PHS工程桩出现缺陷的原因分析与加固措施

上海市奉贤区建筑建材业管理所 上海 201400

1 工程桩基概况

某医院迁建工程包括门急诊楼、医技楼、1#病房楼、2#病房楼、后勤楼、行政楼等单位工程，桩基主要采用预应力高强混凝土空心方桩。其中1#病房楼采用的预应力高强混凝土空心方桩是整个迁建工程中规格最大的桩型，总计工程桩数量为585 根，其中抗压桩560 根，抗拔桩25 根（分布在车道和北侧外墙下）。抗压桩为PHS-A500（300），桩长22～24 m，分为2 节，单桩承载力特征值Ra=1 510 kN，单桩试桩荷载3 750 kN；抗拔桩为PHS-AB400（250），桩长24 m，分为2 节，单桩竖向抗拉承载力标准值440 kN，单桩试桩荷载1 050 kN。

2 工程地质概况

根据工程地质勘察报告，自地表至55.0 m深度范围内所揭露的土层，主要由软弱的黏性土、稍密-中密粉性土和中密-密实的粉砂组成，具有成层分布的特点。该项目基地的土层可分8 层，其中第①、⑦层又各可分若干亚层。场地内各地基土分布主要特征：第①1层素填土、第①2浜填土、第②褐黄-灰黄色粉质黏土、第③灰色淤泥质粉质黏土、第④灰色淤泥质黏土、第⑤灰色黏土、第⑥暗绿-草黄色粉质黏土、第⑦1草黄色粉质粉土、第⑦2草黄-灰色粉砂、第⑧灰色粉质黏土。本工程桩的持力层为⑦1层，其中⑥、⑦1层、⑦2层、⑧层地层特性见表1。

表1 地层特性表

从地质资料看，浅层土质较差，⑦1、⑦2层土的强度较高。由于在先期的2#病房楼桩基施工期间已经产生困难，为此在选择1#病房楼桩型前，专门召开了有关会议，将1#病房楼的基桩从28.5 m缩短到22～24 m，桩基数量从原设计431 根增加到585 根。

3 桩基施工及检测

该项目1#病房楼PHS工程桩在静压桩压桩过程中，多次发生压力达到一定值而桩顶标高无法达到设计标高的情况，导致静压桩压桩无序、移位的现象。针对此情况，综合考虑到场地条件差，不适于静压桩桩机行走及沉桩，将静压桩机更换为1 台DD63锤击桩机，仍保持2 台桩机同时沉桩施工，每天沉桩20 根左右，共沉桩585 根桩（包括25 根抗拔，8 根试桩）。

该项目桩基检测分2 个阶段：第1阶段24 根静载荷试桩，其中包括桩身完整性检测、静荷载试验，试验结果全部符合设计和规范要求。

第2阶段全部工程桩施工完成，基坑开挖至设计基底标高，垫层混凝土浇筑完成，采用小应变的检测方法判断已沉基桩的完整性。根据门急诊楼、2#病房楼、后勤楼、行政办公楼等单位工程桩基检测报告显示，判定大部分为Ⅰ类桩，少数为Ⅱ类桩，对工程质量基本没有影响。 当对1#病房楼已经开挖出的Ⅰ区工程桩（共201 根）进行检测后，发现有明显不利缺陷或严重不利缺陷的工程桩数量多、比例大，但仅从小应变的曲线尚无法判定桩身质量的完整性[1,2]。为了保证工程桩基质量，首先由检测机构扩大基桩小应变检测范围，进行100%小应变检测。然后根据小应变曲线，对所有疑似Ⅲ类以下桩全部按数理分析统计的方式进行桩孔内泥土清除并采用孔内照明探视、孔内摄像进行评定。最终，综合评定Ⅲ类桩为12 根，Ⅳ类桩为110 根。在122 根需要进行加固处理的Ⅲ类、Ⅳ类工程中桩中，采用静压桩沉桩工艺的有44 根，而采用锤击桩沉桩的达到 78 根。桩身完整性类别判定见表2。

表2 桩身完整性判定表

经过孔内摄像发现部分问题桩缺陷大多存在于接桩部位，且多数接桩处存在明显脱开现象，接头部位脱开约1～9 cm（按摄像成果显示，主要为桩钢锚板与桩身混凝土脱开），其中，比较特殊的92#PHS工程桩根据复位结果显示脱开17 cm。例如164#PHS工程桩，设计桩长24 m（12 m+12 m），孔内摄像显示：12.0 m处接桩位置明显夹泥，四周土体流挂，土体挤入较慢，孔内摄像如图1所示、孔内探视如图2所示。

图1 164#桩孔内摄像

图2 164#桩孔内探视

4 原因分析

4.1 工程桩密集状态下的挤土效应

1#病房楼桩位布置较密，桩与桩之间的挤土效应比较明显。1#病房楼是所有单体中唯一采用500 mm×500 mm方桩的单体，且桩的分布密度比其他单体大幅提高。在确定1#病房大楼的桩型前，为将持力层由⑦2层改为⑦1，将1#病房楼的基桩从28.5 m缩短到23 m，桩基数量从原设计431 根增加到585 根，约增加35%。每个承台7～8 根桩，最多1 个承台内有12 根桩，而其他单体（如门急诊楼、后勤楼）每个承台内4～5 根桩。1#病房楼桩与桩之间的最小净距离仅为1 m，在沉桩过程中土体之间的挤压效应相对来说比其他单体大很多。部分先完成的桩受到后施工的桩影响及受土体隆起和挤压的影响，桩身在一定时间内受土体负摩擦作用，个别桩桩身薄弱部位（焊接部位）可能产生局部破坏，此原因可能是引起桩基大规模质量问题的主要原因。如前期检测合格的S2、S5试桩，在大面积沉桩后，本次检查判定为Ⅳ类桩。

4.2 沉桩速率问题

1#病房楼单体是该项目关键线路上的关键单位工程，由于前期天气和开工手续等问题，导致比计划开工时间晚1 个多月，工期非常紧张，在短短不到40 d的时间内，2 台机械完成585 根工程桩的施工，扣除天气因素实际每天沉桩达到20 根以上，最多的一天完成33 根工程桩。土体休止时间比较短，由于沉桩速率过快，土体空隙水压力增长过快，又不能得到有效的释放，致使土体隆起较为严重，导致个别桩桩身薄弱部位（焊接部位）产生局部破坏。

4.3 桩型选择问题

1#病房楼设计选用的基桩为500 mm×50 mm高强预制预应力钢筋混凝土方桩，除了外形为外方内圆的形状外，混凝土的强度、配筋与PHC（高强混凝土管桩）桩相似。但是，方形桩端板与圆形桩端板在受力方面不同，端板装配不平整或缺陷直接影响接桩质量。

由于PHS工程桩呈方形，直角部位沉桩拉（压）应力集中，焊缝或受拉钢筋更容易受到破坏，这也是PHS工程桩自身的一个重大缺陷[3-5]。从小应变检测的波形看，异常波形均发生在桩接头上下部位。另外，由于PHS工程桩桩身的抗拉能力、抗压能力有限，导致不能承受重锤锤击拉应力的作用，这也是锤击桩断桩的比例远高于静压桩的主要原因。

4.4 焊缝质量问题

根据检测报告，1#病房楼断桩位置集中于上、下节桩接头处，说明桩接头部位存在质量问题，焊缝质量不符合要求。

在1#病房楼桩基工程施工过程中，2 台沉桩机械每天沉桩20 根左右，最多一天沉33 根，单桩沉桩时间一般为30～35 min，很难保证焊接后的冷却时间（要求静压桩6 min，锤击桩8 min）。同时，根据当时天气资料显示，桩基施工过程中雨水较多，造成地下水较高，若考虑焊缝不饱满及淬火影响，焊缝未完全冷却就沉入土中，遇水后焊缝强度将大大降低，极易影响焊缝质量。

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5 加固措施

经综合考虑，确定如下加固措施：对Ⅲ类桩直接进行补强灌芯，灌芯长度15.5 m；对Ⅳ类桩进行动力复位后再进行等强灌芯，灌芯长度19.5 m。

工程桩修复流程：动力复位（Ⅳ类）→清孔→钢筋笼制作及验收→孔内抽水至钢筋笼底→下钢筋笼→灌芯→100%小应变检测→20%大应变检测→随机静载试验→合格后底板结构施工。

5.1 动力复位（锤击法复位）

1）总的施工原则：锤重不宜过大、落距不宜过高、循序渐进施打。

2）锤重为2.5～3.0 t，锤击阵数为2 阵，第1阵落距宜为1.0 m（不得大于1.0 m），第2阵落距宜为0.5 m。

3）阵数转换条件：在第1阵锤击作用下，桩顶沉降已收敛的情形下，方始转入第2阵锤击。

4）停锤或阵数转换标准：

（1）第1阵：落距恒定的前提下，最后2 锤作用下的桩顶沉降量分别不大于1.5 mm、1.0 mm，若有明显沉降发生则转入第2阵锤击；若在初始3 锤作用下无明显沉降发生，则直接停锤转入下一根桩的动力复位。

（2）第2阵：落距恒定的前提下，最后2 锤作用下的桩顶沉降量分别不大于0.7 mm、0.5 mm。

5）破损桩顶修复：对破损的桩顶必须修复至平整（必要时施加侧向约束），严禁直接锤击破碎桩顶。

6）沉降标埋设：正式施打前，在桩顶以下10 cm处的桩侧对称布设L形观测标。

7）施工次序：宜背离基坑围护体逐个承台施工。

8）桩顶贯入度观测：

贯入度观测需采用带有测微平板的精密水准仪及配套水准尺，仪器精度为±0.5 mm/km；在动力复位前，需对被复位桩实施高程初读数的读取；在每次锤击作用下，需及时读取桩顶高程、完成计算并判断是否停锤或转入下一阵锤击；当单个承台复位施工完毕后，间隔3 h统一测读桩顶回弹量。现场动力复位如图3所示。

5.2 桩孔清孔

冲孔时水枪应垂直，并作上下抽动，边冲边沉将泥浆排入沉淀池，同时用轻型井点真空射流泵及时将泥浆外排。冲孔深度必须比灌芯深度加深0.5 m，清孔完毕后，用测绳对清孔深度进行测量，确保清孔深度达到要求。

清孔排水完毕后，对有明显桩顶沉降的基桩须实施孔内摄像检查，以判断检查段是否存在缺陷以及缺陷的程度。

5.3 下放钢筋笼

钢筋笼在制作场地内预制成1 节，由塔吊起吊一次下放，下入孔内时，对准钻孔中心，扶正保持垂直，然后徐徐放入，避免钢筋笼碰撞孔壁。下至设计桩顶标高时，用2根吊筋将钢筋笼固定在机架上，下放钢筋笼见图4。

图3 动力复位

图4 下放钢筋笼

5.4 混凝土浇筑

混凝土浇筑前必须用深井泵将PHS方桩桩孔内的水抽干到设计标高 ，混凝土浇筑采用C50微膨胀自密实细石混凝土，以确保填芯混凝土与空心方桩桩身混凝土的整体性。

现场配备长14 m、φ5 cm的振动棒进行混凝土浇筑。在混凝土浇筑前应搭设一钢管平台，用于混凝土浇筑时的施工人员的站立及混凝土浇筑时料斗的临时固定，确保其顺利完工。

混凝土浇筑完成后，每个班组每次浇筑过程需留置1 组同条件养护试件，同条件养护试件强度达到C30以上后，方可进行静载试验。

5.5 基桩检测

首先进行100%的低应变检测，其次抽取15%～20%桩进行高应变测试，然后抽取2%以上的桩进行静载测试。为最大限度确保桩基修复效果，所有抽取的进行高应变和静载测试的桩均选择复位过程中位移比较大的桩，最终检测结果均为合格。

6 锚杆静压桩补桩

由于1#病房楼10～22轴的219#、221#、321#桩在桩基修复过程中，发生上、下节桩有错位现象，并且桩身已经有倾斜，复位灌芯后无法验证桩基承载力是否达到设计要求，为杜绝桩基的质量隐患，安全起见，不考虑原桩承载力，重新对此3 根桩进行补桩施工。

补桩锚杆静压桩钢管材料采用螺旋焊接钢管φ508 mm×14 mm，Q345B材质。桩与桩连接采用焊接形式，219#、221#补桩采用4 根PG1型轴承钢：Q345B材质，φ508 mm×14 mm，长22.5 m（每根桩桩段为：1 节4 m，7 节2.5 m，1 节1 m）；321#桩补桩采用2 根PG2型轴承钢：Q345B材质，φ508 mm×14 mm，长23.5 m（每根桩桩段为：1 节3.5 m，8 节2.5 m）。设计要求钢管桩承载力特征值为1 050 kN、承载力极限值为2 100 kN。

补桩流程：钢套管预埋→底板钢筋绑扎→锚栓预埋→底板混凝土浇筑→1层结构施工→2层结构施工→3层结构施工→静压锚杆压桩。当施工至3层时，方可实施压桩施工，最大压桩反力不超过3 000 kN且双控。

7 结语

本工程中PHS工程桩质量事故的发生主要与桩密集状态下的挤土效应、沉桩速率、沉桩选型、焊缝质量等因素有关。在类似PHS工程桩施工过程中，以上因素应该严格控制。当出现断桩、移位、倾斜等事故时，可对不合格桩采取补强灌芯、动力复位后进行等强灌芯、静压锚固桩补桩的处理方案[6]。针对桩本身质量或者钢筋问题，可对底板及配筋进行修改调整等方法处理。本工程现已交付使用，所积累的经验，可为类似工程提供借鉴。