PHC 管樁在深厚軟土地基中施工偏位和傾斜事故分析

陳秀輝

（1 福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建福州 350025；2 福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建福州 350025）

0 引言

近年來，隨著我國基建事業的迅猛發展，基建項目遍地開花，這些項目無一例外都將工期以及成本作為主要的控制因素。預應力高強度混凝土管樁（PHC 管樁）是一種應用較廣泛的預制樁，以其造價低廉、施工速度快且沉樁質量容易保證等諸多優點，在很多工程建設中被大量采用，且效果良好[1]。然而在有著深厚軟土地層的我國沿海地區，PHC 管樁沉樁過程中常造成樁位的偏移、傾斜甚至斷裂，同時基坑開挖以及大型機械設備施工過程中對樁基的碰撞、推擠等均容易造成管樁偏位和傾斜。

隨著工程實踐的不斷發展，學者們針對PHC 管樁施工過程遇到的受力問題、傾斜或者斷樁問題展開了不同程度的研究，并取得了大量有價值的研究成果。黃旭東等[2]通過PFC 軟件建立數值模型，從微觀角度對沉樁過程進行研究，得出閉口管樁和開口管樁承載力差異；劉金波等[3]從PHC 管樁不同樁間距對沉降變形影響的對比分析，提出擠土樁減小擠土效應應增大樁距的建議；胡文紅等[4]通過對傾斜樁淺層土體加固后受力性能的研究，得出加固體深度、加固體面積、加固體尺寸及加固體彈性模量均可對加固效果產生影響。大量研究對傾斜樁的處理，通常采取增大承臺、補樁或兩者聯合使用等方法[5-7]。但是目前少有通過多種現場檢測技術綜合評估PHC 管樁偏位、傾斜問題，并應用數值模擬驗證分析此類事故發生原因的研究。

本文基于沿海深厚軟土地區某工程PHC 管樁施工偏位、傾斜的事故案例，結合現有的多種現場檢測方式進行逐級分析，得出引起此類事故的主要原因，最后采用數值模擬進行驗證，得出了深厚軟土地質條件下打樁距離過小產生擠土效應并引起了樁身偏位及傾斜的結論，基于此結論提出了相應的建議為今后處理類似工程問題提供經驗參考。

1 工程及地質概況

該工程位于福建沿海，由若干棟31 層、23 層住宅樓、2 棟7 層商業樓、3 棟1層樓的附屬商業樓及1 個滿堂地下室組成，該場地有著深厚的軟土層，其中第三層及第五層均為淤泥質土，第三層淤泥質土厚度達20m。基礎設計采用PHC 管樁，樁徑800mm，壁厚130mm，樁間距2.6～4.5m 不等，單樁豎向抗壓承載力特征值為4800kN，樁端進入持力層（強風化花崗巖Ⅰ）0.8m，樁長約40m，場地地層及其物理力學性質指標見表1、圖1。

圖1 場地地層分布圖

表1 土體物理力學參數

2 工程實際情況及原因分析

樁基施工完成后進行基坑開挖至地下室標高，發現大部分管樁都有不同程度的偏位及傾斜，其中靠近河邊一側的9#樓最為明顯。由于明顯的偏位或傾斜可能影響基樁的完整性和承載力，進而對工程質量造成危害，所以必須找出偏位和傾斜的原因為后期的處理方案提供依據。

一般的管樁發生偏位和傾斜有多種原因，通過以往工程經驗并根據現場情況分析得出大致存在以下幾種情況：

（1）班組施工過程中操作不當或者施工人員人為失誤放樣不到位造成的管樁偏位、傾斜；

（2）該工程有約5m 深的大基坑，地下室土方開挖過程中，挖土機械擾動土層、碰撞管樁，導致軟土中管樁傾斜，嚴重的將發生斷樁等情況，而隨意開挖棄土，也會形成場地內土體滑移，造成管樁傾斜；

（3）根據勘察資料，場地位于福建沿海有著深厚淤泥質土區域，由于土體力學指標較差，且工地一側為河道，地下水豐富且水位線高，加之管樁承載力設計較高且樁間距較小，打樁產生的擠土效應將引發淤泥質土的超靜孔隙水壓力。根據Terzaghi 有效應力原理σ=σ'+μ，當總壓力“σ”不變，管樁壓入過程引起孔隙水壓力“μ”急劇增大，有效應力“σ'”急劇減小，由于軟土中不利于超靜孔隙水壓力“μ”消散，在沒有達到靜止期的條件下，相鄰樁基的打入將打破土壓力平衡，當有效應力“σ'”接近0 時，軟土就像水一樣流動，造成管樁的傾斜[8]。

3 檢測結果分析

3.1 傾斜度及低應變檢測結果

由于9#樓偏位、傾斜最為明顯，故重點對9#樓進行檢測分析，對于基樁來說傾斜對受力的影響更為明顯，所以對9# 樓管樁進行了全數的低應變及樁身垂直度的檢測。根據檢測發現148根樁中出現傾斜情況的多達64 根，最大樁偏位達650mm，最大的傾斜率達6.7%。低應變作為檢測基樁完整性的一種方式，因其簡單快捷、便宜而被普遍使用，根據是否對樁身結構承載力構成影響[9]，本文把Ⅰ、Ⅱ類樁歸為一類，Ⅲ、Ⅳ類樁歸為一類，低應變檢測結果顯示148 根樁中Ⅰ、Ⅱ類樁124 根，Ⅲ、Ⅳ類樁24 根，具體情況見表2。

表2 傾斜樁低應變結果情況分布表

通過以上數據可以看出，傾斜樁在（2%，4%]的區間最多，而大于4%的傾斜樁占比也達到了總樁數的14.2%。對比低應變檢測情況可知并非傾斜度越大引起Ⅲ、Ⅳ類樁占比越大，Ⅲ、Ⅳ類樁在不同傾斜度中所占比值相差不大。人為操作的失誤不太可能引起大規模的傾斜樁，而基坑開挖擾動、碰撞引起的樁基傾斜度越大，發生斷樁的可能性越大，尤其是在低應變檢測深度范圍。以上檢測數據基本可以排除施工操作不當及基坑開挖機械碰撞的原因。

3.2 高應變及靜載檢測結果

由于低應變激震能量偏小無法探明基樁深層缺陷，更無法檢測樁基礎最為重要的承載力要求。所以選取部分樁基進行了高應變及靜載試驗檢測。本次對低應變檢測的124 根Ⅰ、Ⅱ類樁抽取部分進行高應變檢測，其中無傾斜的28 根，（0，2%]區間的4 根，（2%，4%]區間的13 根，（4%，6.7%]區間的14 根。

通過表3 可以看出之前被低應變判定為Ⅰ、Ⅱ類的樁依然有可能被高應變檢測發現有明顯缺陷，包括無傾斜情況的樁依然有少量的缺陷樁，而且通過數據發現缺陷位置基本為低應變檢測不到的深部。激振能量小的低應變適合普查中淺部缺陷，而激振能量大的高應變適合超長樁的檢測，便于發現更深處的缺陷。傾斜度高于4%的樁缺陷占比明顯高于其他樁，主要原因應該是由于擠土效應深部的淤泥質土擠壓管樁上浮引起傾斜，傾斜嚴重的引起了斷樁，故主要缺陷發生在淤泥質土附近的深部。

表3 高應變檢測結果

通過表3、圖2 可以看出，對高應變Ⅰ、Ⅱ類的基樁承載力進行分析后，得出傾斜度越大承載力折減越嚴重，大范圍的擠土及附近傾斜樁影響導致無傾斜樁的承載力也有所下降。承載力最大的樁發生在（2%，4%]區間內，承載力最小的發生在（4%，6.7%]內。根據相關研究[10]，如果只是單純樁身傾斜，當樁的垂直度不大于4%且樁身具有足夠的抗彎強度和剛度時，對樁的承載力一般不構成重大影響，該工程承載力的降低應該是受土體擾動、基樁上浮的影響。

圖2 高應變Ⅰ、Ⅱ類樁承載力分布圖

由于高應變法檢測樁的承載力為間接法反演計算而來，具有一定的偏差，為了更好地驗證單樁豎向抗壓承載力，對傾斜大于4%的樁抽取2 根，小于4%的抽取1 根進行單樁豎向抗壓靜載試驗。

通過圖3 的3 根靜載試驗數據可以看出，樁頂荷載-沉降曲線的演變規律均表現為陡降型曲線，按照規范[9]取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值為單樁承載力極限值。通過表4 可以看出，相比于更為直接準確的靜載試驗數據，高應變得出的承載力值更為保守，高應變的承載力檢測數據具有一定的參考價值。靜載試驗主要變形趨勢與高應變基本一致，傾斜率越高的承載力越低，原因應該是傾斜率越高，由擠土效應影響的土體擾動、基樁上浮越明顯，基樁的上浮直接降低了基樁的端阻力，樁側土體的擾動則影響了基樁側阻力的發揮，故靜載及高應變試驗結果均低于設計值。

圖3 樁頂荷載-沉降曲線

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗結果

通過以上幾種試驗分析可知，該工程樁基偏位、傾斜主要原因應該是在含水量豐富的深厚軟土層地質條件下，設計樁間距較小（最小樁間距2.6m）等因素導致打樁過程的擠土效應、管樁上浮，進而導致基樁傾斜及完整性降低、承載力下降等情況。

4 數值模擬

為了驗證擠土效應引起管樁傾斜的結論，本文通過使用ABAQUS 耦合的歐拉-拉格朗日單元模擬打樁過程，驗證在深厚軟土地層條件下擠土效應對成樁質量的影響，以55#樁及附近2.6m 距離的基樁打入過程作為模型參考。

4.1 參數選取

圖4 為有限元計算模型，根據荷載和變形特點，本次模型以樁中心為對稱軸建立三維軸對稱模型進行分析。土體模型為深80m、長80m、寬10m 的歐拉單元，樁基模型被簡化為2 根直徑800 mm、長40 m 的三維可變性實體，底部設置完全固定，對稱面只允許豎向位移，其他側面限制同方向水平位移，除了上部邊界，在模型周圍設置了歐拉邊界且流動類型為不允許流出。由于土體模型為歐拉單元，為了避免體積外溢設置了10m 的空氣層。第一根樁施工完后間隔2.6m 接著施工第二根樁，觀察第一根樁傾斜情況，并在第一根樁上施加豎向受力模擬靜載試驗過程。

圖4 有限元計算模型網格劃分

本文樁周土體采用Mohr-Coulomb 模型，分層建模，土體參數參考地勘資料選取，根據相關文獻[11]土體彈性模量E=(2.5～3.5)Es，樁-土界面采用庫侖摩擦類型，并設置摩擦系數，樁周土體及樁的力學參數見表5。

表5 土體及樁的物理力學參數

4.2 計算結果與實際檢測結果對比

圖5 給出了樁頂荷載-沉降曲線計算值與實際值對比，從圖上可以看出荷載不大的時候變形基本一致，加載到6720kN 以后沉降模擬值比實際位移大，但是沉降趨勢基本一致。在加載到7680kN 時曲線均發生陡降，按照規范要求[9]承載力極限值均取6720kN。所以ABAQUS 在適當選取參數后，其計算結果與現場試驗結果基本吻合。

圖5 樁頂荷載-沉降曲線計算值與實際值對比

從圖6 的應力云圖及土體位移矢量圖可以看出，第二根樁成樁后擠壓土體向兩側及上方移動，土體的移動帶動了第一根樁的傾斜和上浮，模型中第一根樁傾斜率達到4.6%，雖與55#樁傾斜率3.5%不能完全吻合，但是依然可以明顯觀察到這類地質條件下擠土效應對成樁質量的影響。

圖6 第二根樁成樁后應力云圖和土體位移矢量圖

4.3 不同距離下成樁情況對比

該工程最小樁間距2.6m，明顯小于規范要求[12]的4.5d（3.6m），本文嘗試探究不同打樁距離下擠土效應的影響，設置了2.6m、3.6m、5.2m、7.2m 四種情況下的模型試驗。圖7 給出了不同樁間距下荷載-沉降曲線，可以看出樁間距越大成樁效果越好，而在規范要求的3.6m 樁間距情況下，模擬得出的靜載試驗引起的沉降量依然不小。當樁間距達5.2m 時靜載引起的沉降量就小很多，當樁間距達到7.2m 時與5.2m 的差異并不大。可以看出適當增加打樁距離可以減輕擠土效應影響，當樁間距超過某一閾值后，再增大樁間距對成樁質量改善不會有過多影響，過大的樁間距反而不利于樁型的布置及施工的進行。而如果設計樁間距過小，施工過程中可以選擇跳打施工，本模型間距5.2m 跳打施工效果良好，故合理利用跳打施工一定程度上可以減緩管樁擠土效應對周邊樁基礎的影響。

圖7 不同樁間距下荷載-沉降曲線

5 結論

（1）偏位、傾斜樁的普查可以通過現場檢測綜合評估，首先使用低應變及垂直度檢測進行全數大面積普查，得出明顯缺陷樁；然后根據普查情況進一步選用高應變對低應變合格樁做進一步篩選，得出深部的缺陷樁及承載力情況；最后選取部分基樁通過靜載試驗對基樁承載力進行比對，幾種不同檢測方式遞進式選用可以更全面地了解偏位、傾斜樁的缺陷情況及承載力情況。

（2）深厚軟土地層PHC 管樁的施工必須要注意地質因素的影響，尤其是在地下水豐富的河岸和海岸地區。軟土地層不利于超靜孔隙水壓力消散，打樁引起擠土效應對樁間距越小的樁產生的超靜孔隙水壓影響越明顯，影響包括基樁上浮及樁周土體擾動等，在施工過程中表現為樁偏位及傾斜的現象。

（3）通過數值模擬計算發現管樁適當增加打樁距離可以減小擠土效應引起的傾斜及承載力的降低，設計規范給出的最小打樁距離為4.5d，當遇到設計樁間距小于設計要求值時，合理的跳打施工一定程度上可以減緩管樁擠土效應對周邊樁基礎的影響。