锤击法打桩造成超长管桩破损的原因分析与防范措施

　　0前言

 

　　预应力混凝土管桩打桩工程施工时，经常发生桩顶碎裂及桩身裂缝现象，当桩长超过50m时，更容易出现上述问题。桩损坏后必须采取加固补强或补桩等措施进行处理才能满足工程结构使用要求，因此探究管桩破损的原因及防范措施具有实用价值。

 

　　1某项目桩基工程简介

 

　　宁波某工程项目地基持力层为淤泥质土。设计桩型为宁波市建筑设计标准通用图集《先张法预应力混凝土管桩》DBJ02-10-99中的PHC-AB550（125）（单桩竖向承载力特征值3250KN，桩长60m），总桩数共计180根，采用锤击打入方法施工。由于设计人员选用端承摩擦桩，所以在打桩施工时以桩长为参考指标，以贯入度为控制指标。桩的质量检测要求进行高应变动力检测的桩数不小于总桩数的2%，且不少于5根；进行低应变动力检测的桩数不少于总桩数的30%。施工采用8t锤打桩作业，确定停锤标准为：连续三阵，每阵（10击）贯入度不大于5厘米，桩端进入持力层深度进入第8层≥3米。配桩方案为每套4根15米桩，长度60米。打桩完成后，经过15天养护，将桩头挖出，对5根桩进行了高应变检测，对60根桩进行了低应变检测（抽检率33%）（表1）。另有3根桩在地面以上位置桩头被打碎。

 

　　表1管桩低应变检测情况表

 

　　按桩基施工规范要求，Ⅲ类桩与Ⅳ类桩必须经过加固补强并且达到原桩设计强度才能使用，因此，本工程项目运用了原位处理技术对缺陷桩进行了处理，Ⅲ类桩采用桩芯加固法进行处理，Ⅳ类桩用套打钢管桩法进行了补桩处理，桩头被打碎的桩，采用环氧树脂锚固配合钢套管接桩法进行处理[1]，处理后的桩经检测全部满足设计要求。

 

　　２本工程项目桩的破坏特征

 

　　锤击法打桩时，管桩一般的破坏形式分为两大类：一是桩顶混凝土碎裂；二是桩身出现裂缝(图1）。桩顶混凝土碎裂表现为桩顶混凝土劈裂和破碎两种形式；桩身裂缝表现为桩身竖向裂缝、横向水平裂缝、接头焊缝开裂三种形式。

 

　　图1管桩桩头破碎与桩身断裂

 

　　通过对桩检测结果的分析发现本工程项目管桩的破坏有以下特征规律：

 

　　（１）Ⅲ类桩的破坏部位基本在最后一节管桩的接头部位附近（距桩接头位置3m以内）出现裂缝，且裂缝近似呈水平状。

 

　　（２）部分管桩最后一节桩的桩头被打碎。

 

　　３桩破损原因分析

 

　　随着桩的长度增加，打桩施工时桩身与土体摩阻力将增大很多[2]，当摩阻力超过桩身混凝土抗拉强度或桩顶混凝土强度不能抵抗桩锤的冲击强度时，就发生了上述现象。

 

　　依据桩破损的特征规律，经过进一步调查分析，查明导致桩破坏的原因有以下几种：

 

　　3.1桩身质量问题

 

　　桩身存在问题有：①桩壁偏薄、蜂窝，这直接影响桩体强度，是出现桩身破裂的最根本的原因；②法兰和桩的中心线不垂直，存在一个夹角，这使得桩在受到桩锤冲击打入地下的过程中处于多种应力状态，桩身除了承受竖向压力与摩阻力外，还要承受侧向附加弯矩；③桩制作离心成型时桩头法兰处混凝土不密实，在受到桩锤击打冲击时，桩头容易破损碎裂。

 

　　３．２桩接头部位连接焊缝施工质量差

 

　　一般桩体连接时采用手工电弧焊，由于现场作业条件差，手工电弧焊（水平环缝立焊）质量不易保证，打桩时焊缝容易出现焊缝开裂缺陷。

 

　　３．３焊缝疲劳

 

　　长度50m的管桩被打入土层至设计标高，一般需要受到桩锤冲击3000-4000击。由于土体的弹性作用，桩每一次受到锤击后都会反弹，造成桩接头部位连接焊缝受力处于反复拉压交错循环状态。桩锤反复击打使桩接头焊缝疲劳开裂。

 

　　３．４打桩过程中的摩阻力使桩体产生拉应力，桩身拉应力超过自身混凝土抗拉强度

 

　　桩在受到击打作用力后，桩深入土层过程中土层与桩之间的摩擦力反作用于桩身，使桩身混凝土产生拉应力。由于混凝土抗拉强度低（混凝土具有抗压强度高，抗拉强度低的特性），当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，桩身将出现水平(或近似水平）贯通裂缝。最后一节桩锤击过程中受到的反力最大，对桩的破坏也最大。桩长度超过50m时，这种作用非常明显。

 

　　３．５打桩冲击能量的作用使得桩体损伤

 

　　打桩冲击能量大，桩头部位直接承受桩锤击打而造成损伤。

 

　　4防范措施

 

　　针对桩损坏的原因，在后续工程实践中在桩的制作及打桩施工工艺方面还采取了下列防范措施，降低了桩破损的机率，减少了因桩加固处理而发生费用损失及工期的延长。

 

　　4.1控制好进场的桩的质量

 

　　采用合格证及现场抽验双控的方法，保证桩本身的质量达到合格标准。一经发现不合格的桩材，必须做到及时清退出场。

 

　　4.2桩材制作方面

 

　　（１）桩顶1米范围内（或最后一节桩）箍筋加密到间距50mm。这样可以增加对桩顶部位混凝土的约束，增加其延性，提高其抗击打能力，防止桩头过早破碎。

 

　　（２）桩顶1米范围内（或最后一节桩）混凝土内掺加钢屑。这样可以增强桩顶部位混凝土抗拉强度，提高混凝土抗裂能（下转第158页）（上接第121页）力。

 

　　4.3施工工艺方面

 

　　（１）顶部一节桩采用厚壁桩（最上面一节桩比下面的桩的桩壁加厚，如设计桩壁厚为65mm时，可采用110mm；如设计桩壁厚为110mm时，可采用125mm）。因为最上面一节桩受到破坏最严重，采用厚壁桩可以加强抵抗打桩冲击能量的作用，减小对桩身的损害。

 

　　（２）桩与桩的连接接头采用CO2气体保护焊。这样可以提高桩接头连接焊缝质量，降低桩接头部位出现焊缝拉裂的机率。

 

　　（３）打桩作业时，每一套桩中间不间歇，一次性完成打桩过程。这样可以防止扰动后的土体对桩身摩阻力恢复，相应减小了桩身所受到的拉应力。

 

　　5结束语

 

　　当设计预应力管桩每套桩的长度超过50m时，采取上述防范措施打桩作业桩头破碎及桩身裂缝现象明显减少。经过低应变检测Ⅲ类桩出现几率降低了很多，经过高应变检测或静载实验检测承载力符合设计要求，因此该措施具有较好的应用价值。

 

　　当桩的长度在50米以内时，打桩时桩受到的冲击次数较少，桩破坏现象不十分明显。虽然采取上述做法同样可以有效发挥作用，但需要增加费用投入，经济效果降低，因此不建议采用此措施。

 

　　【参考文献】

 

　　［１］李旭阳．管桩原位处理技术在桩基加固工程中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014，2(17).

 

　　［２］叶观宝.地基加固新技术(岩土工程师培训与注册用书)[M].机械工业出版社，2007.