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岩土研究院

某工程夯扩桩质量事故分析

310 2022-07-12 09:51:30

一、概 况

该工程为某房地产公司开发的安居工程,工程总建筑面积近 6000m²,住宅楼设计七层,砖混结构、基础采用夯扩桩,桩径φ377mm、有效桩长7~9m(视持力层深度而变化),设计混凝土强度等级 C20,单桩设计承载力 500kN,设计总桩数 293根。


该工程为堰塘近期回填区,其地质情况如下∶


①杂填土∶厚度0.40~5.90m,灰黄-灰色,主要为粘性土、砂卵石和少量砖块、砂浆等构成,结构松散。

②粉质粘土;厚度0~3.85m,灰褐、灰色,砂感明显,含大量黑、褐色铁锰质、少量有机质和5%砾卵石。在垂直方向上有上硬下软的特点,呈可塑-软塑状态。

③基岩∶岩性为白垩系下统五龙组泥质粉砂岩。灰红、砖红色,夹薄层泥质条带,碎屑结构,厚层构造,在控制范围内划分为三个风化带。


a.强风化带∶厚度0.2~2.6m,埋深0.4~9.10rn,似土状,普遍具塑性。b.中风化带;控制厚度 0~1.9m,埋深2.6~9.8m,原岩结构清晰。c.微风化带∶最大控制厚度3.3m,埋深 3.9~10m,岩质新鲜,岩体完整。


工程基桩施工完毕后,由煤炭部门某检测单位进行了基桩检测。共检测72根桩,其中58 根为低应变是耕砼质量利完薯性检测。14.根为高变放载力检油。检江汕统果加表 1。综

合评定结论为;"Ⅲ类桩,主要表现在桩身上部约3~3.5m左右不同程度存在缩径和离析等缺陷,单桩承载力达不到设计要求"。由干三类桩较多,按设计和工程质量监督部门意见,采用补桩的办法对工程桩进行处理,增加费用十多万元,耽误工期近10个月。


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二、夯扩桩施工情况

该工程基桩设计为夯扩桩,设计桩端持力层为砂岩,桩身上部为钢筋混凝土结构,配置钢筋为 6φ12,下部为素混凝土。夯扩桩的成桩过程是;

(1)在桩位处按要求放置干混凝土;

(2)将内外管套叠对准桩位;

(3)通过柴油锤将双管打入地基中至设计持力层深度;

(4)拔出内夯管;

(5)向外管内灌入高度为H的混凝土;

(6)内管放入外管内压在混凝土面上,并将外管拔出一定高度h;

(7)通过柴油锤与内夯管秀打外管内混凝土;

(8)继续夯打管下混凝土直至外管底端深度略小于设计桩底深度(其差值为C),重复(4)~(8)步骤进行二次夯扩;

(9)拔出内夯管;

(10)在外管内灌入桩身所需的混凝土,并在上部放入钢筋龙;

(11)将内夯管压在外管内混凝土面上,力压边缓慢起拔外管∶

(12)将内外管同时拔出地面,则成桩过程完毕。


三、基桩检测方法

该工程的基桩质量检测。检测单位使用的是低应变应力波反射法和高应变凯斯法。现把其基本原理介绍如下;

1.反射波法

在桩顶施加一脉冲激励力。桩顶将产生振动。不同的激振力量级和激振脉冲力的频谱成分将产生三种主要振动模式,

①桩身内及桩周十层的质点振动∶

②当桩可视为一维杆件时的纵向多阶共振;

③桩土体系共振。振动以应力波的形式在桩身中传播。由应力波理论知,桩身横截面积的变化、混凝土的质量缺陷(如离析、夹砂、裂纹等)、桩底介质的变化等都会使波阻抗发生变化。在波阻抗变化处将产生波的反射与透射。同时还会产生折射,波动由桩身折射扩散到桩周土层,即产生能量的折射损失。反射波与入射波均被署于桩而的传感器接收,由桩基动测仪采样并转换为数字量,然后送入计算机进行处理分析,显示并打印出波形曲线及有关数据。根据直达波、缺陷反射波、桩底反射波的相位、振幅、频率三个判据进行缺陷类型的分析,再借助成桩工艺、施工记录、岩土工程资料等综合分析判断,分析可能出现那些缺陷和缺陷部位。由 E=pC²得知,波速也是反应混凝土质量好坏的一个参数。大量实验表明,波速越大,混凝土抗压强度越高,质量越好;反之则较差。


2.高应变法

高应变动力试桩,是用很高的锤击力施加于桩顶,使土体中产生强烈的非弹性变形,桩-土之间发生相对移动。应力波沿着桩身传播时,桩可看作一根弹性杆件。伴随着应力波的传播,同时产生了力的传播和速度传播,杆件的每个截面都将产生轴向运动(位移、速度、加速度)和轴向力(应力、应变)的作用。在检测截面(一般桩顶下 1~2倍桩径)安装力传感器和加速度计,测得桩身该截面的力 F(t)和运动速度 V(t)。在F-V图上表现为桩身阻抗和土阻力随时间的变化。桩身阻抗的变化表现为∶阻抗减小将产生上行的拉力波,到达检测截面时引起力值的减小和速度值的增大;阻抗增大将产生上行的压力波,到达检测截面时引起力值的增大和速度值的减小。土阻力的变化表现为;设在桩身下深度为z 处某截面受一土阻力的作用,对处于该截面以上的桩段,将产生一个上行的压力波;而处在该截面以下的桩段,将产生一个下行的拉力波。基桩的极限承载力,可以用凯斯法(Case)、波形拟合分析法等计算分析得出。


四、工程基桩质量事故分析

本工程的工程质量事故,施工过程中没能严格按照有关施工程序进行,造成基桩局部混凝土质量较差、存在桩身缺陷是一个原因,而检测方法的局限性也是不容忽视的一个因素。


1.施工质量存在着问题

我们发现很多超长钢筋外露较长,有的外露钢筋由于内夯管的挤压还发生 了弯曲变形,这是夯扩桩施工工艺所不允许的。夯扩桩施工时钢筋龙的埋设一般应使其顶端稍低于超潇混凝土面。以使内夯管下压过程中将混凝土压密实,拔管时应将内夯管连同桩锤压在超灌的混凝土面上,随外管缓慢均匀地上拔,内夯管徐徐下压,直至同步终止于施工要求的桩顶标高。钢筋外露,内夯管只能压在超长的钢筋上,桩身的塑态混凝土顶面与内夯管之间将形成一段空隙,拔管时夯管就可能由于摩擦而带动混凝土上移。一旦拔管速度过快,再加上没能很好地振捣,桩身就会出现离析、缩径甚至断桩。


2.应力波反射法

只是定性地反映桩身阻抗的变化当桩身阻抗发生变化时,将产生应力波的反射。而阻抗的变化是多方面的,产生信号反射的原因也很多。所以,从一条曲线分析桩身情况,必须综合考虑桩身结构、材质、施工工艺和桩周土层的地质情况,才能正确判定基桩质量和完整性。本工程基桩桩身结构为;上段是钢筋混凝土结构,钢筋龙长度为4.0m左右;下段为素混凝土结构;这样在上下段之间将产生一个由高阻抗到低阻抗的变化界面。应力波到达该界面时即会产生一个同相位的信号反射。对于正常施工的桩也可能误判为缺陷。


3.桩身结构和施工工艺特性的综合影响

前面已经比较详细地介绍了该工程桩的施工工艺。施工是先浇灌下面的素混凝土桩段再安装钢筋龙浇灌上面的桩段,这就会造成上下段在施工中的不连续。我们知道,组成混凝土的成分是粗骨料、砂、水泥,它们加水混合后,形成塑态混凝土。在基桩浇滥时,就会出现各组成成分、粗细骨料甚至水泥浆自身的上下分离现象一—即离析(这种现象,在15×15×15cm³的混凝土试块中也会出现,因此在进行试块的抗压强度试验时,避免竖向加压而压其侧面以得到强度均值)。对两根三类桩开挖验证,在素混凝土与钢筋混凝土的交接处,卵石含量较少,甚至无卵石,只是水泥砂浆或水泥浆,混凝土质量较差。因此,在素混凝土段的顶面(即上下段之间的交接处)混凝土质量将会相对稍差。


4.高应变使桩身损坏

我们对进行过高应变的两根试桩进行了低应变完整性检测,检测结果(图1)为断桩,"而开挖验证桩身并看不出施工造成的断桩现象,只是素混凝土与钢筋混凝土的交接处,卵石含量较少,甚至无卵石,只有水泥砂浆或水泥浆,混凝土质量稍差。因此,断桩波形很有可能是高应变测试时使桩损坏。高应变使桩身损坏的原因有以下几种;


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(1)拉应力使桩拉裂

工程桩设计单桩竖向极限承载力1000kN,高应变动力试桩采用设计极限承载力1%的重唾。即锤重 10kN。为了充分激发基桩的承载力,重锤必须提高到一定的高度锤击桩顶。锤击应力波到达桩端后,由于桩端持力层为基岩,将产生压力波自桩端向上反射到桩头。若此时力锤与桩接触,则反射到桩顶的压力波,又一次以压力波的形式向下反射,如此反复不停。由此而传给重锤的力可达到使重锤反跳的程度 (实际工程检测中,出现这种情况是很少的。因为重锤锤击桩顶后都有一定的反跳,而对于比较短的桩其反跳时间一般大于应力波反射到桩顶的时间);若此时重锤不再和桩顶接触,则自桩端反射到桩头的压力波,将以拉力波的形式又向下传播,即在桩头产生拉应力,如同在桩头施加一个拉力。而该场地上部土质大部分松软,拉力在上部土层中逸散的能量较少,其大部分能量将向桩的下部分传播。基桩的上段为钢筋混凝土桩,下段为素混凝土桩,上下段之间可能出现一个强度相对较弱的段或面。上部的钢筋混凝土承受的拉力较大,被拉断的可能性较小;而下部素混凝土的抗拉强度很低,拉应力到达素混凝土界面时,由于其强度相对较低,首先被拉断的可能性极大。


(2)压应力使桩压损

上段钢筋混凝土可承受的压应力大于下段的素混凝土可承受的压应力;由于上下段交接处的混凝土质量稍差,高应变动力试桩锤击力一般在 1000~1500kN。上部土质松软,逸散的能量较少,在上下段之间的薄弱处被压坏的可能性很大。


(3)锤击偏心使桩损坏

高应变试桩时,重锤提升1000毫米左右的高度,很难保证重锤重心与试桩严格对中。面桩身上部周围的土质松散,对桩的约束力较小,上段的钢筋混凝十桩强度和刚度都较大,不易损坏,一且偏心,上下段交接部位很容易被破坏。


五、几 点看法

从以上的检测结果和理论分析,本人提出以下几点看法,供同行们讨论∶


1.夯扩桩的施工必须按照有关施工技术标准和规程进行。对于非通长配筋的桩,应严格控制混凝土的工作性,使下部素混凝土不至于产生较严重的离析。上下段之间应连续施工,浇灌上段混凝土时,对上下交接处应加强振捣。同时按有关要求制作钢筋龙,安装钢筋龙时必须保证其就位准确,特别是与下部素混凝土接触处要防止钢筋发生本形。以免影响混凝土与下部的胶结。


2.桩基检测时,应收集有关岩土工程、基桩结构设计、施工记录等资料。在现场检测过程中,应多观察、了解施工情况。对于信号的分析,不能只局限于波形的判读,应综合多方面的情况、采用不同的检测方法做出正确的判断。


3.工程设计、施工和质量管理人员,应了解各种基桩检测方法的基本原理及其适用条件。对于不同的桩基。采用不同的检测方法。对于本工程,持力层为基岩。因此,作为持力层的地基承载力是能满足设计需要的,只要桩身强度能够满足要求,单桩极限承载力是完全可以达到设计要求的。所以,应采用低应变反射波法检测桩身质量和完整性,由于目前的低应变检测水平,对桩身质量和完整性评价是定性的。因此,可有代表性地对部分有怀疑的桩进行开挖检验以查明缺陷的程度和桩身混凝十强度,确定是否满足 工程需要。并与动测结果取得对应关系,对整个工程桩进行评价。必要时采用静载荷试验,以检验单桩竖向极限承载力。因为高应变动力试桩关于桩身的基本假定是∶

①桩是一个时刻不变的系

统,即桩的基本特性在测试所涉及的时间内可以看成是固定不变的。

②;桩是一个线性系统,即桩在总体上是弹性的。

③桩是一个一维杆件,即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的。

④破坏发生在桩土界面,可以只把桩身取作隔离体来进行波动计算,桩周土的影响都以作用于桩侧和桩端的力来取代而参加计算。高应变动力检测承载力时,该工程基桩的上下段阻抗变化较大,并不完全满足其基本假定,其检测的结果也是可疑的。况且,若仅检测桩身质量,高应变并没有低应变测试的精度高。


六、结 束 语

动力试桩具有设备轻便、检测速度快、费用低,并具有检测桩身结构完整性和桩混凝土质量,有些方法在一定条件下还可以测试单桩承载力。但是,动力试桩是一门较复杂的技术,它涉及到振动理论、应力波和行波理论、计算机技术、传感器特性和二次仪表匹配技术,还要求测试人员了解各种桩基施工工艺,具有岩土工程经验和波形分析判断经验。动测技术发展历史尚短,不少问题还处在研究探索和完善之中,基桩的模型化不一定切合实际。因此,各地区应加强检测队伍的管理,积累本地区的动-静对比经验。最后要强调的是∶就目前的动测技术水平,动力试桩只能作为静力试桩的补充,不能代替静载荷试验。