钻孔灌注桩承载力异常现象分析.doc

钻孔灌注桩承载力异常现象分析第23巷2001年第5期9月岩土工程ChineseJounnfGeoteehuicalEneenngVol23,No.5Sept.2001钻孔灌注桩承载力异常现象分析Analysisofabnormalphenomenainultimatebearingcapacityofboredpile楼巍胡.,陈强华.俞有烤,陶兴文l同济大学地下建筑与T程系.上海2OOO92i2华东建箭设计研究院.卜海20012;3武汉地质勘察基础_【I程f集团)总公司上簿公司.上海2OOO631摘要:举了上海及周边地区6个I_程共t119根钻孔灌注桩的静载试验情况.其中大部分桩的极限承载力出现异常现象.同一:释场地同一几何尺寸的桩,单桩扳限承载力相差町达100%上:分析表明:施J二机具,成孔时间,护壁清孔方式,桩身结构完整性地下障碍物及重复加载方式均对单桩最载力有重要影响如果施IlL艺不合理,会导致单桩极限承载力偏低很多;超载预压后.粉土砂土地基中的钻孔桩承载力会增加.在较粘土地基中则会减小;与旧基础柏连,将使桩的承载力偏太不少关键词:钻孔灌注桩;极限承载力:异常现象;静裁试验中图分类号:TU47313文献标识码:A文章编号:1(004548(2001105054705作者简介:楼硗明.1965年生.副教授.主要从事桩基工程,结构与地基共同作用研究LOUXiaoruingJCHENQianghua,Zwei,OXitg-wenI】脚am朗1ofGeotechrfcalEngineering.ToniUniversi.Slum曲2(X)092.China;2EastChinaA咖ralDesig1】&Institute.Shanghai2OO0O2,1/3i13R;3VuhanC,eologicalIn,esigafionFoundationEngineeringGeneralConanyShangtmi200063.3fina)Abstract:Stancloadingtestresu1蜒ofuinenboredpI1esinxprojectsnShasagtud唧0nateintmd.ced.Ultimatebearingcapauide.ofmostofthesepilesareunusuoTheultirmtebearingcapacityofonepilecarlbetwiceofanotheratthesamesiteand山thesamedimension.AbnormalphenomenainuldmatebearingcapacityofboredpilesismainlyattributedtoCOiistmco1factor-suchascortstmctionequipment,uingtime,boreretammgarI(cleaning.andpileinugrityTheuitimatebemcapacity.ofboredpilescanbegreatlydecreasedifconst/uctionprocessisunreasonableandcanbeobviouslyncadinsilt3,ofsand3,soilsbutreducedincohesivesoilsaftersurchargepreloadingin山efitStaticloadingtestItca3alsobeenhancedagrea1otifNesareconnected山oldspreadfoundationsKeywords:boredpile;ultimatebearingcapacity;abnormalphenomenalstaticloadingtest1引言从2O世纪6o年代开始,钻孔灌注桩在上海地区的使用与发展经历了一个曲折过程,早期由于施工工艺落后,与打人桩比较.单位摩阻力明显偏低.钻L灌注桩的使用较少;进入80年代后,由于施工工艺的改进,如两次清L,改善L壁形状及稳定性等措施,使其单桩极限承载力有了明显提高.应用规模越来越大.由于这类桩施工工艺,承载变形机理较为复杂,施工队伍迅速扩大,技术管理水平参差不齐等因素影响,近些年有许多工程的静载试验结果出现异常:一个工程的单桩极限承载力试验结果与正常预估值相差很大.或同一工程同样规格的几组试桩,其极限承载力()值会出现相当大差异,有时差值可达100%以上文献39曾经对这种异常现象作过报道,但一般都针对单一工程本文通过集中列举上海,南通两地6个工程19根钻L灌注桩28次静载试验的单桩极限承载力().值的试验结果,讨论钻孔灌注桩承载力出现异常现象的主要原因,为深入了解钻孔灌注桩承载力的影响因素,进一步改进施工工艺,为以后工程中及时正确处理进而避免出现这类现象提供参考.2钻孔灌注桩极限承载力异常工程实例6个工程,19根钻L灌注桩的主要情况及28次静载试验的主要结果汇总于表1,表中单桩极限承载力的确定方法符合国家建筑桩基规范的有关要求.2.1实例1南通国际大厦工程该工程进行过两次单桩静荷载试验,桩身均埋设轴力量测元件第一次进行3组试验(试验编号分别用A,B,C表示).均未达到设计要求,且各试桩单桩极限承载力测试结果差异很大,一些粉土,粉细砂层的桩侧摩阻力不足20kPa,随后进行复压,承载力分别有较大提高.分析后认为这种状况与施工设备及工艺不合理有关:成孔时间过长(有关人员擅自要求必须超过20hl,孔);钻杆受龙门架限制,使孔壁过于挺直(A,B试桩采用有龙门架的钻机成L,C桩采用300型钻机成L);采用合金钢已基本磨损的双腰带钻头(A,B试桩),只有C桩采用单腰带钻头;由于桩周土主要是非粘性土,钻L过程曾向孔内投放宜兴陶土收稿日期:2103一O548岩土r程2001,寸经过施工工艺改进(包括钻机,钻头),并考虑到场地桩端持力层的起伏,将试桩长度加长50ill后.利用二程桩又进行了两组试桩的静荷载试验(编号14,59)上述试桩的5组Q曲线见图1所示QkN图1南通国际太厦试桩的5组0一曲线FigiFiveload一.aetllementcurvesofpilesinG.oiiMansion2.2实例2上海新地大厦该工程进行过3次静荷载试验.第1次试验2组(编号B11,B21)均未达到设计要求,低应变动测结果又排除了断桩夹泥的可能.根据B11,B21试桩的实N4L径曲线资料可看到j,上段桩(约20m)L径有扩孔现象,下段则较平直,这种孔径曲线与上海地区上部土层结构松散,下部土层结构紧密的特点一致.上部孔径大,说明该范围塌孔现象严重,孔底沉渣将较难控制,影响桩端阻力的发挥,由于浅层土质松软.浅部扩径对提高p.的作用不大,而下部(25m以下)孔径平直则不利于中密一密实粉砂层桩侧摩阻力的发挥,这与实例l的情况有相类似之处.由于对该试桩Q.值偏低的原因有分歧,又请另一测试单位对该2组桩重新进行试压第2次试压在第1次试压1个月后进行,BI一2,B22测得的p值有较大提高第3次试验2组试桩(编号S,)是在更换了施工单位后重新施工的,规格不变测得Q.值明显高于B11和B2一l试桩.上述试桩的6组Q曲线见图2第3次试压的成功,既排除了施工因素存在的隐患,又避免了因盲目增加桩数,桩长产生的浪费,.种椰鲫删第3期楼_蛲明等钻孔灌注桩承载力异常象分析旦/kNll2000400060008000一S图2上海新地大厦试桩的6组曲线Fig2Sixll,adsettlementofpilesinXindiMmMon2.3实例3上海浦东华昌大楼该_程的试桩有2组c编号89,79)89试桩的0.值只有设计值的40%.第二天进行复压.承载力更低.对该试桩进行低应变动测检验,桩身砼质量却连续完整后查阅施工记录发现.该试桩在成孔到28r11深左右.曾移机约67d停止钻进,然后再继续成孔到完成谚试桩.同样工程中另一组试桩(79试桩)的()却能满足设计要求.上述试桩的3组0一曲线见图3所示kN图3上海浦东华昌大楼试桩的3组曲线Fig3rhreeloadsettlement(sofDlinHuachangMansion2.4实例4上海广电大楼该工程进行过两次静载试验第一次进行3组(编号1.2.3).均来能满足设计要求,清孔方式采用反循环施工.桩端持力层为层草黄色粉砂.第二次试桩叉进行了2组.其中1组为第一次试桩的3试桩.经过第一次试压(称为31).桩端向持力层土中压人了约0.21m.另一组4试桩为重新制作的钻孔灌注桩,其规格基本不变,唯清孔方式采用循环方式施工.】:述试桩的5组0一曲线见图4昕示2.5实例5上海淮海大厦该工程也进行过两次试验.第一次试桩有2组【编号1.2),2试桩加载到5600kN,未呈现破坏迹象.1试桩在加载至36OOkN时,桩顶突然急剧下沉,千斤顶无法稳定荷载一l试桩开挖周围土体后,发现桩身在泥面下20nl左右处发生45.剪切破坏面.钢筋均被剪断.这一位置正好是试桩桩身与以后浇筑的桩帽联结处.桩身混凝土质量差夹有泥块引起桩身材料破坏第二次试验也有2组试桩,第一组为1试桩凿去夹泥的桩身砼.重新接高后进行试压(编号l一2),第二组为另设的试桩(编号3),上述4次试桩的0一曲线见图5所示pkN001I)图4上海广电大楼试桩的5组Qs曲线Fig.4FiveloadsPttlenntur,sotpilesInGuangdianMansion图5上海淮海大厦试桩的4组O一曲线Fig.51%urknd一eulementClll2,.esofpilesinHuaihaiMansion26实例6上海某工程该程对1组试桩进行了两次试验,桩身埋设轴力量测元件.桩端进八.层砂质粉土.该试桩(编号SZ1一1)加载到5400kN也未呈现破坏迹象,较按规范计算的单桩极限承载力标准值4130kN(取中值)高3o7%分析该试桩的桩身轴力发现,凌试桩的第一层至第二层元件(AI=9.2m)之间的桩侧摩阻力q.107.9kPa.而其下部q12.9kPa.将该试桩的浅部开挖,发现该试桩在地表F大约1020Irl范围内与场地的原有十字交叉基础粘结在一起.该试桩的加载过程相当于进行单桩和1一字交叉梁复合基础共同作用的静荷载试验一把浚试桩桩身与十字交叉基础的相连部分割断之后.再进行一次试轴神帅吣一一IlJj岩土工程验(编号SZ12),2次试桩试验的2组Qs曲线见盈6所示一100;一040+SZ1.15ll一一Z12图6上海某工程的2组0一曲线Hg6n0loadsettlementrIJesofpileinacertaintllal3.ion3钻子L灌注桩极限承载力异常现象的产生原因将以上实例归纳,可以发现.影响钻孔灌注桩极限承载力的主要因素大致有以下几点一31施工机具类型通常认为,钻孔灌注桩的孔壁形状应有一些小的变化,呈锯齿形.应避免钻孔过于平直,光滑,尤其是以砂,粉土类土为主的地层中,选用合适的,钻进过程有些晃动的钻机(例如3130型钻机)显得比较合适.双腰带钻头导向性能好,钻进平稳,容易保证钻孔的垂直睦,单腰带钻头导向性能相对较差,钻进过程中钻杆有晃动现象一实例I中的A,B试桩与C,14及59试桩承载的差别.证明1选用合适钻机类型和钻头的重要.,B桩采用带龙门架的钻机和双腰带钻头成孔,形成孔壁比较光滑.孔壁上因造浆护壁附有泥皮,桩土之间接触面抗剪强度明显降低,导致桩的极限摩阻力显着下降C桩及14,59试桩均采用3130型钻机和单腰带钻头成孔,形成的孔壁比较粗糙,由于水下混凝土与土之间的咬合作用,使得桩侧极限摩阻力较高.14,59试桩的极限承载力大大超过c桩的原因,还与单腰带钻头重新将合金钢镶嵌修理有直接关系所以.管选用何种钻机,钻头,应避免使主要受力土层的孔壁象实例2的B1.B2桩那样过于平直.32成孔时间正常的钻孔灌注桩施工应尽快完成该桩的成孔工作.成孔后应尽快浇灌桩身混凝土,施工过程中发生人为或意外故障或停顿,均会使钻孔灌注桩的承载力发生损失因为钻孔灌注桩为非挤土桩,成孔后由于L壁侧向应力解除,孔壁自由面势必向临空面位移变形.孔壁周土出现松弛效应,从而影响各土层的极限摩阻力,成孔时间越长,松弛效应越明显;另一方面.由于成孔时间越长,L壁泡水软化现象就越严重,同样影响摩阻力正常发挥一实例3中89桩充分证明了这一点.同样,尽管成孔过程连续进行.中间没有发生停顿觋象,但钻孔过程中人为地降低成孔速度,使钻头在孔中反复切削,扰动孔壁,也会造成钻孔灌注桩桩侧摩阻力的明显降低.实例1中的A,B及C试桩的情况,有关人员擅自规定钻孔时间必须超过20h33护壁方式投放牯土是为了提高成L过程中自然造浆的混浆性能粘土投放后能使砂,粉土类土的孔壁保持稳定,但是含粘土量过高的泥浆,成孔叫孔壁形成过厚的泥皮往往使混凝土与孔壁之间增加了润滑剂,大大降低了桩侧摩阻力值.实例1中C试桩的Q.值明显低于14,59试桩,与c试桩在成孔过程中曾投人宜兴陶土,而后2根试桩利用自然造浆,进一步降低了泥浆中的粘土含量,减轻了泥浆比重有关.即使采用自然造浆护壁,也要控制泥浆性能指标,使其满足有关施工规程要求文献:5:某工程的4根试桩,设计桩径lOOO131I,设计标准值5500kN,设计桩长62m.清渣后实测的Sl,是,桩泥浆比重分别为】.25,1.23,113,1I5,静载试验得到的单桩极限承载力值分别为4OO0,7000,11000.】10oOkN在地下室开挖时.可以看到Sl,s2桩桩周为一层厚度较大的泥皮所包裹,而S,s4桩桩周土层与桩身混凝土接触较好汪实了泥浆比重大,必将使泥皮厚度增大,影响桩侧土层摩阻力正常发挥34清孔方式J二海地区常用正循环方式清孔实例4的3组试桩用反循环方式进行清除孔底沉渣,结果1.2及3试桩的Q值均低于4试桩(采用正循环方式)约40%50%这呵能是反循环排渣效率较高,较大的抽吸作用使得桩端附近的粉砂层发生应力松弛而正循环清孔过程中,孔底粉砂持力层受到孔内水头压力的作用较难产生应力松弛.所以正循环施工只要将孔底沉渣清除到一定厚度之内,钻孔灌注桩就能提供一定的桩端阻力实例4中31试桩经过一次静荷载试验后.桩顶沉降了约0.21tll,桩端大约沉降020m(桩身弹性压缩约10mm)后,桩端土受到一定压缩后,32的承载力提高了28.4%,这从某种意义上也说明桩端土层受到了反循环清孔的扰动后变松了,经过复压后使桩端土承载力提高上海地区的第5期楼晓明等钻孔灌注桩承载力异常现象分析钻孔灌注桩,桩端支承在层土(粉砂)时,采用反循环清孔方式宜谨慎.反循环清孔方式在上海实践机会还不多,很难给它作出合理的评价,可能时,宜对反循环清孔方式作进一步的试验研究在其他地区(如福建),当桩端持力层为碎石砾石,岩石时,反循环钻孔或清渣被认为是有效的施工工艺二次清孔是软土地区钻孔灌注桩得以大规模推广使用的一条关键措施.仍需要坚持并认真的加以做好对于闻清孔不善,导致孔底沉渣过厚而引起钻孔灌注桩承载力大幅度降低的例子不胜枚举_2实例2的B1,B2桩承载力偏低可能与清孔效果不好有关,而且由于上部孔壁有塌孔现象,即使清孔效果好.在清孔后.混凝土浇灌前仍有可能产生较多的沉渣.3.5桩身结构完整性钻孔灌注桩水下浇筑混凝土的方式,容易产生各种桩身质量问题.如离析,疏松,空洞,缩颈,夹泥,断桩等.如果结构缺陷较严重.会影响桩的极限承载力一另外.成桩后,头部混凝土往往夹有泥浮浆,质量较差.试桩接桩时必须凿去否则,就如实例5的l试桩一样.尚未达到设计要求的9.值,桩头连接部分的水下馄凝土已产生45方向的剪切破坏.3.6地下障碍物对于拆迁场地,由于原有建筑物下往往有桩,十字交叉基础及原有地下防空洞等存在,如不认真清除.试桩桩身与障碍物相粘连,则实测9.值将会提供虚假的高数值如实侧6中SZI试桩,与障碍物相粘连时的().值超过排除粘连后9.值的28.6昵.3.7超载预压影响同一根钻孔灌注桩经过一次静载试验后(获得Q).再进行第二次试压(获得Q),两次试桩的结果,往往9I()t对于非粘性土,一般9>9l】11通常认为这是由于桩周土及桩底土经过一次试验的超载预压作用.非粘性土发生剪切硬化,孔底沉渣被压实所引起的.实例1的A,B及C试桩,实例2的BI,试桩,实例4的3试桩,桩周主要是粉土,砂土,第二次静载荷试验测得的p比其第一次静载荷试验增加了20%45%相反,实例3的89试桩初压9l:1920kN,其复压(快速法19II2=144OkN,反而降低了25.O%究其原因,可能是桩周主要是粘性土(只有桩端进八砂土持力层2.5m),且该桩施工时曾巾途移机停钻67c1.使孔壁周围土软化,沉渣过厚,经过一次试压后,桩周土体被剪切破坏扰动,短时间内尤法充分恢复之故4结语同一工程中,导致钻孔灌注桩极限承载力异常的主要因素为施工机具,成孔时间,护壁,清孔方式,桩身结构完整性,地下障碍物及重复加载等,其中施工因素是主要的.述施工困素通常指施工的主要环节问题,也包含文献39所提的泥浆比重,泥皮沉渣厚度,孔壁形状等因素,这些因素主要在成孔过程中产生.由于影响因素众多,交错作用,使得钻孔灌注桩的承