预应力管桩不宜施工的地层.docx

预应力管桩不宜施工的地层龚振斌(福州成建工程监理有限公司 350001)摘 要 :本文通过具体的实例 ,结合自己多年工作经验以及工作中出现问题的处理方法 ,从不同的专业角度来看待 、理解 、探讨我们现在所学的专业中难以理解的现象 ,从中找出那些不适合预应力管桩施工的地层 ,或者说预应力管桩施工中可能出现难以施工 的地层 ,如何去避免 ,去解决 ,或者从源头去消除 ,使之今后不在类似发生 。关键词 : 软土层 卵石层 软弱下卧层 山麓边缘地层 不易施工中图分类号 : U4451 55 + 1文献标识码 :B文章编号 :1004 - 6135 (2010) 10 - 0049 - 03Con struct ion of prestressed pipe shoul d not to be f ormat ionGo ng Zhenbin( Fuzho u Chengjian Engineering Supervi sing Co1 ,L t d 350001)Abstract : In t hi s pap er of sp ecific exa mples , co mbined wit h hi s yea r s of wo r k exp erience a nd wo r k in t he t reat ment of p ro blems , f ro m diff erent p rof e ssio nal p er sp ective , under st anding , explo re o ur lear ned p rof e ssio n i s no w difficult to under sta nd t he p heno me2 no n , to fi nd o ut t ho se w ho do no t gro und fo r t he co nst r uctio n of p re st ressed co ncrete pip e , p rest re ssed co ncrete pipe co nst r uctio n o r po ssible co nst r uctio n of t he gro und i s difficult , ho w to avoid , to re solve , o r f ro m t he so urce to eliminat e , so t he f ut ure i s no t simila r to t he occur rence .Key words :Sof t soilGravel layerWea k underl ying layerFoo t edge of t he fo r matio n Difficult co nst r uctio n引言预应力管桩是众多桩基施工中的一种桩型 ,国内发展至今已有十几年的历史 ,近段发展到顶峰 ,几乎所有的项目都见其踪影 ,唯一在桥梁施工中尚未见到 。它之所以能够存在 ,而人们又尚于利用它 ,那肯定有它存在的优点 ,人们刻意去发掘它的优点 ,无止尽的使用它的优点 。而忽略这些优点中隐藏着我们不易发现的缺点 ,或者说这些缺点我们还没有意识到 ,需要我们去探讨 、去发掘。预应力管桩的运用确实存在较多的缺点 ,如极易开裂 、抗震能力差 、抗水平能力差 、抗拔能力差 ,抗地质及自然灾害能力差 。尤其受地质条件的束缚 ,对地层有一定的选择性 ,对施工设备也有约束 。所以采用预应力管桩要有针对性 ,不能一概而论 ,蛮目从用。一 、预应力管桩作为桩基的基本构成 、性能及作用预应力管桩是采用先张预应力离心成型工艺 ,并经 10 个大气压 180 度左右的蒸汽养护 ,制成一种空心圆筒型混凝土预制构件 ,标准节长为 10 m ,直径从 300800mm ,混凝土强度等级 C80 。管桩是一种挤土桩 ,具有摩擦与端承双重功能 。施工时是靠机械挤压入土或靠打击入土 ,每节桩用电焊连接 ,桩尖采用两种 ; 1 、自带式桩尖与管桩预制时就联接在一起 , 形成整体 。2 、锥型桩尖与管桩接头焊接在一起 。而后靠机械打 ( 挤) 压入土 。当桩的底部达到设计土层 (持力层) 或相应的岩层时 ,桩基的施工即完成 。然后将所有桩的顶部与建筑物的底板 、承台 、地梁连接成整体 ,共同承受上部建筑的荷载 。管桩就作为力的 承上启下传递支撑 ,将上部的荷载均匀传递到持力层 ,起到桩 基础的作用 。管桩的特性是垂直承载力远大于侧向挤压力 、不宜弯曲 。缺点是 ;抗拔力差 、极易开裂 、抗剪能力差 、抗水平能力差 。优点是 ;机械化施工程度高 、现场整洁 、施工环境好 、不污染环境 、成本低 、桩越长越经济 ,施工工期短 。二 、地质条件对预应力管桩的影响由于管桩所具有的特性 ,所以业主及设计单位从经济与施工的角度考虑乐以采用管桩作为桩基础。但笔者认为管桩作为桩基具有其局限性 , 不是所有建筑物或构筑物的桩基都适 用 。这种局限性尤其表现在对地层要求比较高 ,一些冲淤积地 层 、海陆交互相沉积地层 ,局部都有这样不适宜预应力管桩施 工的地层存在。简单的说从地表以下的地层太硬 、太软 (厚) 、软硬交互层 、 软弱下卧层 、山麓边缘地层等都不适宜预应力管桩施工 。太 硬 :指坚硬的岩层或大粒径的卵石层 ,当然岩层作为持力层是 再好不过了 ,而此处所指的岩层是不同时期的岩脉的侵入 ,形 成不同成分的岩石 ,由于不同成分的岩石分化程度不同 ,后期 沿断裂带侵入上方的岩石 ,分化程度如果弱于下方的岩层 ,随 着地质年代的消失 ,分化程度的加剧 ,使之上覆岩体形成一些 薄的 ,分化弱的岩石透镜体 ,而下覆岩层已严重分化 ,形成软弱 下卧层 。太软 (厚) :指的是含水量大 、流塑的淤泥质土地层 ,该 种地层在基坑开挖时问题才会显露 。山麓边缘地层 :是指靠近 山坡边缘地带 ,上部的覆土薄 ,地层成分复杂 。软硬交互层 :是 指沉积时淤泥层 、砂层 、卵石层等交替重复出现的地层 。这些地层不同程度上对桩基施工产生影响 ,对建筑物稳定 性构成威胁 。所以盲目的认为预应力管桩适合所有的地层或 者认为预应力管桩施工方便 、机械化程度高 、工期短 、造价低而 刻意选择预应力管桩作为基础 ,都是不可取的 。三 、预应力管桩在不利地层中施工对建筑物 、构 筑物造成的危害性预应力管桩作为桩基对建筑起支撑稳定作用 ,而影响其正常发挥作用的 ,主要表现为预应力管桩的倾斜 、断桩 、浮桩 、下陷 、桩长不足达不到设计要求的承载力等 。由此而引发必然是建筑物失稳 、倾斜 ,严重的则断裂、倒塌 。预应力管桩的这些危 害性 ,除人为施工因素造成外 ,与地质条件、水文条件也有直接 的关系 。1 、倾斜 、断桩作者简介 :龚振斌 , 男 , 1956 年 7 月出生 , 煤田地质专业 , 工程师 ,建筑工程管理高级工程师 ,国家注册监理工 程师。收稿日期 :2010 - 09 - 072010 年 10 期 总第 148 期龚振斌 预应力管桩不宜施工的地层50 当桩的倾斜度 1 %时桩的承载性能符合要求 ,即满足设计所需要的承载力 。当桩的倾斜度 1 %时 ,随着时间的推移 ,持续的恒载力作用 ,特别有倾斜的地层 ,桩尖宜滑动 ,桩的倾斜会逐渐加大 ,承载力随着桩的倾斜加大而逐渐减小 。此时桩身的质量 、焊接的质量都显的特别突出 。当桩的倾斜达到极限时桩既会断裂 ,此时承载力等于零 ,桩失去效力 。造成桩倾斜 、断桩有多种原因 ,即有人为的因素也有地层的原因 。(1) 人为的因素造成倾斜 、断桩A 、机械 (桩机) 没有调好不平直 ,从一开打就倾斜 ,随桩长增加倾斜度会加大 ;B 、管桩加节时 ,俩桩头对接不平有缝隙 ,随加节增加倾斜度会加大 ;C 、桩身质量不合格 ,打桩时没有达到应有的压力桩身就爆裂 ;D 、桩的龄期未到 、强度未达到或运输 、吊装时桩已损坏没有发现 ;E 、地表层中杂填土含石块 、混凝土块及旧地基的石块 ,当桩尖入土时受其挤压偏离造成倾斜 。人为的因素对桩的施工影响力毕竟是个别现象 ,并且可以 克服 ,即便是表层的坚硬物也采用引孔等方式加以解决 ,只要 多加注意 ,不会对整体建筑稳定性产生影响 。(2) 不利地层造成倾斜 、断桩软弱淤泥层 :厚与巨厚的淤泥层十米到二十至三十米 ,含水量大 、流塑。该地层打桩时没有问题 ,容易施工 ,它对管桩的影响是后期土方开挖才显露出来 。我们知道现在城市建筑大部分是高层或即便不是高层但城市建设的需要也要建地下室 , 这样大面积土方开挖是不可避免 。淤泥土是流动 ,一旦有流动 的空间以及有导向的作用 ,淤泥即会向有空间方向流动 ,在其 之间的管桩易随淤泥流动方向倾斜 , 这样的桩倾斜是大面积 的 ,具有极大的破坏性 。案例 (一) :福州市乌山西路某高层工程 ,该工程南北向布 置 ,长约 90 m ,宽约 40 m ,共四栋楼 ,最南边 3A 、3B 两栋并排 , 中间是 2 # 楼 ,北边 1 # 楼 。四栋楼统一一个整体地下室 。该 地块东 、西 、南三面均有建筑物 ,基坑离周边建筑物最大仅 4m , 仅北边离别的建筑物较远 ,允许汽车通行 ,这样南边的基坑开 挖土方运输就必须走基坑内道路往北边出口 。该工程基坑支护结构为 : 桩式围护体系 ,四周围护桩长均 达 15 m 以上 ,基本隔绝基坑外围的土体的侵入 。基坑范围内 土层自上而下分部为 :杂填土 、粘土 - 1 、淤泥淤泥质粘 土 - 2 、粘土 - 3 、淤泥质粘土 - 4 、粘土 - 1 、含泥中粗 砂 - 2 、残积砂质粘性土 、全风化花岗岩 - 1 、砂砾状强风 化花岗岩 - 2 。桩基持力层就座落在砂砾状强风化花岗岩 - 2 上 1 。淤泥淤泥质粘土 - 2 钻孔揭露厚度为 10m , 含水量691 2 1 ,基坑底标高进入淤泥层 1m 。当 3A 、3B 楼土方开挖时 ,我们发现已施工的预应力管桩只有极少量倾斜 、断桩 ,这说明当初管桩施工没有问题 。当挖至 2 # 楼时 ,发现大部分桩向南倾斜 ,最大的倾斜距离达 50cm 。一部分断桩 ,动测显示断桩处均在浅部 ,基本上是桩顶标高高过开挖底平台的桩 ,即送桩没有达到设计标高的那些桩 。且中部东 、西向的支撑梁断裂 ,土体位移明显 。从现场整个情况来分析 ,是由于 3 # 楼土方开挖后留下空 间 ,而中间的运输道路是从北向南成下坡状 。施工期间高吨位 的汽车从南往北向运土 ,又从北到南返回俯冲 ,冲击力和下滑 力诱发淤泥从北向南蠕动 。这个诱发因素 ,从上部的水平支撑 梁断裂就可以清楚看出 。在开挖 3 # 楼时没有管桩倾斜 ,但是 开挖过程中已留下空间 ,汽车运输已经造成淤泥蠕动。2 # 楼 大部分桩其实在开挖 3 号楼时倾斜已经发生 ,只是还没有开挖 到 2 # 楼 ,我们不知道桩基已经倾斜而已 。再往后挖 1 # 楼时 情况又有好转 ,相对倾斜、断桩较少 。原因是 1 号楼已靠近基 坑边 ,运输路线慢慢变短 ,淤泥蠕动量减小 ,后期甚至不用汽车 运输 ,所以倾斜 、断桩就少 。从这个案例分析 :一是由于有厚可以蠕动的淤泥层 ; 二是有 3 # 楼开挖留下的空间 ; 三是由于汽车运输起导向诱发作用 。这三种缺一不可的因素作用下 ,倒使 2 # 楼出现较大部分的倾斜 、断桩的原因 。处理这起质量事故多花三十万元 。由此可见厚淤泥层中的淤泥蠕动 ,对预应力管桩的施工是具有破坏 性的 ,严重着甚至无法补强 。在这里我只举桩式围护体系 ,实 际上敞开式的土方开挖 ,即大放坡开挖 ,同样也存在边坡爆出 , 造成大面积倾斜 、断桩等现象 ,同样极具有破坏性 。2 、软弱下卧层造成建筑物的下陷 软弱下卧层是指在硬地层下出现软弱层 ,这种地层的出现既有早期地层沉积时形成的 ,也有后期地层分化后再沉积而形 成的 。如卵石层 、砂层 、淤泥层交替重复沉积出现的地层 ,即是 早期沉积时形成 。作为软 、硬交互地层 ,其本身在沉积过程中 各种地层就相互穿插 ,卵石层中夹有淤泥薄层、淤泥质砂层等 软弱层 ,也有淤泥层或淤泥质砂层中夹卵石透镜体 ,这些现象普遍存在 。一些地区出现的卵石层直接覆盖在较软的残积土上 ,就是岩石分化后再沉积形成的软弱层 。当卵石层粒径大于 80mm 时 ,层厚大于 3m ,层间密实度较高时 ,预应力管桩施工一般穿不过 。如果桩基持力层选择卵石层上 ,而下覆是软弱下卧层 ,这样的地层无法承受上部沉重建筑荷载 ,必然引起基础下沉。一旦基础下沉建筑物就失去稳定 ,就存在安全隐患 。案例 (二) :福建省莆田市市区某高层建筑工程 ,拟建一幢18 层综合楼 。建筑物范围内场地属海岸平原地貌单元 ,地层自上而下分部有 、杂填土 , 、粉质粘土 , 、淤泥 , 、粉质粘土 , 、圆砾 : 上部约 0 1 5011 00 呈松散稍密状 ,下部呈中密密实状 ,力学强度较高 ,但其密实度在纵向及水平方向上均不均 ,且厚度变化大各处厚薄不一 ,其粒径大小不一 ,一般为250mm ,最大可达 80mm 以上 ,层厚 21 7061 40 m 。现场重型圆锥动力触探修正击数 N631 5 介于 31 4301 2 击 ,标准值为151 2 击 。、残积砂质粘性土 : 呈可塑硬塑状 、底部多呈坚硬状 ,强度随深度的增加而递增 。 、全风化花岗岩 , - 1 砂土状强风化花岗岩 , - 2 碎块状强风化花岗岩 , 、中等风化花岗岩 。持力层选择在圆砾层下卧层 - 1 砂土状强风化花岗岩地层上 2 。圆砾上覆地层较薄 ,揭示深度在地表下 101 10 111 50 m , 地下室开挖深度约 6m ,实际桩长仅 56 m 。桩基的有效桩长 达不到设计要求 ,所以只有穿过卵石打到下卧层 ,方能满足设 计要求 。设计时已考虑这点 ,所以采用 600mm 口径的预应力 管桩 ,持力层放在 - 1 砂土状强风化花岗岩上 。桩长能满足 设计要求 。施工时施工单位选用静力压桩机施工 ,施工结果绝大部分 桩压不到位 ,只能压入圆砾层 12 m 。原因是圆砾层中下部圆 砾呈中密 - 密实状 ,粒径在 5080 mm 之间 ,有的在 80mm 以 上 。现场重型圆锥动力触探修正击数 N631 5 介于31 4301 2击 , 标准值为 151 2 击。圆砾层下半部这样的硬度 ,一般的静力压 桩机压不下 ,虽然压力达到设计要求 ,但桩长达不到设计要求 。 不得已静力压桩机退场改换锤击打桩机进场施工 ,改换锤击打 桩机施工后 ,同样不是很理想 ,由于该层密实度在纵向及水平 均不均 ,虽然所以桩都打到设计底标高 ,但是桩有一定的损坏 , 特别是一些隐形破坏的 ,隐患较大 。后期对明显破坏的桩可以 进行补强 ,但隐形破坏却无法得到补强 。从这个案例分析及其引伸 ,我们可以理解或者认为锤击或静压预应力管桩 ,对砾石或卵石粒径大于 80 mm 以上 ,密实度较高 ,层厚在 3m 以上是不宜采用的预应力管桩 。即使砾石层或卵石层大于 5 m ,而砾石层或卵石下卧有残积砂质粘性土等软弱层 。持力层也不能选择该层 ,同样也不能采用预应力管桩 ,如贸然采用 ,势必会留下较大的安全隐患 。四 、预应力管桩抗拔力差造成的危害性预应力管桩的构成之前已阐述 ,预应力管桩是由工厂化生产出来的 ,外壁光滑 ,磨阻力差 。它的抗拔力主要靠挤土后与土体的粘结牢固程度以及桩长来决定 。即使这些与土体挤压粘结也要受外界因素的影响 ,即周边地层土体的成分 、含水量2010 年 10 期 总第 148 期龚振斌 预应力管桩不宜施工的地层51 以及土体密实度 、厚度等有关 。闵行莲花河畔景苑 7 号楼倾倒的主要原因 :是紧贴 7 号楼 北侧在短期的堆土过高 ,最高处达 10m 。与此同时紧临大楼南 侧的地下车库基坑正在开挖 ,开挖深度达 41 6 m ,大楼两侧的压 力差使土体产生水平位移 ,过大的水平力超过了桩基的抗侧能 力 ,导致房屋倾倒 3 。专家对该楼倾倒的结论 ,是指该楼倾倒的起因作用力 。但笔者认为闵行莲花河畔景苑 7 号楼倾倒从现场图片资料看 ,一些桩的断点平直 ,没有明显不规则断裂痕迹 ,这说明桩的断点是应该在两桩焊接处 ,桩焊接不牢固也是一个原因 ,况且是单桩单柱 。关于抗拔桩焊接不稳定或不牢固 ,建设部现已有明确规定 ,福建省已发文关于加强预应力混凝土管桩机械快速接头技术推广应用的通知 4 。由此可以认为预应力抗拔桩的焊 接是个关键。焊接不牢也是造成预应力桩抗拔力差的一个原因。另一个预应力管桩抗拔力差的原因 ;是桩本身结构与土体粘结不牢所造成的 ,一般象淤泥质土 、淤泥质粘土 、砂质淤泥土等含水量高 、流塑的地层粘结性均较差 ,如果该地层呈厚状或巨厚状 ,那抗拔力就更差 。如果有承压水的地层或地下水位较高 ,都对预应力管桩形成上浮力 ,其抗拔同样受到影响 。一般管桩的抗拔力只有承载力的三分之一 ,就说明这点 。五 、地下水对预应力管桩形成的危害性土层中含有丰富水 ,水的存在对桩的抗拔力及承载力具有影响 。如果地下水位较高 ,会对地下室产生浮托力 ,设计就得按水位高程进行抗浮验算 。而本文要讲的这部分水的影响主要是指含有承压水的那部分地层 ,例如案例二中的砾石层及花 岗岩分化带的孔隙裂隙中的水 ,这些水对预应力管桩抗拔力及 承载力均有影响 ,在施工中我们经常看到一些超过桩顶标高的管桩割除后 , 以及露出地面的少量管桩 ,会涌出持续不断的水 ,刚割除时还 会夹带较多泥土 ,而后变泥水 ,漫漫水就变清澈。这些水即是 地下某地层富含的承压水 ,通过管桩焊接不牢处而流入管内益 出地面 。另一种情况是管内与管外土体的压力差 ,也会使土和 水往管内涌 。它对管桩的影响主要表现对管桩桩尖处土体的软化 、松散 ,致使桩的承载力达不到设计要求 。案例 (三) :福建省漳州市某高层建筑一期工程 ,共 4 幢 ,两幢 17 层 ,两幢 27 层 。建筑物范围内地貌单元属九龙江下游冲洪积阶地 ,地层至上而下分布为 : :杂填土 、:粉质粘土 、:淤泥 、:粉质粘土 、: 残积砂质粘性土 、: 全风化花岗石 、:砂土状强风化花岗石 、:碎块状强风化花岗石 、:微风化花岗石 ,桩端持力层为土块状强风化花岗石 5 。我们知道残积土 、强分化花岗岩遇水易软化 ,如果该土层含有承压水 ,且有通道 ,会不会使土层软化 ,施工时对于桩尖土层是否软化 ,是否对承载力有影响 ,我们采用复打的办法进行验证 。原施工的桩成桩后 ,过几天再移机相同的桩位上 ,在同等条件下复打该桩 ,我们发现在原有的压力下 ,几天前施工的桩 ,当时在这压力下已不能进尺 ,但复打却发现进尺了 ,比原来打深了。也就是说在原来的深度 ,承载力已达不到规定的要求。这给我们一个 1 警示 ,如果我们没有做这样的复打 ,没有去验证打桩后的成果 ,我们就不知道此时桩的承载力已发生变化 。通常施工都不去验证桩的这种变化 ,这样对建筑物的安全埋下隐患 。倘若是均匀的沉降 ,对建筑物的影响还不是很大 ,如果是不均匀沉降 ,那建筑物就存在较大的安全隐患 。当然地层中这些不平衡格局会被打破 ,新的平衡会重新建立 。随着时间的推移 ,上覆地层如果没有发生太大变化 ,而管桩内承压水的通道及时堵上 ,地层就会形成一种平衡 ,这样的平衡格局会慢慢使地层趋于稳定 ,承载力也会得到恢复 。问题是在地层没有得到相对平衡之前 ,而上部荷载又不断增加的前提下 ( 建筑物往上加高) ,桩基的少量下沉是存在的 ,这些下沉量取决时间长短和上部荷载的大小 ,而少量的沉降对建筑物结构安全也许是致命 。六 、地质条件限制预应力管桩施工我们知道由于地球板块的活动 ,使造山运动的形成 ,山峰的产生 。在漫长的地质演变过程中 ,即有火山喷发造成不同岩性的岩层一次或多次覆盖 ,也有岩脉一次或多次侵人 ,造成局部地层的重复 。即有地震造成岩体崩裂脱落 ,形成孤石 。也有的不同年代 、不同岩性的地质分化 ,形成的残积土 、强分化岩石 。由于岩性不同 ,分化程度不同 ,造成地层软硬不同。既有山洪的爆发 ,各种土体的迅速堆积 ,也有泥石流的肆虐 ,造成山体的滑坡。这些新旧的地质作用 ,造成山坡边缘地层沉积复杂性、多样性 ,使之地层中含有较多的孤石、吊块 ,且上部覆盖地层薄。这些山麓边缘地层共有的特性必然限制预应力管桩的施工。案例 (四) 福建省福州市尚宾路某中高层建筑 ; 南北向分 部 ,南北长约 50 m ,东西宽约 35 m 。北边一幢 8 层住宅楼 ,南边 一幢 12 层综合办公大楼 。建筑物范围内属北峰山脉的延续 , 屏山山麓以南的一个孤立小山包 ,即福州人所指的暗山 。原地层北高南低 ,北边基本上为原状土 ,但就在这狭窄地 带 ,地层却变化复杂 。南边综合楼最长桩达到 35m 左右 。北 边住宅楼桩最短仅 3m ,且桩与桩之间有的仅相隔 3m ,桩长就 相差近 10 m 。原桩基设计是采用钻孔灌注桩 ,桩基施工中面对 这么复杂的地层 ,施工单位怀疑该地块存在孤石 ,钻孔灌注桩 的钻头无法穿透孤石 。于是要求勘察部门进场补充勘察 ,以证 实是否是孤石。补勘结果证实北部地层是连续的 ,中间地层没 有缺失 ,岩石成分不变 ,属于同一种花岗岩 ,不是孤石 。而旁边 那些相差 10 m 的地层补勘结果证实不是同一种岩石 ,虽是花 岗岩 ,但岩石的成分有区别 ,属不同时期的岩浆侵人 。只有南 边综合楼个别浅部