福州某桩基工程断桩事故分析

林舟，李椋京，石晓杰

(福建信息职业技术学院建筑工程系，福建福州350003)

断桩事故在静压管桩的施工过程中经常发生。在静压管桩施工过程中，经常采用当管桩深入土层时，如果管桩密度较大，土层对桩身产生侧向挤压，极易发生断桩事故。预应力管桩(PHC管桩)具有施工成本低，效率高的特点，因此在工程中得到了广泛应用。福州某保障房项目桩基工程使用的PHC管桩就在施工过程中发生了大面积断桩事故，给建筑工程的施工带来了诸多不利影响和后果，严重影响了施工进度。在充分调研的基础上，对该事故的发生原因进行了分析与探讨。

1 工程概况

福州某保障房项目，工程场地位于福州市冲积平原，共计10栋住宅，均为地下1层，地上17层的高层住宅。该项目所有住宅建筑等级均为2级，全部采用框剪结构。

根据钻探揭示，场地岩土层依据其成因类型及工程性能分为10个工程地质层，分述如下。

素填土①：杂色，稍密，主要为建筑垃圾和粘性土回填，层厚0.80～1.80 m，平均厚度1.40 m。粉质粘土②：褐黄色，软塑--可塑，层厚0.40～2.20 m，平均厚度0.93 m。淤泥③：深灰色，饱和，流塑，层厚5.60～14.80 m，平均厚度12.55 m。粉质粘土④：褐黄色，软塑--可塑，层厚7.20～17.90 m，平均厚度10.57 m。淤泥⑤：深灰色，饱和，流塑--软塑，层厚3.50～4.40 m，平均厚度3.8 m。中砂⑥：灰黑色，灰黄色，饱和，稍密--中密，厚度3.00～4.00 m，平均厚度3.45 m。粉质粘土⑦：灰黄色，褐黄色，饱和，可塑，层厚0.80～6.00 m，平均厚度2.73 m。8、残积砂质粘性土⑧：硬塑，主要成分为花岗斑岩风化而成，干硬度较高，韧性中等，层厚4.20～6.40 m。全风化花岗岩⑨：主要成分为花岗斑岩风化而成，岩体基本已破坏，由残余结构硬度，厚度3.30～7.10 m。强风化花岗岩⑩：未揭穿。

所有住宅基础类型为桩基础，每栋楼打85根桩，单根桩总长约为44 m，同一承台下桩与桩之间的中心距1.80 m，不同承台下桩与桩之间最大中心距2.80 m。桩基施工采用静压桩机，桩型为PHC管桩，管桩通过焊接连接，接头为4个。

2 事故发生与处理

在静压管桩过程中并未发现异常情况，管桩静压时保持垂直，接桩过程符合施工规范要求。打桩结束后开始开挖承台，开挖结束后出现大量桩倾斜偏离轴线的现象，经动测检验后结果显示出现Ⅳ类桩较多且缺陷桩的受损部位在基底下3～6 m。其中7#、8#楼Ⅳ类桩比例接近50%，9#、10#楼Ⅳ类比例接近60%。

事故处理方法如下：对于施工产生的Ⅳ类桩，采用人工挖孔桩，将缺陷桩的桩周土全部挖除，直至受损位置，将受损位置以上的桩割除、取出，护壁使用Ф1 400 mm钢套筒。对下部桩再进行动测、倾斜率、偏位复核，保证无缺陷后，焊接、锚固钢筋，再套水泥管Ф800 mm，浇注C30混凝土，即将受损位置以上的桩改为灌注桩，钢套筒与水泥管之间回填中粗砂，经养护后拆模。处理后的缺陷桩，经静载及动测检验，均满足设计要求，但增加不少造价，并延误工期两个多月。

3 分析研究

3.1 理论分析

目前，基于理想弹塑性假定的Vesic圆孔扩张理论[1]是常用于分析管桩挤土效应的方法。在采用圆柱孔扩张理论模拟预制管桩的施工过程时，把土体的几何形状、约束、荷载都看成是对称于管桩的中轴线，因此可假定按平面轴对称问题考虑，在均匀分布的内压力的作用下围绕着圆孔的圆筒形区域将由弹性状态进入塑性状态，塑性区随着内压力的增加而不断扩大[2]。设管桩外半径为Ro，塑性区最大半径为Rp，相应的内压力最终值为Pu，塑性区外侧土体仍保持弹性状态。圆孔扩张模型如图1所示。

图1 圆孔扩张及单元体平衡分析示意图

由岩土体平衡微分方程得：

根据弹性理论解得：

在塑性区，土体满足莫尔-库仑屈服条件：

根据塑性区定义，在断桩区域，土体进入极限状态，即：

由式(5)代入式(4)得：

在边界条件r=Ro处，σr等于桩表面对土体挤压的应力，即：

求得：

则塑性区内任一点的应力值：

由式(9)和式(10)可知，当r=Rp时，

由式(2)+式(3)得：

由式(11)+式(12)得：

由弹、塑限区交界处应力相等条件，即式(13)与式(14)相等得：

由式(15)得：

以上式中：σr为径向应力;σθ为法向应力;r为塑性区中所考察的任一点的半径;p为土体初始内应力;c为土体粘聚力;φ为内摩擦角;A为积分常数;pu为成桩后土体对桩表面的挤压应力;Ro为圆柱初始孔半径;Rp为塑性区最大半径。

将缺陷桩的受损部位附近土层物理力学指标代入式(16)，即可得Rp，如表1所示。其中p=μγh/(1+μ)，pu=γhtan2(45o+φ/2)+2ctan(45o+φ/2)。

表1 缺陷桩的受损部位附近土层物理力学指标及塑性区最大半径Rp

当管桩静压入土层后产生挤土效应，引起桩周土体水平位移。由于管桩之间的中心距为1.8～2.8 m，扣除桩半径200 mm后可得从后施工管桩中心到先施工完成的管桩边缘距离为1.6～2.6 m。该距离小于淤泥层③的Rp值，即在淤泥层③范围内先施工完成的管桩位于后施工管桩施工产生的挤土效应的作用范围内。先施工完成的管桩在受到土层挤压后，发生桩身偏移，同时产生较大的弯矩。由于PHC管桩的抗弯能力较差，从而导致断桩事故的发生。

3.2 事故原因及预防措施探讨

综上分析，本次断桩事故的主要原因，归纳起来有以下3方面：一是PHC管桩压桩过程中会产生挤土效应，后施工管桩施工产生的土层挤压导致先施工完成的管桩发生断桩;二是场地内淤泥层的物理力学指标导致挤土效应作用范围较大而管桩之间的距离偏小，先施工完成的管桩位于后施工管桩施工产生的挤土效应的作用范围内;三是PHC管桩自身的抗弯能力较差，在受到土层挤压时容易发生断桩。

针对上述主要原因，提出下列预防措施：首先，在场地内存在较厚淤泥层时避免采用预制桩，尤其是PHC管桩，改用挖孔桩，防止挤土效应的产生;其次，如果一定要采用PHC管桩，应该在设计时加大管桩之间的距离，同时对承台进行加强。

4 结语

断桩事故表明，在淤泥层较厚的地质条件下采用PHC管桩容易发生断桩事故。福建省沿海地区尤其福州地区，由于很多地区属于临近出海口的冲积平原，广泛存在着淤泥层较厚的情况。因此在进行桩基础设计时应该考虑到当地的地质条件，减少PHC桩的使用，从而降低发生断桩事故的概率。

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