高层建筑深基坑开挖回弹对桩身质量的影响

高层建筑深基坑开挖回弹对桩身质量的影响

井保护的安全性得到了广泛关注，其设计和施工技术也得到了完善。但伴随深基坑开挖,发生了一些尚未被人们引起足够重视的工程问题。基坑开挖,坑底土体被卸载,土体出现不同程度的回弹,这是被工程界公认的事实。一般的浅基坑,由于其卸载量小,坑底回弹量微,一般均不会对工程桩产生危害,但深基坑的回弹对工程桩的危害却不容忽视。笔者通过一个深基坑工程实例,对其进行一些粗浅的分析,供同行参考和作进一步的理论研究。1层内地下空间分布该工程位于上海市闹市中心,由一幢24层高层建筑和5层裙房组成,地下均为3层,基坑开挖深度主楼为13m,裙房为12.5m,占地面积约4771m2。平面形状见图1。1.1桩身密度及围护体系工程桩采用ϕ700mm的钻孔灌注桩。主楼有效桩长37m,钢筋笼长13m,总桩数为212根;裙房有效桩长为30m,钢筋笼长为13m,总桩数为66根,桩身混凝土设计强度为C30。本工程围护体系采用桩长为27～28m的ϕ1000～ϕ1100钻孔灌注桩排桩挡土,21m长的ϕ700×1200双头水泥土搅拌桩止水,内设三道钢砼支撑。基坑开挖表明,围护体系止水性好,安全可靠,位移小。工程桩、围护桩与地层剖面之间的相互关系见图2。1.2地质条件和岩石工程的地质条件根据该场区的工程地质勘察报告,场区内各土层埋深及物理力学指标见表1。2堆载法静荷载试验基坑开挖完毕,在浇捣完坑底垫层后,低应变动测发现约30%的工程桩被判为有严重缺陷的Ⅲ类桩,这一结果使该工程参与各方为之震惊,为验证结果,另请三家检测单位同时进行平行检测,其结果均与第一次检测结果相似,并均判断在桩顶下11～14m范围桩身段内出现严重桩身质量缺陷。为进一步判别Ⅲ类桩承载力及桩身质量缺陷的实际情况,特随机抽取三根桩(N1#、N2#、N3#)(见图1)进行堆载法静载荷试验,其结果有一个共同特点,在加荷至1120kN和1200kN,桩顶均有突然快速沉降30～35mm,之后继续加载P-S曲线又趋正常。其中,N2#桩终止加载为4000kN,达到了工程桩设计单桩极限承载力要求(图3)。当时对工程桩桩身质量判断有两种,其一,认为在桩顶下11～14m范围内有严重夹泥;其二,认为在桩顶下13m左右即钢筋笼底部由于基坑开挖坑底土体回弹将桩拉断了。3桩体质量缺陷的研究3.1桩身脱开断裂为了查清桩身质量缺陷的实际情况和原因,现场随机抽查N4#、N5#、N6#(图1)3根Ⅲ类桩进行桩身砼取芯勘查。钻探取芯深度要求大于13m,除N4#桩因发生孔斜,实际取芯深度为7.6m之外,N5#、N6#桩取芯深度均达到14.5m。取芯发现,3根桩的取芯率平均在90%以上,芯样混凝土均匀、致密;但在取芯过程中发现在13.1m附近(N5#、N6#桩)均发现蹩钻和落钻2～4cm现象,之后又恢复正常。至此,可判断在桩顶下13.1m左右桩身发生了上下脱开断裂。但断裂处到底是一种什么样的状态呢?3.2桩顶裂缝型混凝土裂缝为直观地分析和判断桩身砼的密实度及完整性,在取芯孔内进行了水下电视摄像,孔内摄像显示,孔壁圆直、完整,混凝土均匀,约在桩顶下13.1～13.3m处有一宽2～4cm的裂缝,裂缝上下断面呈现锯齿形,主要为石子凹凸所至,夹缝内干净无任何泥土,上下断面均为良好的混凝土。至此,载荷试验、桩身取芯及孔内电视摄像都反映出桩身存在断裂脱开的现象。4桩段断裂原因各方资料均证明,灌注桩在桩顶下13m左右(即钢筋笼底部)发生了桩身断裂并脱开。我们对基坑回弹将灌注桩拉断的原因进行了分析。4.1基坑坑底土体因果发生回弹产生的引起土压力基坑底所测的土体回弹量是一个土体回弹深度范围内总的回弹量,作为深基坑底部土体回弹至少应该由四个方面的因素造成。一,由于基坑土体的突然挖除,原来平衡的应力状态突然发生了改变,而产生弹性回弹;二,由于降水使坑底土体上覆压力增加,产生压缩弹性变形,当基坑在短时间内开挖,弹性压缩的能量重新释放出来而产生坑底回弹;三,基坑围护墙体的侧向位移产生侧向土压力,使坑底土体受侧向挤压而隆起;四,⑦层地基土内承压水头对上覆④、⑤1a、⑤1b、⑥层土的顶托力。由于基坑围护体在基坑开挖中及之后都很稳定,墙体侧向位移也很小,因此,对基坑的侧向挤土影响也比较小,而⑦层地基土埋深比较深,对本基坑而言,上覆土层足以能够平衡承压水头。因此,后二项因素对基坑底土体的回弹影响可以忽略不计,主要是基坑开挖卸载引起的坑底土体回弹。4.2井底部以下各层的随机量对井底部的回归4.2.1基坑上天然应力的强度从理论上分析,坑底以下各土层由于基坑内土体开挖,上覆土压力释放,均将发生不同程度的回弹,但由于其沉积环境和固结历史的不同,以及其埋深的不同(即释放应力比不同),其贡献的回弹量值也不同,由表2可知,随着土层埋深的增加,因基坑开挖产生的应力变化比(即释放应力比)则比较快地减少,⑥层及其以下土的应力比均小于0.36,说明其对回弹量的贡献已很小,回弹量最大的应该是靠近基坑底部的④层和⑤1a层。4.2.2基层土体回弹量根据土的性质,压缩模量越大,其回弹量则越小。由表3计算结果可知,④层土的压缩模量最小,⑤1a层次之,而其下的⑤1b、⑥、⑦层各土层Es值则随深度的增加而增加,受前期固结压力的影响,⑥层超固结土的压缩模量比仅为0.334,⑦层的压缩模量比则更小,只有0.183,因此,⑥层、⑦层对基坑底土体回弹量贡献很小。而回弹量最大的应该还是④层、⑤1a层。4.2.3类似于基础工程的回归上海市地铁新客站围护墙工程,基坑深H=12m,墙体插入坑底深度D=10m,基底的最大隆起量为10.3cm。4.3桩身力学性能笔者按《上海岩土工程勘察规范》提供的桩侧极限摩阻力标准值上限值fsmax、下限值fsmin及其平均值fx,用静力触探试验的分层平均Ps值算得的桩侧极限摩阻力fs以及采用土的无侧限抗压强度、十字板剪切强度估算桩顶下13.0m段(即钢筋笼段)回弹土体对桩身的上拔作用力。桩侧极限侧摩阻力标准值fs见表4。桩身的极限拉应力估算值见表5。混凝土抗拉强度见表6。由上述表5的计算分析并对照表6规范规定的混凝土抗拉强度标准值、设计值可知,桩顶以下13m处桩侧摩阻力作用在钢筋笼底部处的桩身拉应力大于或接近于C30砼抗拉强度标准值,且均大于素混凝土的抗拉强度的设计值。从桩身抗拉强度变化来分析,钢筋混凝土由于钢筋笼作用,使桩身整体性好,抗拉强度大,而钢筋笼底部正好是材质突变抗拉应力集中之处,是整根桩抗拉性能最薄弱的部位。从而在桩身拉应力和抗拉应力方面,解释了本基坑中工程桩钢筋笼底部被回弹土体向上的摩阻力拉断