板，最后在桩管中浇注C40微膨胀混凝土振捣密实。
　　具体加固施工方法如下：
　　(1)桩内填芯。填芯前清洗桩管，然后在管桩内壁涂刷水泥净浆，以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性。然后下钢筋笼，配筋主筋为6φ22，在断裂位置另加6φ22，钢筋笼下至断裂位置下3m，并在钢筋笼底焊接5mm厚薄钢板托板。
　　(2)桩内浇灌C45微膨胀混凝土。
　　(3)施工完成后复测桩身偏位情况。
　　(4)选取有代表性的基桩进行承载力测试，桩数不少于3根。
　　(5)增加沉降观测点，加强对沉降量和沉降差监测。
　　桩内填芯如下图1所示。
　　
　　图1管桩填芯加固施工图
　　目前，该建筑已经封顶、装修完毕，从沉降监测资料来看，完全满足规范要求。
　　4结论
　　(1)本文从工程实践的角度较为全面地总结了软土地区预应力管桩的断桩原因，并提出相应的预防措施，对指导实际工程具有一定的借鉴意义。
　　(2)实践证明，本文通过一个典型的工程实例介绍的两种断桩加固方法加固机理直观，切实可靠，简易可行，经济合理，有推广应用的价值。
　　参考文献：
　　[1]DGJ08-11-1999地基基础设计规范[S].
　　[2]DBJT08-92-2000先张法预应力混凝土管桩[S].
　　[3]《预应力混凝土管桩》图集[M]．北京：中国建筑标准设计研究院，2003.