缺陷管桩的处理措施及其在静载试验的反应

卢阳明 余呈水 陈秀辉 郑思伟 郑少辉

(1.福建省建筑科学研究院 福建福州 350025； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

缺陷管桩的处理措施及其在静载试验的反应

卢阳明1,2余呈水1,2陈秀辉1,2郑思伟1,2郑少辉1,2

(1.福建省建筑科学研究院 福建福州 350025； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

介绍了低应变的基本理论和缺陷PHC管桩的几种常见反射特征和处理措施，分析了特殊的桩头轻微缺陷管桩的低应变曲线和静载试验的特征。以福州市某新建商业大楼项目管桩基础为背景，在单桩竖向静载试验前，采用低应变法检测PHC管桩的完整性。而后，针对试桩1中出现的桩头轻微缺陷(II类)，通过静载试验分析桩头轻微缺陷(II类)对承载力和沉降量的影响。试验结果表明，对于PHC管桩，桩头轻微缺陷会使得沉降量加大但不至于破坏。为了工程安全，应对桩头轻微缺陷(II类)的管桩进行加固处理。

桩头缺陷；沉降量；PHC管桩；静载试验

0 引言

检测混凝土桩身完整性的主要方法是低应变法，其广泛应用于判定桩身缺陷的程度、类型及位置。PHC管桩成桩常用锤击和静压两种方法，在压桩、砍桩以及施工过程中，桩身可能会产生裂缝。桩裂缝的存在会破坏桩身完整性，并导致桩基承载力降低和沉降量增大，而且地下水通过裂缝渗入，会对内部钢筋造成腐蚀[1]。本文拟对工程中出现的桩头轻微缺陷的这一特点，研究桩头轻微缺陷(II类)对管桩的承载力和沉降量产生的影响。

1 低应变理论与方法和静载试验破坏模式

1.1 低应变理论

采用一维波动理论对桩基完整性进行判定是低应变法的理论基础，假定桩材质均匀、截面不变。

一维波动公式[2]：

(1)

式中：u为受轴向力F作用下，沿桩轴向产生位移；t为传播时间；x为桩轴x轴；弹性模量为E，质量密度为ρ。

式中：y为传感器安装点至桩身缺陷处的距离；c为桩身波速；Δf′为幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差。

1.2 信号采集方法

对于PHC管桩，激振点和传感器安装点为管桩壁厚的1/2处，激振点和传感器安装点与桩中心连线形成的夹角为90°，波速取值根据地区经验和混凝土强度等级确定[2]。

1.3 低应变法在PHC管桩中的几种反射

(1)桩头浅部反射

浅部缺陷具有低频大摆动的特点，对工程而言，浅部缺陷最容易处理，而从测试原理上讲，浅部缺陷的发现相对于深部缺陷容易些，但是很难准确定位出浅部缺陷的深度，要将缺陷位置定位误差控制在一个很小范围内的要求未必现实。因此能够找到浅部缺陷才是解决桩质量问题的关键[2]。

(2)接桩点反射

低应变法依据一维应力波理论和平截面的假定，沿桩身向下传播的应力波，当波阻抗发生变化时将产生反射波，该反射波是判断桩身缺陷的依据之一。接桩点处的缺陷应区别对待，管桩接头位置一般采用手工电弧焊焊接，焊接质量不仅关系到桩基承载力，还涉及到波阻抗。焊接接头是否良好闭合会发生波阻抗的变化导致应力波发生反射。

(3)桩底反射

如果采用低应变法测桩底反射，则桩身上部的缺陷一般不属于严重的缺陷。桩身无缺陷或有轻微缺陷，也经常无桩底反射。低应变法测不到桩底反射信号这类情形受多种因素影响。

(4)桩身其他部位的反射

桩身其他部位缺陷一般由于管桩质量或管桩成桩过程引起的，缺陷出现部位较浅时，有明显的反射信号。缺陷出现部位较深，桩侧土阻力较强，此时，低应变法无能为力。

1.4 造成桩身轻微缺陷的因素

造成桩身轻微缺陷的主要因素有以下4个方面[3]，在进行单桩竖向抗压静载试验试时应引起注意，务必在静载试验前，进行桩身完整性检测。

(1)桩身制作或运输引起的桩身裂纹或裂缝。

(2)管桩成桩过程中，锤击或者静压应力集中引起桩身裂缝。

(3)砍掉多余桩长过程中引起的裂缝。

(4)施工过程中大型机械经过桩头引起的桩头裂缝。

1.5 静载试验的破坏模式

桩身结构强度破坏和地基土的强度破坏是静载试验破坏的两种模式。桩身结构强度破坏通常是由于桩身缺陷或者荷载过大超出桩身所能承受的荷载造成桩身强度破坏，地基土强度破坏与地基土的性质密切相关。对于单桩竖向抗压静载试验来说，土对桩的抗力分为桩侧阻力和桩端阻力。

2 缺陷管桩的常见处理方法

在管桩预制和施工过程中，由于制桩质量、运输过程、地理环境、成桩机械设备及人为因素等原因，难免在施工前和施工后中出现一些缺陷桩现象。一旦管桩出现缺陷，不同缺陷程度有不同的加固处理方法，同时顾及整个工程的经济效益。缺陷管桩处理常用方法有浅部接桩、补桩、钢筋混凝土灌芯、打入钢护筒挖洞处理等。

2.1 浅部接桩

如果缺陷位置位于桩顶下一定范围内(5m以内)且水位线以上，可采用明挖接桩的方法，此方法适合在地质情况良好不易塌方、地下水位较低的浅部采用。对于桩身浅部缺陷，可将缺陷处至桩顶的部位凿除，用钢筋插芯，再用同标号或提高一个标号的钢筋混凝土接桩，如图1-①所示。

浅部缺陷的处理，一般进行浅部开挖，找到缺陷部位后进行砍桩，把缺陷部位以上的桩身截除，重新焊接钢筋笼后浇筑混凝土。处理时一定要注意新旧混凝土结合面的质量，不能形成新的缺陷。但在接桩前需对以下桩身再次检测，确定桩身质量。

2.2 补桩

伴随着社会民众生活质量的不断提升，广大孕妇对孕期营养状况予以了充分的关注度，但受孕妇活动量不足的影响，也加剧了孕期营养过剩问题的产生，增加了难产和巨大儿等不良妊娠结局的发生几率。受孕妇营养摄入过量、运动缺乏和孕期躁动的影响，使得孕妇极容易产生焦虑和抑郁心理，这也推动了其血糖水平的上升[1]。若孕妇的血糖水平超出标准范围，则其发生早产、流产的几率会大大增加，极容易对自身和胎儿的生命健康形成威胁。目前，现阶段，临床通常将控制血糖水平作为防控妊娠糖尿病高危孕妇发生不良结局的重要途径。基于此，该研究主要分析了实施综合管理改善妊娠糖尿病高危孕妇妊娠结局的影响，现总结如下。

对于缺陷部位较深且缺陷严重的管桩，而客观条件下又不能采取其他处理方法，为不留下安全隐患，可采用在废桩旁边补桩的方法。在施工过程中及时发现和检测出的断桩，采取及时补桩，在原位旁边重新补一根新桩，做到彻底处理。在施工过程中此种方法效果好、难度小、周期短、成本低，补桩数量和位置可根据工程的重要性、地质条件、缺陷数量、荷载方式和设计要求等因素综合选择采用，如图1-②所示。

2.3 钢筋混凝土灌芯

对于桩身存在明显缺陷反射波或缺陷部位深度较大但缺陷不严重，由于管桩成桩结束不能采取其他处理方法，如果采用补桩方法，为了一两根打桩机重新进场显然经济和施工条件都不满足，为不留下隐患，可采用在缺陷管桩中灌芯的方法。根据低应变法所确定的缺陷位置进行插入钢筋笼和灌入混凝土，如图1-③所示。

2.4 打入钢护筒挖洞处理

钢护筒挖洞处理的主要施工方法是：用打桩机将钢护筒打入，将钢护筒套入断桩处以下1m，人工挖掘清理桩身周围和护筒间的桩周土,挖到缺陷部位，将缺陷部位砍掉，处理时一定要注意新旧混凝土结合面的质量，不能形成新的缺陷。但在接桩前需对以下桩身再次检测，确定桩身质量，将钢筋笼、筒底和护筒壁清洗干净，浇注混凝土如图1-④所示。

图1 不同缺陷管桩处理方法

3 工程实例

3.1 工程简况

福州某商业楼上部结构为15层框架剪力墙结构，桩基采用锤击PHC管桩，混凝土强度等级C80，桩长21.85m～40.15m，设计桩端持力层④中砂层，单桩竖向抗压承载力特征值2 300kN，单桩竖向抗压极限承载力为4 600kN。

3.2 地层分布

根据地勘钻孔揭示，各土层自上而下：

3.3 检测仪器

仪器采用单通道基桩动测仪(LPT-E)，其中加速度计(Type:608All,SN:LW161452)；时间分辨力0.01ms；系统噪声电压：1.0mV；波速：4 200m/s；单通道A1采样频率：48kHz,灵敏度(mV/g):100；信号激励：尼龙锤；传感器与桩顶耦合采用润滑脂。

3.4 缺陷桩在低应变中的表现

试桩1桩长38.50m，桩径500mm，经过砍桩后进行低应变试验，信号采集曲线示意图如图2所示。

图2 传感器和敲击点布置图

图3 试桩1不同方向低应变曲线

从实测波形图3可以看出，桩不同方向的低应变曲线差别较大，应综合分析才能判断桩身缺陷类型。但4条曲线共同点为首波尚未完成，就见缺陷处反射波叠加其上，有一个微小的凸起，且都有柱底反射波。经开挖证实，桩头完整，肉眼看不出有任何明显裂缝。根据规范判断为桩头轻微缺陷的II类桩，缺陷位置大概在1.01m～1.78m附近。

3.5 缺陷桩在静载试验中的表现

试桩1单桩竖向抗压极限承载力为4 600kN，在进行静载荷试验时，当荷载加至最大级4 600kN时，沉降呈缓变型，每级荷载作用下随着时间推移都能稳定，且未出现位移突然增大、桩头破坏性爆裂和桩顶突然下沉，出现沉降骤然增大的情况，但是每级沉降量较大，如图4所示。

图4 试桩1静载试验s-lgt曲线

静载试验后，查看桩头情况，发现距桩顶1m附近出现裂缝，并有桩头侧面混凝土剥落现象，但是没有出现整个桩头破碎。而后又经施工过程开挖验证，在距桩顶1.50m处出现明显裂缝，并且裂缝向桩顶变大且向桩顶扩展，如图5所示。

图5 试桩1静载试验后桩头

分析:该桩为预应力混凝土管桩，由于截去了一段，桩身预应力损失和失去了原法兰盘的保护，以及缺少桩侧土侧向阻力和桩头轻微缺陷的影响，施加的荷载超过了桩头混凝土所能承受的压力，桩侧混凝土出现破碎和裂缝扩大，造成沉降过大和桩头破坏的现象，假如继续加大荷载则会造成桩头整体破碎。

该工程总共进行10根单桩竖向静载试验，分别是试桩1-10，静载试验的Q-s曲线，如图6所示。从图6可以看出10根试桩，均呈缓变型，当加载到4 600kN，均未出现突然的向下转折段。试桩1-10的单桩极限承载力均满足设计要求，但试桩1的最大沉降量和残余沉降量均大于其他试桩。试桩1的最大沉降量和残余沉降量分别为31.06mm和6.54mm，试桩2-10的最大沉降量和残余沉降量平均值分别为12.29mm和2.43mm。

图6 试桩1-10的Q-S曲线

试验结果表明桩头轻微缺陷对管桩影响较大，虽然桩身缺陷II类的桩不需要进行特殊的加固处理，验收也能通过，但是对于桩头轻微缺陷(II类)应该进行加固处理增加安全系数和减少不均匀沉降。

4 结论

单桩静载荷试验前应该首先进行桩身完整检测，一般情况，只有桩身完整的桩进行静载荷试验，其数据才可作为设计依据。低应变法试验应检测桩身不同方向的完整性，综合分析判断缺陷类型。试验结果表明预应力混凝土管桩桩头轻微缺陷会使沉降量加大但不至于破坏，为了上部结构安全和减少不均匀沉降应进行桩头加固处理，才能提高安全系数，更好地保证工程质量。

[1] 刘忠友.PHC管桩裂缝分析及处理方法[J].水运工程,2008(6):133-136．

[2] 陈凡,徐天平,陈久照，等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3] 訾平华.浅析几种缺陷桩在静载试验中的表现[J].铁道勘察,2013,(01):30-33.

Treatment Measures and Static Load Test Reaction of Defective Pipe

LUYangming1,2YUChengshui1,2CHENXiuhui1,2ZHENGSiwei1,2ZHENGShaohui1,2

(1.Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025; 2.Fujian Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou 350025)

This paper briefly introduces the basic theory of low strain testing methold and reflection characteristics and treatment measures of several common defective pile.The characteristics of low strain curve and static load test of head slight defect pipe are analyzed.Based on the pile foundation of a new commercial building project in Fuzhou, the integrity of the PHC pipe pile was first tested by using the low strain method before the vertical static loading test.Then, the influence of the slight defect (II) on the bearing capacity and settlement of the pile head was analyzed by the static loading test.The results show that the slight defect of the pile head can result in increasing the settlement.Therefore, in order to ensure the safety of the project, the pipe pile with slight defect of pile head (II) should be reinforced.

Pile head defect; Settlement; PHC pile; Static load test

卢阳明(1989.9- )，男，助理工程师。

E-mail:869213160@qq.com

2017-03-14

TU473

A

1004-6135(2017)07-0119-04