預(yù)制方樁的缺陷送別及治理
摘要：以某實(shí)際工程為背景，介紹在用PIT進(jìn)行常規(guī)的低應(yīng)變檢測(cè)和靜載荷試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)較高比例的樁在接頭位置都存在缺陷，結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行綜合分析，對(duì)樁的缺陷性質(zhì)做出了正確判別；而后采用動(dòng)力復(fù)位的方法，同時(shí)進(jìn)一步采用PDA打樁分析儀和精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，由此杜絕了工程隱患。
關(guān)鍵詞：預(yù)制方樁 缺陷 波形曲線 PIT PDA 沉降
0 引言
近年來(lái)，預(yù)制方樁在上海地區(qū)的多層、小高層民用住宅以及工業(yè)廠房項(xiàng)目的基樁工程中得到了廣泛的應(yīng)用，隨之而來(lái)的，由于打樁過(guò)程中多節(jié)樁接頭的焊接質(zhì)量不好、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制而導(dǎo)致樁身混凝土強(qiáng)度偏低、錘擊應(yīng)力過(guò)高及土方開(kāi)挖等施工因素而造成的預(yù)制方樁產(chǎn)生裂縫、斷裂甚至上下節(jié)脫離的工程質(zhì)量事故時(shí)有發(fā)生。沉樁后的基樁檢測(cè)，成為對(duì)預(yù)制方樁施工質(zhì)量的主要控制手段之一。
本文以位于上海郊區(qū)軟弱土層上建造的一12層住宅樓為背景，介紹在用PIT（美）(Pile Integrity Tester) 樁身完整性測(cè)試儀進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)和靜載荷試驗(yàn)后，結(jié)合沉降測(cè)量、地質(zhì)資料、施工資料等進(jìn)行綜合分析，對(duì)樁的缺陷性質(zhì)做出了正確判別，并采取了動(dòng)力復(fù)位的治理方法及PDA（美）（Pile Driving Analyzer）打樁分析儀的高應(yīng)變法對(duì)復(fù)位效果進(jìn)行評(píng)判，由此杜絕了工程隱患。
1 工程概況
某民用住宅工程為12層的框剪結(jié)構(gòu)，基樁采用混凝土預(yù)制方樁。樁型為JZHb-235-1313B，樁端持力層為⑤-1b粉質(zhì)粘土夾砂層，單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)值為680kN，總樁數(shù)為235根。場(chǎng)地地質(zhì)概況：擬建場(chǎng)地屬濱海平原地貌類型，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)指標(biāo)表1。
2 工程樁檢測(cè)結(jié)果
該工程基坑開(kāi)挖1.5米左右，按設(shè)計(jì)要求對(duì)3根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓極限承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)前的低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中2根的反射波曲線出現(xiàn)明顯的接樁位置缺陷，其57#和106#樁低應(yīng)變反射波曲線分別見(jiàn)圖1和圖2。
表1 地基土土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)
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層號(hào) |
土層名稱 |
厚 度（m） |
比貫入阻力Ps（Mpa） |
標(biāo)準(zhǔn)貫入 N63.5（擊） |
預(yù)制樁 | |
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fs（kPa） |
fp（kPa） | |||||
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② |
粉質(zhì)粘土 |
0.00~2.20 |
0.60 |
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15 |
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③ |
淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土 |
615~8.90 |
0.48 |
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<6m,15 >6m,20 |
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④ |
淤泥質(zhì)粘土 |
3.90~8.10 |
0.59 |
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20 |
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⑤1a |
粘土 |
4.40~7.30 |
0.80 |
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30 |
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⑤1b |
粉質(zhì)粘土夾砂 |
2.95~13.20 |
1.73 |
5.7 |
50 |
1500 |
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⑤4 |
粉質(zhì)粘土 |
0.00~6.30 |
3.37 |
7.8 |
65 |
2000 |
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⑦1 |
砂質(zhì)粉土 |
0.00~6.55 |
8.02 |
25.4 |
75 |
4000 |
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⑦2a |
粉砂 |
7.90~14.90 |
14.27 |
39.6 |
90 |
6000 |
圖1. 57#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線
圖2. 106#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線
隨后的靜載試驗(yàn)結(jié)果也表明此2根試驗(yàn)樁的單樁極限抗壓承載力均未達(dá)到設(shè)計(jì)值，且其中1根的情況非常典型: Q-S曲線在550kN出現(xiàn)明顯向下的拐點(diǎn)，即660kN荷載下的沉降明顯增大，是前一級(jí)的3倍多，而在770kN后沉降收斂，曲線又開(kāi)始上翹；從S-lgt曲線中也可以看到660kN荷載級(jí)明顯曲折，沉降出現(xiàn)極大值。上述現(xiàn)象非常明確的表明本試樁接樁處有明顯缺陷，上、下兩節(jié)樁脫開(kāi)約15mm，在空隙壓實(shí)前的豎向極限承載力為550kN, 壓實(shí)后的豎向極限承載力可以達(dá)到1100kN。靜載Q-S曲線、S-lgt曲線及S-lgQ曲線見(jiàn)圖3-5。
圖3 靜載實(shí)測(cè)Q-S曲線
圖4 靜載實(shí)測(cè)S-LgT曲線[Page]
圖5靜載實(shí)測(cè)S-LgQ曲線
綜合靜載試驗(yàn)和低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)曲線可表明，在接樁處有明顯的脫開(kāi)缺陷，且由于接樁部位脫節(jié)，嚴(yán)重影響其單樁承載力的向上傳遞，但其上下兩節(jié)樁的樁身完整性均良好。
后對(duì)該工程的全部基樁進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有34根樁在不同程度上在接樁處存在明顯的缺陷，事故的規(guī)模和性質(zhì)是顯而易見(jiàn)的，為了充分利用脫節(jié)的兩節(jié)樁，并彌補(bǔ)脫節(jié)的缺陷，使其缺陷樁的豎向承載力能正常傳遞，讓缺陷樁的單樁極限承載力基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以我們采用了錘擊技術(shù)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力復(fù)位。
3 復(fù)位方法的選擇和復(fù)位控制
該工程基樁由打樁機(jī)沉樁，但基坑已經(jīng)開(kāi)挖，打樁機(jī)無(wú)法下基坑安裝到位，即使能實(shí)施費(fèi)用也很大，得不償失。故采用三腳架頂部懸掛一落錘的方法(落錘重2噸，落距0.5米)，對(duì)缺陷樁進(jìn)行錘擊。復(fù)位前先對(duì)四根正常樁進(jìn)行錘擊以驗(yàn)證錘擊能量是否合適，四根樁兩次錘擊的總貫入量在1.54mm-1.84mm之間，說(shuō)明動(dòng)力復(fù)位的錘重及落距選擇是合適的，即能將上節(jié)樁打動(dòng)，同時(shí)很難將整節(jié)樁打動(dòng)，可將復(fù)位停錘標(biāo)準(zhǔn)定為1mm左右，也就是說(shuō)，當(dāng)最后兩錘的平均貫入量約為1mm時(shí)，可停止復(fù)位錘擊。
4 復(fù)位貫入度測(cè)量
我們采用索佳B1精密水準(zhǔn)儀(測(cè)試精度為0.01mm)對(duì)被錘擊樁進(jìn)行貫入度測(cè)量，復(fù)位的錘擊貫入度除三根樁的總貫入量在6.52mm-9.90mm之間，其余被復(fù)位的錘擊貫入度除三根樁的總貫入量在6.52mm-9.90mm之間外，其余被復(fù)位的缺陷樁的總貫入量在28.80mm-55.82mm， 說(shuō)明由低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)確定的此類樁，上下兩節(jié)樁接頭處存在明顯空隙,脫節(jié)程度較大，但通過(guò)上述動(dòng)力復(fù)位后，接頭處的空隙已趨于零。代表性樁位復(fù)位錘擊貫入度列表如下：
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樁 號(hào) |
16# |
57# |
59# |
84# |
106# |
230# |
正常樁 |
正常樁 |
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總貫入量(mm) |
44.84 |
43.83 |
45.78 |
55.82 |
55.00 |
49.70 |
1.54 |
1.70 |
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最后兩錘平均貫入量(mm) |
0.65 |
0.60 |
0.77 |
0.91 |
0.45 |
0.98 |
0.77 |
0.85 |
5 復(fù)位效果監(jiān)測(cè)和評(píng)判[Page]
復(fù)位后缺陷樁的最終承載力是否得到了較大的提高，運(yùn)用PDA（美）（Pile Driving Analyzer）打樁分析儀對(duì)其中的5根樁進(jìn)行了復(fù)位效果監(jiān)測(cè)和評(píng)判，得到了復(fù)位后缺陷樁的豎向抗壓承載力。
測(cè)試時(shí)砼的波速設(shè)定為3500m/s，傳感器安裝在距樁頂以下0.7m的位置，通過(guò)基樁的高應(yīng)變測(cè)試儀器，接受復(fù)位時(shí)的每一次錘擊信號(hào),通過(guò)分析程序可以監(jiān)控復(fù)位的全過(guò)程，從下圖6-圖10,可以看出隨著復(fù)位錘擊數(shù)的增加,缺陷處反射信號(hào)逐漸變小和樁身完整性系數(shù)逐漸變大；缺陷反射信號(hào)小到一定程度后，隨著復(fù)位錘擊數(shù)的增加，缺陷反射信號(hào)再不變化，樁身完整性系數(shù)保持為常數(shù)，說(shuō)明復(fù)位已經(jīng)完成。
圖6 57#樁復(fù)位初始階段測(cè)試曲線
圖7 57#樁復(fù)位中間階段測(cè)試曲線
圖8 57#樁復(fù)位收錘階段測(cè)試曲線
圖6為57#樁復(fù)位初始階段的測(cè)試曲線。從高應(yīng)變測(cè)試曲線特征可以看出，在沖擊時(shí)刻（t=0），力曲線與速度曲線基本重合，之后，隨著土阻力被激發(fā)，力和速度曲線逐漸分離，但在約13m處，力曲線與速度曲線交匯，緊接著速度曲線迅速升高形成一個(gè)峰值，而力曲線迅速下降形成一個(gè)凹槽。這個(gè)回響反應(yīng)，速度曲線峰值與力曲線凹槽即為典型的樁身阻抗減少或樁損壞。此時(shí)β值為52%，凱斯-高勃爾法反映的極限承載力Rsp值為360kN左右。沉降測(cè)試反映此時(shí)貫入度不大，樁剛被打動(dòng)。
圖7為57#樁復(fù)位中間階段的高應(yīng)變測(cè)試曲線，曲線特征同錘擊初始階段相似，速度曲線峰值與力曲線凹槽仍舊非常明顯，此時(shí)β值為48%，Rsp值為297kN，兩者均比初始階段略有降低，沉降測(cè)試反映此階段貫入度比錘擊初始階段有所增大，由此可知，此時(shí)13m接樁處缺陷依舊明顯。沉降量增大，Rsp值略微減少，說(shuō)明樁已被打動(dòng)，樁被打動(dòng)后，可導(dǎo)致其側(cè)壁摩阻力降低，致使Rsp值略減，由估算分析可知，Rsp值的大小有與上節(jié)樁的樁長(zhǎng)相匹配的特征。故缺陷初步定性為：上下兩節(jié)樁有分離的可能。
圖8為57#樁收錘階段的測(cè)試曲線，從高應(yīng)變測(cè)試曲線特征可以看出：速度曲線峰值與力曲線凹槽的變化由逐漸減小到不很明顯，β值的變化由初始階段52%左右上升到84%左右，Rsp值的變化由初始階段的360kN（圖6）上升到905kN。沉降測(cè)試反映此階段貫入度呈減小趨勢(shì)，收錘階段最后一錘的沉降量為0.60mm，由此可知，此時(shí)13m接樁處缺陷已明顯改善，Rsp值的顯著增大及沉降量明顯的減少，均顯示出與整個(gè)樁長(zhǎng)相匹配的特征，表明前面打動(dòng)的樁實(shí)際為上節(jié)樁，此時(shí)脫開(kāi)的上下節(jié)樁基本閉合，整根樁共同受力。
由以上檢測(cè)過(guò)程及分析結(jié)果可知，由低應(yīng)變檢測(cè)確定的57#樁13m接樁處的缺陷，經(jīng)用PDA檢測(cè)并結(jié)合沉降觀測(cè)，可具體定性為：樁上下兩節(jié)脫開(kāi)，但豎直方向基本未錯(cuò)位，通過(guò)動(dòng)力錘擊，可使上下兩節(jié)樁基本閉合，使其承載力提高。
圖9. 106#樁復(fù)位初始階段測(cè)試曲線
圖10. 106#樁復(fù)位收錘階段測(cè)試曲線
圖9、圖10為106#樁復(fù)位初始階段及復(fù)位收錘階段的測(cè)試曲線，其測(cè)試曲線的變化特征與57#相同，復(fù)位后的單樁豎向抗壓極限承載力也達(dá)到910kN。
6 結(jié)論
?、?預(yù)制方樁的損壞特征多表現(xiàn)為接頭損壞，樁身裂縫、斷裂，挖機(jī)造成的淺部裂縫及斷裂。在用常規(guī)的低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)做檢測(cè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某一性態(tài)特征的缺陷表現(xiàn)較明顯且數(shù)量較多，應(yīng)將多種檢測(cè)手段結(jié)合起來(lái)，并同時(shí)充分研究已有的工程施工資料、地質(zhì)資料，進(jìn)行綜合分析，才能正確判別樁的缺陷性質(zhì)及損壞程度。
②.對(duì)于本文所述的混凝土預(yù)制方樁有脫節(jié)缺陷的工程樁，采用本文所介紹的動(dòng)力復(fù)位法進(jìn)行修復(fù)是完全可行的，經(jīng)復(fù)位后基本可以使脫節(jié)部分閉合，復(fù)位后的單樁承載力有明顯的提高。
1 PDA-W Users Manual ( version: July 2001, Pile Dynamics, Inc.)
2 Pile Damage Assessments Using The Pile Driving Analyzer (by Scott D. Webster and Wondem Teferra，Stress wave ’ 96 Conference, Orlando, FL, 1996)
3 劉金礪. 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990
4 樁基工程手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì). 樁基工程手冊(cè). 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995
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