在上篇文章“灌注桩承载力不满足要求处理原则、方法及案例”中 (文献[6]) 介绍了5种常见的质量问题, 即: (1) 灌注桩的承载力不满足设计要求; (2) 桩位偏差超出规范规定; (3) 桩身混凝土强度达不到设计要求; (4) 桩身出现颈缩; (5) 断桩。并对第1种质量问题做了详细论述, 本篇文章针对后4种质量问题提出相应的处理原则和方法。

在桩基工程验收中, 经常出现桩位与原设计位置不符的情况, 即实际桩位和设计图纸存在一定偏差, 相关规范如GB50202—2002《建筑地基基础工程施工质量验收规范》中5.1.4条对于灌注桩桩位的允许偏差给出了限值。当桩基验收中出现实际桩位超出规范规定时, 可遵循以下原则和方法处理。

桩位偏差有2种类型: (1) 由于桩身倾斜, 即桩的垂直度偏差过大造成桩位偏差; (2) 桩满足规范要求的垂直度要求, 由其他原因引起的桩位偏差, 如图1所示。

当桩位偏差超出规范规定时, 可按照以下原则和顺序进行处理。

应分析基桩偏位的特征, 如是否向同一方向偏位还是无规律偏位、偏位大小规律、偏位区域分布等。分析基桩偏位的特征对于分析桩位偏差的原因和可能产生的危害、确定处理方法都是必要的。如由于倾斜造成的桩位偏差均朝同一方向, 如图2所示, 应分析桩基础是否存在整体失稳问题, 特别是基底为软土情况下。

判断桩偏位时桩身是倾斜还是垂直, 对于分析基础安全的影响, 确定处理方法是必须的, 因为桩的倾斜会改变桩的受力模式, 桩周土压力从对称状态改为非对称状态, 桩身从受压状态变成压弯状态, 如图3所示。

分析桩位偏差超出规范规定的原因, 对于避免发生类似事故、有针对性地采取正确的处理方法和保证建筑物的安全都是非常必要的。

当桩位偏差超出规范规定时, 应分析对基桩桩身受力、基础 (承台、筏板和承台梁) 受力和桩承载力合力点的影响。

处理方法应在分析桩位偏差的原因和危害的基础上进行综合考虑, 且应满足建筑物安全、施工便利、施工周期短、综合造价低和符合验收要求等要求。

造成桩位偏差超出规范规定的可能原因如下。

放线错误、钻头对桩位误差过大都可能造成桩位偏差过大, 放线定桩位前应确保基准点准确。2006年, 作者曾受发改委和民航总局邀请, 参与国内某大型机场桩位偏差的调查。由于是国家重大工程, 引起时任国家领导人关注, 批示要求严格保证工程质量。该工程为人工挖孔桩, 由于基准点远, 放线出现偏差, 最终桩位偏差超出半个桩径, 引起桩位偏差的质量问题, 造成工期延误。

空孔高度指桩施工的作业面和桩顶设计标高的差, 由于桩施工时总有一定的垂直度偏差, 空孔高度过大可引起桩位偏差。相关规范对桩的垂直度有一定的规定, 如JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》给出了灌注桩施工垂直度允许偏差为1%的要求。实际工程中, 当空孔过大时, 桩基施工在满足规范垂直度要求的情况下, 桩位偏差可能就已超出规范的规定。如桩基规范规定:1~3根桩、条形桩基沿垂直轴线方向和群桩基础中的边桩, 桩位允许偏差<d/6且≤100mm, 当空孔深度>10m时, 正常施工的条件下, 实际桩位偏差可能就超出规范规定。2003年, 作者曾经负责处理天津某医院桩基偏位问题, 该工程桩施工空孔高度12m, 桩基验收时有300多根桩桩位偏差在300 mm左右, 该项目共计500多根桩, 偏位比例达到60%。因此, 当空孔高度过大时, 应根据空孔高度, 提高桩施工垂直度要求。

在饱和软土地区, 一些挤土灌注桩, 如沉管灌注桩施工过程中很容易产生挤土效应, 后施工的桩很容易将先施工的桩挤偏位。施工中合理的顺序可消除或减小这种桩位偏差。

在软土地区, 基坑周边或基桩上大面积堆载可能导致桩位偏差或倾斜。GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定:“堆载不宜压在基础上”、“基坑周边堆载不得超过设计规定”。在软土地区应避免在桩周围或基坑周围堆土。

在软土地区进行基坑开挖时, 均衡分层开挖极其重要。由于基坑开挖失当而引起的事故在软土地区屡见不鲜, 如开挖时未均衡分层进行, 而是由基坑的一边挖至另一边, 则后挖部分的桩体可能会发生较大的水平位移, 甚至会由于位移过大而引起桩身的断裂。《建筑桩基技术规范》规定:“挖土应均衡分层进行, 对流塑状软土的基坑开挖, 高差不应超过1m。”

当桩位偏差超出规范规定时, 应分析桩偏位对基础安全的不利影响。这些不利影响与偏位类型、偏位大小、地质条件、基础形式和结构形式等有关。针对桩偏位对基础安全的不利影响, 应采取相应的处理方法。

对于倾斜造成的桩偏位, 由于倾斜引起桩身承受非对称土压力和桩顶竖向荷载偏心作用, 对桩身受力产生不利影响, 一般会使桩身弯矩增大。桩身弯矩增大的程度和桩侧土的性质和分布、倾斜的程度以及荷载作用下桩基础的沉降量有关。准确计算倾斜对桩身弯矩的影响难度大, 特别是随着基础沉降的增加对斜桩的不利影响更难准确分析。

垂直状态桩偏位超出规范规定可能对基础安全有以下不利影响。

垂直状态桩偏位会引起桩顶反力重新分配, 一些桩反力增加, 一些桩相应减少。对于一柱一桩、双桩承台及单排桩承台梁的弱轴方向偏位, 还会对桩产生附加偏心弯矩。

桩位发生偏差会导致基础受力状态的改变, 如桩位偏差会引起基础弯矩改变, 可能造成局部弯矩增大;对于边桩, 当桩位出现向基础外边缘偏差时, 引起桩对基础冲切面的改变, 造成冲切承载力不满足要求。

桩位偏差可能造成桩群承载力合力点与荷载合力作用点出现偏差, 严重时可引起承台的扭转或建筑物的整体倾斜。《建筑桩基技术规范》中3.3.3条规定“宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合”。

对斜桩引起的桩偏位, 由于计算复杂且准确度低, 建议进行垂直度纠正, 通过垂直度纠正使桩位偏差满足规范要求。

对于垂直状态桩偏位超出规范规定时, 应根据实际桩位重新进行计算, 校核桩承载力是否满足要求、对承台或筏板弯矩和冲切的影响、承载力合力点与荷载合力作用点的关系等, 如果满足规范要求, 可不进行处理。如不满足要求可采用补桩、增大承台面积、调整配筋等方法进行处理。

灌注桩是置于土中的钢筋混凝土构件, 其作用是将上部结构的荷载传递给桩侧和桩端土, 因此, 桩身混凝土强度、配筋和桩的截面要满足传递上部结构荷载的承载能力。受地质条件、地下水、施工工艺和操作水平的影响, 在基桩验收过程中, 常常发现桩身混凝土强度达不到设计要求、桩身颈缩甚至断桩的质量问题。

当出现桩身混凝土强度达不到设计要求、桩身颈缩甚至断桩的质量问题时, 可按照以下原则和顺序进行处理: (1) 分析桩身出现质量问题的原因; (2) 分析是否扩大检测范围; (3) 分析对工程安全的不利影响; (4) 确定加固方法。

桩身混凝土强度达不到设计要求可按部位分为桩头附近混凝土和桩身混凝土达不到设计要求两种情况。混凝土强度不足尤其是桩头附近混凝土强度不足是经常出现的质量问题, 特别是水下灌注混凝土, 而由此引发的桩静载试验中桩头被压坏的情况也是时有发生的。因此, 对桩身混凝土强度达不到设计要求的质量问题进行分析与处理是非常有必要的。造成混凝土强度达不到设计要求的可能原因如下。

《建筑桩基技术规范》规定水下混凝土灌注桩超灌高度宜为800~1 000mm, 这主要是为了保证桩头部位混凝土的强度。最先灌注的桩底部的混凝土被后续混凝土逐渐顶升到桩头部位, 因此水下灌注桩桩头部位的混凝土是最先灌注的。受桩底沉渣、护壁泥浆、孔壁形状、钢筋笼和桩长的影响, 需要超灌足够的高度才能保证桩头部位混凝土的质量, 因此, 保证稳定和足够的超灌高度对于确保桩头部位混凝土强度是必要的。一些工程由于超灌高度控制不好, 出现超灌高度差异过大的情况, 如图4a所示。混凝土超灌高度低于规范规定, 可能造成桩头部位混凝土强度达不到设计要求, 超灌过高会造成材料浪费, 增加剔凿难度。

国内苏州中海昇公司研发了控制灌注桩桩头质量和超灌高度的智能仪器, 该产品一方面可通过声波测试, 判断桩头部位混凝土的强度是否满足要求, 另一方面可控制混凝土超灌高度。图4b为施工中采用该智能仪器监测后, 某工程灌注桩开挖图片, 从图片可看出, 灌注桩桩头高度基本一致, 检测混凝土强度均达到设计要求。

《建筑桩基技术规范》中6.3.30条对混凝土导管底部至孔底的距离进行了规定, 即“导管底部至孔底的距离宜为300~500mm”。一些工程技术人员认为只要满足规范的规定就够了, 实际上规范还规定:“应有足够的混凝土储备量, 导管一次埋入混凝土灌注面以下不应小于0.8m”。对于小直径桩这一点很容易满足, 但对于大直径桩, 如作者正在参与的江苏某工程, 桩径2 600mm, 需满足规范要求一次连续灌注混凝土量要超过7m³。如混凝土量准备不充分, 可能造成桩身混凝土质量问题。

地下水的流动造成尚未凝固的混凝土中水泥颗粒被带走, 使混凝土强度降低甚至没有强度。图5为浙江某项目灌注桩钻芯取样图片, 从图片可以看出, 桩身下部混凝土呈散体状, 基本没有强度。扩大调查发现, 场地内所有桩基本在同一高度附近混凝土均没有强度。调查发现在此高度附近存在岩石裂隙水, 裂隙水的流动带走水泥颗粒, 影响混凝土强度。

人工挖孔桩受地下水影响, 孔底出现积水, 初始灌注的混凝土被水稀释, 导致桩端部混凝土强度低。虽然混凝土灌注前会排除孔底积水, 但在一些地质条件下, 如桩端为透水性强的粗颗粒土或富含水的岩石裂隙时, 在很短时间内就会重新出现积水, 造成混凝土强度低甚至没有强度。图6为山东某人工挖孔桩静载曲线, 其中2根桩承载力满足设计要求, 1根桩不满足要求。调查分析事故原因为桩端部位混凝土强度低, 造成承载力不满足要求, 而造成桩端混凝土低的原因就是混凝土灌注前孔底存在较高积水, 桩端为透水性强的碎石土。当孔底水不能保证排除彻底时, 如孔底水位高时可采用水下灌注混凝土工艺;如水位低时, 可先投入和混凝土相同类型的水泥, 搅拌成水泥浆, 水灰比应<0.5。

当然, 施工过程的偷工减料、导管接头密封不严等也可能造成桩身混凝土强度达不到要求, 这属于施工管理问题, 这里不再多述。

桩颈缩影响桩身承载力, 造成桩身出现颈缩的可能原因如下。

1) 桩长范围内存在软弱土层, 混凝土灌注未凝固前, 软弱土层在上层土重力作用下, 向孔内挤压形成颈缩。

2) 桩长范围内存在膨胀土, 遇水膨胀, 形成缩孔。

3) 饱和黏性土中采用挤土效应的施工工艺。

4) 放置钢筋笼子后未及时灌注混凝土, 空孔时间过长引起孔壁土侧向挤出。

断桩是灌注桩施工过程中容易出现的一种工程质量问题, 断桩不仅造成桩竖向承载力不满足要求, 且对水平承载力有很大影响。造成断桩的可能原因如下。

1) 饱和软土地基采用挤土桩。

2) 螺旋钻压灌桩提钻太快, 泵送混凝土跟不上提钻速度。

3) 水下灌注混凝土过程中导管拔出混凝土面。

4) 桩身范围内混凝土凝固前地下水的流动。

1) 当桩顶混凝土强度达不到设计要求时, 可采用剔凿方法, 凿掉不满足要求的混凝土, 后采用高强度等级混凝土进行浇筑。

2) 当开凿困难如地下水位高时, 可采用钢筋补强法, 即根据实际混凝土强度等级和设计的差值, 采用植入钢筋来补偿承载力的差值。

3) 当桩身下部混凝土强度不满足要求, 但和设计要求差别不大时, 可根据此部位的实际荷载和混凝土的实际强度, 验算是否满足受力要求。如仍不满足要求, 可采用钢筋补强法。

4) 当桩出现颈缩时, 应判断颈缩位置和颈缩的严重程度。对于深部桩颈缩, 可采用静载法检验桩身承载力能否满足传递上部荷载的要求, 即采用大于承载力特征值1.4倍的荷载, 对桩进行预压, 如桩身不被压坏, 可不处理。如不满足要求, 可采用钢筋补强法。

5) 浅部断桩应进行加固处理, 最可靠的方法首选钢筋补强法。对于深部断桩, 当不影响桩竖向和水平承载力时, 可不处理。

6) 当以上方法均不能满足要求时, 需进行补桩处理。

钢筋补强法的原理是利用钢筋 (型钢) 的强度来补偿桩身混凝土强度的不足, 让桩身具备传递上部结构荷载的能力。具体做法是从桩顶钻孔, 考虑受力的均衡, 一般可钻3个孔, 孔径根据计算需要的钢筋面积确定。具体可按下式计算:

式中:A_s为钢筋面积;f'_y为钢筋抗压强度设计值;A_p为桩身截面面积;f_c为桩身混凝土轴心抗压强度设计值。

钻孔深度需超过颈缩、断桩或劣质混凝土下40 d, d为钻孔直径。钢筋补强法如图7所示。

钻孔完成后, 放入钢筋 (型钢) , 同时放入注浆管至加固部位, 空孔部位采用高强度等级混凝土灌注。待孔内后浇混凝土凝固后进行注浆, 注浆要求参考《建筑桩基技术规范》。注浆一方面对裸露钢筋进行保护, 另一方面加固被扰动的周围土。

处理灌注桩桩位偏差超出规范规定、桩身混凝土强度达不到设计要求、桩身出现颈缩以及断桩等工程事故时, 应注意以下几点。

1) 分析基桩偏位的特征、类型、原因及可能产生的危害, 进而确定计算方法。根据分析和计算结果确定处理方法, 如满足要求可不处理。

2) 桩身混凝土强度不满足要求、颈缩或断桩等工程质量问题会影响桩传递荷载的能力, 此时应全面分析判断事故原因以及对工程安全的影响, 如需加固, 钢筋 (型钢) 补强法是处理此类问题的有效方法。