1．前言

 

　　预应力混凝土管桩是一种采用先张法预应力工艺和离心成型法制作的预制桩。其中PHC(高强度)管桩是经过高压蒸汽养护设备生产的，其桩身混凝土强度等级为C80(或超过C80)，按管桩的抗弯性能和抗裂度，可分为A、AB、B、C型。管径从φ300～1000mm不等，长度为7～15m。PHC预应力管桩以其桩材质量好、强度高、耐施打、穿透能力强、工程地质适应性强、设计选用范围广、容易布桩、经济快捷、检测方便等优点而被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工程中。但是PHC预应力管桩亦有使用柴油锤施工噪音大，震动剧烈，挤土效应大，送桩长度有局限，深基坑开挖后截桩余量多等缺点。沿海地区多采用锤击沉桩法和静压法进行施工。在锤击沉桩法施工中，由于受成桩工艺、机械设备、地质条件、施工人员素质等因素的影响而容易产生一些质量通病，出现断桩、烂桩现象。在工程实践中，探讨如何避免预应力管桩的断裂以及对已断裂的管桩采用费用低廉、切实可行的加固处理方法，具有较强的工程应用价值。

 

　　2．预应力管桩断桩的原因

 

　　2.1桩身质量问题引起断桩、烂桩

 

　　由于在预应力管桩的生产过程中质量控制不严而造成桩身质量缺陷，即混凝土混合料制备、钢筋加工、钢筋骨架制作、预应力张拉、浇灌混凝土、离心成型、养护等工序的质量控制不足，造成桩身质量缺陷。主要有以下几种情况：

 

　　2.1.1桩身混凝土抗压强度达不到规定指标要求。原因主要是：①过分考虑节约水泥，不严格执行砼设计配合比；②原材料(水泥、石子、砂)质量差，或质量波动大；③搅拌质量差；④减水剂质量差或减水剂偏少；⑤养护制度不严格，特别是普通蒸汽养护没有严格按“静停、升温、恒温、降温”四个过程进行，放张强度偏低，蒸压养护时恒温温度偏低或时间偏短等。

 

　　2.1.2钢材(螺旋筋)质量不符合要求。冷拔低碳钢丝强度低，可焊性差。预应力工艺控制不好，比如张拉时预应力损失，镦头点焊时钢筋强度损失等。

 

　　2.1.3造成桩身质量问题的其它原因有：管桩外形弯曲削弱承载能力；管桩在脱模、起吊、运输中颠簸，工地上拖桩、翻动而产生环向裂缝；砼收缩引起拉应力超过抗拉强度时产生纵向裂缝等等。

 

　　2.2.地质条件影响导致断桩、烂桩

 

　　2.2.1地勘不详。施工场地内有地下孤石、旧基础等障碍物未清除干净，桩入土后，把桩尖挤向一侧造成弯桩、断桩。

 

　　2.2.2施打中遇到硬夹层或岩层软硬突变而无过渡层，稳定性不足或岩层界面倾角引起打滑导致弯桩、断桩。

 

　　2.2.3场地地表土地耐力较差，桩机在沉桩过程中下陷，无法有效控制桩身垂直度；接桩焊接不当；桩机移动措施不当，或没有合理安排沉桩流程、沉桩速度，没有设置应力释放孔、沉桩监测，由于挤土效应，产生了后续施工对已完成的桩产生偏位和断桩。

 

　　2.3.施工因素造成断桩、烂桩

 

　　2.3.1桩锤的选择不合理：例如用D40锤打φ500mm的桩，承载力难以保证；反过来，用D60锤打φ400mm的桩，尽管能保证桩的承载力满足设计要求，顺利或基本顺利将桩下沉到设计深度，但收锤标准则较难控制，且桩锤对桩身冲击压应力超过桩身混凝土极限强度的50%，导致断桩、烂桩，这种情况常出现是因为有些施工单位图方便不严格选锤，使用同一种锤施打多种桩型或不同直径的桩。

 

　　2.3.2基坑施工不当：

 

　　基坑开挖时，大型挖机挖铲转动时不慎碰到桩头，造成断桩；基坑内土方开挖程序未严格按照设计要求分层、分段开挖；在淤泥质土较厚地区，土体本身的流动性大，加上其中积聚的沉桩挤压力、土层中孔隙水压朝开挖方向释放，进而加剧了淤泥向开挖方向流动，又因预应力管桩对水平力的抵抗能力小，随着土体的位移而向开挖方向倾斜，如果一次开挖过深就会引起管桩的偏位、严重的产生断裂；围护不当产生边坡失稳，边坡一旦失稳，基坑壁侧向移动，将严重破坏工程桩倾斜、断桩，通常是土钉支护等支护形式容易出现这种问题。

 

　　2.3.3桩施打时，技术处理不当。如稳桩不垂直，压入地下一定深度后，再用走架方法校正，使桩身产生弯曲；两节或多节桩施工时，连接处表面没有清理干净，留有杂质、水分、油渍等，焊接时连接件不平，有较大的间隙，造成焊接不牢；焊缝不连续，不饱满，焊缝中有夹渣等；冷却方式不对，冷却时间不够。相接的两节桩不在同一轴线上，产生了曲折，打入时接桩处局部因产生集中应力而破坏连接，造成桩身断裂。

 

　　2.3.4送桩处理不注意。送桩器与桩头衔接不好，送桩深度超过2m，施打时仍按原收锤标准控制。

 

　　2.4.设计方面的原因引起断桩、烂桩

 

　　2.4.1管桩的布置间距过小，群桩作用，桩挤压，使土体升高，导致桩拔起，出现拉断现象。

 

　　2.4.2桩端进入持力层深度值没有根据不同的土质取，而是盲目选取，当强风化层太厚时，由于施打疲劳导致烂桩。

 

　　2.4.3最后贯入度值取得太小，每阵小于20mm。锤击数量过大，大于2000～2300锤击导致烂桩。

 

　　2.4.4设计中如选用桩径不当、间距过密，也容易出现断桩现象。长径比大于100，接头数量过多亦易引起断桩。

 

　　2.4.5桩型选择不当，主要是场地地质复杂时选型不当，如在硬夹层或孤石、障碍物较多的软土地区选用预应力管桩作基础，很容易碰到孤石等，施工过程中无法进入到到持力层而又不及时调整桩长就容易断桩。

 

　　2.4.6持力层选择不当，如没有正确选择持力层或要求桩基进入持力层的深度过大而无法送桩到设计深度，或持力层岩面起伏较大而桩长不灵活调整等。

 

　　3.预应力管桩断桩的预防

 

　　通过上述分析，结合工程实践经验，笔者认为从以下三方面采取措施可以预防断桩情况发生：

 

　　3.1.预应力管桩桩身质量的控制

 

　　选择信誉较好，具备生产资质，有完善质保体系的管桩厂购买管桩，管桩进场时，不仅要检查管桩的合格证、检验报告等资料是否齐备，还要进行外观质量检查，尺寸偏差检查，发现桩身开裂超过有关验收规定的，或桩身弯曲超过规定的(L/1000且≤20mm)，要坚决退掉。严格控制桩身结构强度，确保工程桩质量的合格是顺利沉桩的前提。为了确保桩身质量，要求管桩出厂前应至少有14天龄期的自然养护时间，在桩材的起吊、运输、堆放等过程中严格按照相应的施工规范要求执行，每批桩进场必须提供相应的质量保证书，桩材进场时应由桩基施工专职质检人员配合监理单位对桩身进行验收。

 

　　3.2.加强设计合理性

 

　　设计布桩时，同一结构单元，宜用同一类型的桩；桩的中心距视承台情况取(3.0d-6.0d)宜大不宜小；桩端进入持力层的深度根据不同的土层选取(1.0d，1.5d，2.0d，2.5d)；长径比应≤100；接头数量应≤4个。

 

　　在设计上要合理选择桩型、确定桩基参数。在认真分析地质条件的前提下，大面积沉桩前一定要做好试桩工作，并根据试桩情况确定好管桩长度，以避免强行压桩到指定标高而导致断桩。必要时，可采用厚壁桩，针对具体工程地质情况，备用一些AB型或B型管桩，根据施工情况和地质状况有选择使用，虽然桩的成本增加，但从减少断桩和缩短工期的角度看，是经济的。

 

　　3.2.合理安排施工方案

 

　　3.2.1做好沉桩准备工作，对地表进行必要地建筑垃圾铺设、碾压，保证其达到设计要求的地耐力；打桩前预钻应力释放孔（如预钻孔、砂井、塑料排水板等），防止工程桩倾斜。

 

　　3.2.2严格按有关规定正确施工，必须保证送桩器与桩身的纵向轴线保持一致，第一节管桩起吊就位插入地面的垂直度偏差不得大于0.5%，并及时用两台经纬仪双垂直方向校测，必要时，宜拔出重插；尽量减少中间间歇时间；接桩时，上下节桩段应保持顺直，错位偏差不大于2mm，焊接应符合有关规定，焊后自然冷却时间不得少于8分钟，严禁用水冷却或焊好即打。

 

　　3.2.3采取措施控制沉桩速率和合理安排沉桩顺序，沉桩初期沉桩速率宜控制在8-10根/日，沉桩应按背离被保护对象的方向进行，并遵循“先深后浅，先大后小，先中间后两侧”的原则。在施工过程中，根据监测结果，及时调整沉桩速率或沉桩流程，必要时采用跳打（间隔距离应大于20m）或停压等措施来调节和控制土体位移量。

 

　　3.2.4严禁边打桩边开挖，开挖宜在桩基全部完成并至少隔15d进行，以利于打桩中形成的土体内的应力消散。基坑开挖前应先进行围护体系施工，围护体系满足设计要求时才能进行开挖。

 

　　3.2.5在基坑挖土过程中，避免损坏工程桩；开挖应结合后浇带设置情况按照分段分层间隔开挖，分段长度不宜大于20m，以充分发挥“空间效应”，分块位置按1：1.5放坡处理；应控制分层之间土层高差，小范围土层高差不大于2米，桩周土体高差不宜超过1m，以免局部应力释放过快、导致管桩的偏位、断裂现象。

 

　　3.2.6开挖次序严格遵循“分层开挖，先撑后挖”的原则。

 

　　3.2.7做好基坑监测工作，在基坑开挖过程中，若有异常情况应进行连续观测，并及时通知各有关单位以便及时处理。同时做好应急预防措施，防止突发事件发生。

 

　　4.预应力管桩断桩的处理

 

　　尽管在设计和施工过程中对断桩现象有严密地预防措施，但由于多方面的原因，在工程实践中断桩问题还是时有发生。软土地区的断桩现象，通常发生在基坑开挖的过程中，一般发生在管桩的上部，这主要是由于其上部受到压桩力较大或水平位移较大造成的。对这类问题，若采用锚杆静压桩甚至回填基坑补桩的方法来处理，既费时又不经济，同时补桩技术难度也较高。

 

　　断桩加固的原则是：首先，加固后的管桩的完整性和垂直度要符合设计要求，不符合垂直度要求的应通过扶正手段使其满足，不符合完整性要求的通过截断上部破损部分进行接桩处理；其次，加固后的管桩桩基承载力要符合设计要求。

 

　　管桩断桩的处理，通常是根据其不同情况来分别采取相应的措施。如果只是有裂缝破坏，可以采取填芯措施加固；如果是桩身严重破坏或者上下节严重错位，可以采取接桩措施加固。

 

　　5.工程实例应用

 

　　海南三亚红沙海岸项目是集商业办公、休闲养生、安居置业为一体的高品位标志性综合建筑群。项目占地面积16万平方米，总建筑面积约33万平方米，合同金额为4.5亿元。由38栋主体建筑及公建配套组成，建筑总高度约72米。地上结构形式为剪力墙结构，抗震设防烈度为6度。其桩基采用PHC管桩，桩径500mm，壁厚125mm，桩长为26m，单桩竖向承载力设计值Rd=1500kN。在基坑开挖过程中发现部分管桩存在倾斜和断裂现象。经现场测量，桩身缺陷位置位于桩顶下3～5m之间。

 

　　本工程地层特性依次如下：第①层素填土（Q4ml）：该层分布于全场，灰黄色，稍湿，松散状，主要成份为碎石土、粘土质砂。层厚0.80～3.90m，平均厚度2.91m。第②层含珊瑚碎屑粉砂(Q4m)：灰、深灰色，饱和，松散状，颗粒成分为石英质，层厚3.40～10.00m，平均厚度5.33m。第②1层含珊瑚碎屑淤泥质粘土(Q4m)：深灰色，流塑状为主，平均厚度12.19m。第③层粉质粘土（Q2pl）：灰黄、黄褐等色，硬塑状为主，局部可塑状。揭露平均厚度21.26m。第④层粘土质粗砂（Q1m）：浅灰色，饱和，中密状，颗粒成分为石英质，细粒土含量约25%～30%，夹粘土质中砂、粘土质砾砂。厚度7.10m。第⑤层粉质粘土（Q1m）：灰黄、浅灰色，硬塑状，干强度高，韧性中等。揭露厚度4.90m。

 

　　针对该工程特点，并结合以往处理经验，对未倾斜的Ⅲ、Ⅳ类桩进行填芯加固，填芯厚度应超过裂缝位置一定深度；对倾斜的Ⅲ、Ⅳ类桩，先进行扶正，再进行填芯加固。

 

　　填芯主要是在管桩内部设置钢筋笼，并在断裂位置上下1.5m范围内加密钢筋，钢筋笼下至断裂位置下3米。填充材料有两种方式，一种是在管芯中填C45微膨胀混凝土；另一种是压密注浆，即通过在管芯中添置砂石的混合物并注入高压水泥浆进行补强。为了控制填充材料用量，前者需要在钢筋笼底焊接5mm厚薄钢板托板，后者需要在钢筋笼底安放止浆袋，用C45微膨胀混凝土封口，封口混凝土达到设计强度的70%之后才能进行高压注浆，注浆完成后拔出注浆管。相比较而言，后者工艺较为繁琐，工期较长。综合比较，我们选择C45微膨胀混凝土填充管芯。

 

　　具体加固施工方法如下：

 

　　（1）桩内填芯。填芯前清洗桩管，然后在管桩内壁涂刷水泥净浆，以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性。然后下钢筋笼，配筋主筋为6φ22，在断裂位置另加6φ22，钢筋笼下至断裂位置下3米，并在钢筋笼底焊接5mm厚薄钢板托板。

 

　　（2）桩内浇灌C45微膨胀混凝土。

 

　　（3）施工完成后复测桩身偏位情况。

 

　　（4）选取有代表性的基桩进行承载力测试，桩数不少于3根。

 

　　（5）增加沉降观测点，加强对沉降量和沉降差监测。

 

　　桩内填芯如下图所示。

 

　　预应力预制管桩填芯加固示意图

 

　　6.结论

 

　　本文从工程实践的角度较为全面地总结了软土地区预应力管桩的断桩原因，并提出相应的预防措施，对指导实际工程具有一定的借鉴意义。

 

　　实践证明，断桩加固方法、加固机理直观，切实可靠，简易可行，经济合理，有一定的推广应用价值。

 

　　参考文献：

 

　　[1]《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010）

 

　　[2]《预应力混凝土管桩》图集(03SG409).

 

　　[3]《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）