PHS工程樁出現缺陷的原因分析與加固措施

上海市奉賢區建筑建材業管理所 上海 201400

1 工程樁基概況

某醫院遷建工程包括門急診樓、醫技樓、1#病房樓、2#病房樓、后勤樓、行政樓等單位工程，樁基主要采用預應力高強混凝土空心方樁。其中1#病房樓采用的預應力高強混凝土空心方樁是整個遷建工程中規格最大的樁型，總計工程樁數量為585 根，其中抗壓樁560 根，抗拔樁25 根（分布在車道和北側外墻下）。抗壓樁為PHS-A500（300），樁長22～24 m，分為2 節，單樁承載力特征值Ra=1 510 kN，單樁試樁荷載3 750 kN；抗拔樁為PHS-AB400（250），樁長24 m，分為2 節，單樁豎向抗拉承載力標準值440 kN，單樁試樁荷載1 050 kN。

2 工程地質概況

根據工程地質勘察報告，自地表至55.0 m深度范圍內所揭露的土層，主要由軟弱的黏性土、稍密-中密粉性土和中密-密實的粉砂組成，具有成層分布的特點。該項目基地的土層可分8 層，其中第①、⑦層又各可分若干亞層。場地內各地基土分布主要特征：第①1層素填土、第①2浜填土、第②褐黃-灰黃色粉質黏土、第③灰色淤泥質粉質黏土、第④灰色淤泥質黏土、第⑤灰色黏土、第⑥暗綠-草黃色粉質黏土、第⑦1草黃色粉質粉土、第⑦2草黃-灰色粉砂、第⑧灰色粉質黏土。本工程樁的持力層為⑦1層，其中⑥、⑦1層、⑦2層、⑧層地層特性見表1。

表1 地層特性表

從地質資料看，淺層土質較差，⑦1、⑦2層土的強度較高。由于在先期的2#病房樓樁基施工期間已經產生困難，為此在選擇1#病房樓樁型前，專門召開了有關會議，將1#病房樓的基樁從28.5 m縮短到22～24 m，樁基數量從原設計431 根增加到585 根。

3 樁基施工及檢測

該項目1#病房樓PHS工程樁在靜壓樁壓樁過程中，多次發生壓力達到一定值而樁頂標高無法達到設計標高的情況，導致靜壓樁壓樁無序、移位的現象。針對此情況，綜合考慮到場地條件差，不適于靜壓樁樁機行走及沉樁，將靜壓樁機更換為1 臺DD63錘擊樁機，仍保持2 臺樁機同時沉樁施工，每天沉樁20 根左右，共沉樁585 根樁（包括25 根抗拔，8 根試樁）。

該項目樁基檢測分2 個階段：第1階段24 根靜載荷試樁，其中包括樁身完整性檢測、靜荷載試驗，試驗結果全部符合設計和規范要求。

第2階段全部工程樁施工完成，基坑開挖至設計基底標高，墊層混凝土澆筑完成，采用小應變的檢測方法判斷已沉基樁的完整性。根據門急診樓、2#病房樓、后勤樓、行政辦公樓等單位工程樁基檢測報告顯示，判定大部分為Ⅰ類樁，少數為Ⅱ類樁，對工程質量基本沒有影響。 當對1#病房樓已經開挖出的Ⅰ區工程樁（共201 根）進行檢測后，發現有明顯不利缺陷或嚴重不利缺陷的工程樁數量多、比例大，但僅從小應變的曲線尚無法判定樁身質量的完整性[1,2]。為了保證工程樁基質量，首先由檢測機構擴大基樁小應變檢測范圍，進行100%小應變檢測。然后根據小應變曲線，對所有疑似Ⅲ類以下樁全部按數理分析統計的方式進行樁孔內泥土清除并采用孔內照明探視、孔內攝像進行評定。最終，綜合評定Ⅲ類樁為12 根，Ⅳ類樁為110 根。在122 根需要進行加固處理的Ⅲ類、Ⅳ類工程中樁中，采用靜壓樁沉樁工藝的有44 根，而采用錘擊樁沉樁的達到 78 根。樁身完整性類別判定見表2。

表2 樁身完整性判定表

經過孔內攝像發現部分問題樁缺陷大多存在于接樁部位，且多數接樁處存在明顯脫開現象，接頭部位脫開約1～9 cm（按攝像成果顯示，主要為樁鋼錨板與樁身混凝土脫開），其中，比較特殊的92#PHS工程樁根據復位結果顯示脫開17 cm。例如164#PHS工程樁，設計樁長24 m（12 m+12 m），孔內攝像顯示：12.0 m處接樁位置明顯夾泥，四周土體流掛，土體擠入較慢，孔內攝像如圖1所示、孔內探視如圖2所示。

圖1 164#樁孔內攝像

圖2 164#樁孔內探視

4 原因分析

4.1 工程樁密集狀態下的擠土效應

1#病房樓樁位布置較密，樁與樁之間的擠土效應比較明顯。1#病房樓是所有單體中唯一采用500 mm×500 mm方樁的單體，且樁的分布密度比其他單體大幅提高。在確定1#病房大樓的樁型前，為將持力層由⑦2層改為⑦1，將1#病房樓的基樁從28.5 m縮短到23 m，樁基數量從原設計431 根增加到585 根，約增加35%。每個承臺7～8 根樁，最多1 個承臺內有12 根樁，而其他單體（如門急診樓、后勤樓）每個承臺內4～5 根樁。1#病房樓樁與樁之間的最小凈距離僅為1 m，在沉樁過程中土體之間的擠壓效應相對來說比其他單體大很多。部分先完成的樁受到后施工的樁影響及受土體隆起和擠壓的影響，樁身在一定時間內受土體負摩擦作用，個別樁樁身薄弱部位（焊接部位）可能產生局部破壞，此原因可能是引起樁基大規模質量問題的主要原因。如前期檢測合格的S2、S5試樁，在大面積沉樁后，本次檢查判定為Ⅳ類樁。

4.2 沉樁速率問題

1#病房樓單體是該項目關鍵線路上的關鍵單位工程，由于前期天氣和開工手續等問題，導致比計劃開工時間晚1 個多月，工期非常緊張，在短短不到40 d的時間內，2 臺機械完成585 根工程樁的施工，扣除天氣因素實際每天沉樁達到20 根以上，最多的一天完成33 根工程樁。土體休止時間比較短，由于沉樁速率過快，土體空隙水壓力增長過快，又不能得到有效的釋放，致使土體隆起較為嚴重，導致個別樁樁身薄弱部位（焊接部位）產生局部破壞。

4.3 樁型選擇問題

1#病房樓設計選用的基樁為500 mm×50 mm高強預制預應力鋼筋混凝土方樁，除了外形為外方內圓的形狀外，混凝土的強度、配筋與PHC（高強混凝土管樁）樁相似。但是，方形樁端板與圓形樁端板在受力方面不同，端板裝配不平整或缺陷直接影響接樁質量。

由于PHS工程樁呈方形，直角部位沉樁拉（壓）應力集中，焊縫或受拉鋼筋更容易受到破壞，這也是PHS工程樁自身的一個重大缺陷[3-5]。從小應變檢測的波形看，異常波形均發生在樁接頭上下部位。另外，由于PHS工程樁樁身的抗拉能力、抗壓能力有限，導致不能承受重錘錘擊拉應力的作用，這也是錘擊樁斷樁的比例遠高于靜壓樁的主要原因。

4.4 焊縫質量問題

根據檢測報告，1#病房樓斷樁位置集中于上、下節樁接頭處，說明樁接頭部位存在質量問題，焊縫質量不符合要求。

在1#病房樓樁基工程施工過程中，2 臺沉樁機械每天沉樁20 根左右，最多一天沉33 根，單樁沉樁時間一般為30～35 min，很難保證焊接后的冷卻時間（要求靜壓樁6 min，錘擊樁8 min）。同時，根據當時天氣資料顯示，樁基施工過程中雨水較多，造成地下水較高，若考慮焊縫不飽滿及淬火影響，焊縫未完全冷卻就沉入土中，遇水后焊縫強度將大大降低，極易影響焊縫質量。

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5 加固措施

經綜合考慮，確定如下加固措施：對Ⅲ類樁直接進行補強灌芯，灌芯長度15.5 m；對Ⅳ類樁進行動力復位后再進行等強灌芯，灌芯長度19.5 m。

工程樁修復流程：動力復位（Ⅳ類）→清孔→鋼筋籠制作及驗收→孔內抽水至鋼筋籠底→下鋼筋籠→灌芯→100%小應變檢測→20%大應變檢測→隨機靜載試驗→合格后底板結構施工。

5.1 動力復位（錘擊法復位）

1）總的施工原則：錘重不宜過大、落距不宜過高、循序漸進施打。

2）錘重為2.5～3.0 t，錘擊陣數為2 陣，第1陣落距宜為1.0 m（不得大于1.0 m），第2陣落距宜為0.5 m。

3）陣數轉換條件：在第1陣錘擊作用下，樁頂沉降已收斂的情形下，方始轉入第2陣錘擊。

4）停錘或陣數轉換標準：

（1）第1陣：落距恒定的前提下，最后2 錘作用下的樁頂沉降量分別不大于1.5 mm、1.0 mm，若有明顯沉降發生則轉入第2陣錘擊；若在初始3 錘作用下無明顯沉降發生，則直接停錘轉入下一根樁的動力復位。

（2）第2陣：落距恒定的前提下，最后2 錘作用下的樁頂沉降量分別不大于0.7 mm、0.5 mm。

5）破損樁頂修復：對破損的樁頂必須修復至平整（必要時施加側向約束），嚴禁直接錘擊破碎樁頂。

6）沉降標埋設：正式施打前，在樁頂以下10 cm處的樁側對稱布設L形觀測標。

7）施工次序：宜背離基坑圍護體逐個承臺施工。

8）樁頂貫入度觀測：

貫入度觀測需采用帶有測微平板的精密水準儀及配套水準尺，儀器精度為±0.5 mm/km；在動力復位前，需對被復位樁實施高程初讀數的讀取；在每次錘擊作用下，需及時讀取樁頂高程、完成計算并判斷是否停錘或轉入下一陣錘擊；當單個承臺復位施工完畢后，間隔3 h統一測讀樁頂回彈量。現場動力復位如圖3所示。

5.2 樁孔清孔

沖孔時水槍應垂直，并作上下抽動，邊沖邊沉將泥漿排入沉淀池，同時用輕型井點真空射流泵及時將泥漿外排。沖孔深度必須比灌芯深度加深0.5 m，清孔完畢后，用測繩對清孔深度進行測量，確保清孔深度達到要求。

清孔排水完畢后，對有明顯樁頂沉降的基樁須實施孔內攝像檢查，以判斷檢查段是否存在缺陷以及缺陷的程度。

5.3 下放鋼筋籠

鋼筋籠在制作場地內預制成1 節，由塔吊起吊一次下放，下入孔內時，對準鉆孔中心，扶正保持垂直，然后徐徐放入，避免鋼筋籠碰撞孔壁。下至設計樁頂標高時，用2根吊筋將鋼筋籠固定在機架上，下放鋼筋籠見圖4。

圖3 動力復位

圖4 下放鋼筋籠

5.4 混凝土澆筑

混凝土澆筑前必須用深井泵將PHS方樁樁孔內的水抽干到設計標高 ，混凝土澆筑采用C50微膨脹自密實細石混凝土，以確保填芯混凝土與空心方樁樁身混凝土的整體性。

現場配備長14 m、φ5 cm的振動棒進行混凝土澆筑。在混凝土澆筑前應搭設一鋼管平臺，用于混凝土澆筑時的施工人員的站立及混凝土澆筑時料斗的臨時固定，確保其順利完工。

混凝土澆筑完成后，每個班組每次澆筑過程需留置1 組同條件養護試件，同條件養護試件強度達到C30以上后，方可進行靜載試驗。

5.5 基樁檢測

首先進行100%的低應變檢測，其次抽取15%～20%樁進行高應變測試，然后抽取2%以上的樁進行靜載測試。為最大限度確保樁基修復效果，所有抽取的進行高應變和靜載測試的樁均選擇復位過程中位移比較大的樁，最終檢測結果均為合格。

6 錨桿靜壓樁補樁

由于1#病房樓10～22軸的219#、221#、321#樁在樁基修復過程中，發生上、下節樁有錯位現象，并且樁身已經有傾斜，復位灌芯后無法驗證樁基承載力是否達到設計要求，為杜絕樁基的質量隱患，安全起見，不考慮原樁承載力，重新對此3 根樁進行補樁施工。

補樁錨桿靜壓樁鋼管材料采用螺旋焊接鋼管φ508 mm×14 mm，Q345B材質。樁與樁連接采用焊接形式，219#、221#補樁采用4 根PG1型軸承鋼：Q345B材質，φ508 mm×14 mm，長22.5 m（每根樁樁段為：1 節4 m，7 節2.5 m，1 節1 m）；321#樁補樁采用2 根PG2型軸承鋼：Q345B材質，φ508 mm×14 mm，長23.5 m（每根樁樁段為：1 節3.5 m，8 節2.5 m）。設計要求鋼管樁承載力特征值為1 050 kN、承載力極限值為2 100 kN。

補樁流程：鋼套管預埋→底板鋼筋綁扎→錨栓預埋→底板混凝土澆筑→1層結構施工→2層結構施工→3層結構施工→靜壓錨桿壓樁。當施工至3層時，方可實施壓樁施工，最大壓樁反力不超過3 000 kN且雙控。

7 結語

本工程中PHS工程樁質量事故的發生主要與樁密集狀態下的擠土效應、沉樁速率、沉樁選型、焊縫質量等因素有關。在類似PHS工程樁施工過程中，以上因素應該嚴格控制。當出現斷樁、移位、傾斜等事故時，可對不合格樁采取補強灌芯、動力復位后進行等強灌芯、靜壓錨固樁補樁的處理方案[6]。針對樁本身質量或者鋼筋問題，可對底板及配筋進行修改調整等方法處理。本工程現已交付使用，所積累的經驗，可為類似工程提供借鑒。