林舟，李椋京，石曉杰

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，福建福州350003)

斷樁事故在靜壓管樁的施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生。在靜壓管樁施工過(guò)程中，經(jīng)常采用當(dāng)管樁深入土層時(shí)，如果管樁密度較大，土層對(duì)樁身產(chǎn)生側(cè)向擠壓，極易發(fā)生斷樁事故。預(yù)應(yīng)力管樁(PHC管樁)具有施工成本低，效率高的特點(diǎn)，因此在工程中得到了廣泛應(yīng)用。福州某保障房項(xiàng)目樁基工程使用的PHC管樁就在施工過(guò)程中發(fā)生了大面積斷樁事故，給建筑工程的施工帶來(lái)了諸多不利影響和后果，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)該事故的發(fā)生原因進(jìn)行了分析與探討。

1 工程概況

福州某保障房項(xiàng)目，工程場(chǎng)地位于福州市沖積平原，共計(jì)10棟住宅，均為地下1層，地上17層的高層住宅。該項(xiàng)目所有住宅建筑等級(jí)均為2級(jí)，全部采用框剪結(jié)構(gòu)。

根據(jù)鉆探揭示，場(chǎng)地巖土層依據(jù)其成因類(lèi)型及工程性能分為10個(gè)工程地質(zhì)層，分述如下。

素填土①：雜色，稍密，主要為建筑垃圾和粘性土回填，層厚0.80～1.80 m，平均厚度1.40 m。粉質(zhì)粘土②：褐黃色，軟塑--可塑，層厚0.40～2.20 m，平均厚度0.93 m。淤泥③：深灰色，飽和，流塑，層厚5.60～14.80 m，平均厚度12.55 m。粉質(zhì)粘土④：褐黃色，軟塑--可塑，層厚7.20～17.90 m，平均厚度10.57 m。淤泥⑤：深灰色，飽和，流塑--軟塑，層厚3.50～4.40 m，平均厚度3.8 m。中砂⑥：灰黑色，灰黃色，飽和，稍密--中密，厚度3.00～4.00 m，平均厚度3.45 m。粉質(zhì)粘土⑦：灰黃色，褐黃色，飽和，可塑，層厚0.80～6.00 m，平均厚度2.73 m。8、殘積砂質(zhì)粘性土⑧：硬塑，主要成分為花崗斑巖風(fēng)化而成，干硬度較高，韌性中等，層厚4.20～6.40 m。全風(fēng)化花崗巖⑨：主要成分為花崗斑巖風(fēng)化而成，巖體基本已破壞，由殘余結(jié)構(gòu)硬度，厚度3.30～7.10 m。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑩：未揭穿。

所有住宅基礎(chǔ)類(lèi)型為樁基礎(chǔ)，每棟樓打85根樁，單根樁總長(zhǎng)約為44 m，同一承臺(tái)下樁與樁之間的中心距1.80 m，不同承臺(tái)下樁與樁之間最大中心距2.80 m。樁基施工采用靜壓樁機(jī)，樁型為PHC管樁，管樁通過(guò)焊接連接，接頭為4個(gè)。

2 事故發(fā)生與處理

在靜壓管樁過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)異常情況，管樁靜壓時(shí)保持垂直，接樁過(guò)程符合施工規(guī)范要求。打樁結(jié)束后開(kāi)始開(kāi)挖承臺(tái)，開(kāi)挖結(jié)束后出現(xiàn)大量樁傾斜偏離軸線的現(xiàn)象，經(jīng)動(dòng)測(cè)檢驗(yàn)后結(jié)果顯示出現(xiàn)Ⅳ類(lèi)樁較多且缺陷樁的受損部位在基底下3～6 m。其中7#、8#樓Ⅳ類(lèi)樁比例接近50%，9#、10#樓Ⅳ類(lèi)比例接近60%。

事故處理方法如下：對(duì)于施工產(chǎn)生的Ⅳ類(lèi)樁，采用人工挖孔樁，將缺陷樁的樁周土全部挖除，直至受損位置，將受損位置以上的樁割除、取出，護(hù)壁使用Ф1 400 mm鋼套筒。對(duì)下部樁再進(jìn)行動(dòng)測(cè)、傾斜率、偏位復(fù)核，保證無(wú)缺陷后，焊接、錨固鋼筋，再套水泥管Ф800 mm，澆注C30混凝土，即將受損位置以上的樁改為灌注樁，鋼套筒與水泥管之間回填中粗砂，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后拆模。處理后的缺陷樁，經(jīng)靜載及動(dòng)測(cè)檢驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)要求，但增加不少造價(jià)，并延誤工期兩個(gè)多月。

3 分析研究

3.1 理論分析

目前，基于理想彈塑性假定的Vesic圓孔擴(kuò)張理論[1]是常用于分析管樁擠土效應(yīng)的方法。在采用圓柱孔擴(kuò)張理論模擬預(yù)制管樁的施工過(guò)程時(shí)，把土體的幾何形狀、約束、荷載都看成是對(duì)稱于管樁的中軸線，因此可假定按平面軸對(duì)稱問(wèn)題考慮，在均勻分布的內(nèi)壓力的作用下圍繞著圓孔的圓筒形區(qū)域?qū)⒂蓮椥誀顟B(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，塑性區(qū)隨著內(nèi)壓力的增加而不斷擴(kuò)大[2]。設(shè)管樁外半徑為Ro，塑性區(qū)最大半徑為Rp，相應(yīng)的內(nèi)壓力最終值為Pu，塑性區(qū)外側(cè)土體仍保持彈性狀態(tài)。圓孔擴(kuò)張模型如圖1所示。

圖1 圓孔擴(kuò)張及單元體平衡分析示意圖

由巖土體平衡微分方程得：

根據(jù)彈性理論解得：

在塑性區(qū)，土體滿足莫爾-庫(kù)侖屈服條件：

根據(jù)塑性區(qū)定義，在斷樁區(qū)域，土體進(jìn)入極限狀態(tài)，即：

由式(5)代入式(4)得：

在邊界條件r=Ro處，σr等于樁表面對(duì)土體擠壓的應(yīng)力，即：

求得：

則塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力值：

由式(9)和式(10)可知，當(dāng)r=Rp時(shí)，

由式(2)+式(3)得：

由式(11)+式(12)得：

由彈、塑限區(qū)交界處應(yīng)力相等條件，即式(13)與式(14)相等得：

由式(15)得：

以上式中：σr為徑向應(yīng)力;σθ為法向應(yīng)力;r為塑性區(qū)中所考察的任一點(diǎn)的半徑;p為土體初始內(nèi)應(yīng)力;c為土體粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角;A為積分常數(shù);pu為成樁后土體對(duì)樁表面的擠壓應(yīng)力;Ro為圓柱初始孔半徑;Rp為塑性區(qū)最大半徑。

將缺陷樁的受損部位附近土層物理力學(xué)指標(biāo)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 缺陷樁的受損部位附近土層物理力學(xué)指標(biāo)及塑性區(qū)最大半徑Rp

當(dāng)管樁靜壓入土層后產(chǎn)生擠土效應(yīng)，引起樁周土體水平位移。由于管樁之間的中心距為1.8～2.8 m，扣除樁半徑200 mm后可得從后施工管樁中心到先施工完成的管樁邊緣距離為1.6～2.6 m。該距離小于淤泥層③的Rp值，即在淤泥層③范圍內(nèi)先施工完成的管樁位于后施工管樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)的作用范圍內(nèi)。先施工完成的管樁在受到土層擠壓后，發(fā)生樁身偏移，同時(shí)產(chǎn)生較大的彎矩。由于PHC管樁的抗彎能力較差，從而導(dǎo)致斷樁事故的發(fā)生。

3.2 事故原因及預(yù)防措施探討

綜上分析，本次斷樁事故的主要原因，歸納起來(lái)有以下3方面：一是PHC管樁壓樁過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，后施工管樁施工產(chǎn)生的土層擠壓導(dǎo)致先施工完成的管樁發(fā)生斷樁;二是場(chǎng)地內(nèi)淤泥層的物理力學(xué)指標(biāo)導(dǎo)致擠土效應(yīng)作用范圍較大而管樁之間的距離偏小，先施工完成的管樁位于后施工管樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)的作用范圍內(nèi);三是PHC管樁自身的抗彎能力較差，在受到土層擠壓時(shí)容易發(fā)生斷樁。

針對(duì)上述主要原因，提出下列預(yù)防措施：首先，在場(chǎng)地內(nèi)存在較厚淤泥層時(shí)避免采用預(yù)制樁，尤其是PHC管樁，改用挖孔樁，防止擠土效應(yīng)的產(chǎn)生;其次，如果一定要采用PHC管樁，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)加大管樁之間的距離，同時(shí)對(duì)承臺(tái)進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

斷樁事故表明，在淤泥層較厚的地質(zhì)條件下采用PHC管樁容易發(fā)生斷樁事故。福建省沿海地區(qū)尤其福州地區(qū)，由于很多地區(qū)屬于臨近出海口的沖積平原，廣泛存在著淤泥層較厚的情況。因此在進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，減少PHC樁的使用，從而降低發(fā)生斷樁事故的概率。

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