1 工程及地质概况某预应力管桩基础工程，位于深圳市龙岗大工业区。原始地貌为丘陵剥蚀残丘，后经人工整平。建筑场地呈L型，面积大体约80m×55m，周边空旷无物。设计桩基采用锤击AB型C80预应力管桩，分为Ф600、500两种，壁厚分别为130mm、125mm，单桩承载力特征值分别为2900、2300kN，桩端以全风化岩（局部强风化）为持力层，设计长度29~30m，桩中心距约3.3d~4d（d为桩径）。先开挖基坑后施打工程桩，基坑放坡开挖，深度约4.5m。基坑边距桩边最近约2.5m。根据岩土工程勘察报告，基坑内地层自基坑底面起向下依次为：①第四系坡积层（Qdl）粘土：黄红、褐红色，含2~5%石英砂砾，夹浅黄色网纹状粉砂条带，可塑状态，层厚1.6~4.2m，平均3.3m。②第四系残积层（Qel）粘土：褐黄、红黄色，由粉砂质泥岩风化形成。原岩结构尚可辨认，具风化不均匀特点，局部混杂风化碎屑。可塑~硬塑状态，分布普遍，层厚14.20～18.90m。③石炭系下统沉积岩层(C1)：主要为粉砂质泥岩，微粒状结构，厚层状构造，依据岩石风化程度可划分为全、强等风化二层（带）。全风化粉砂质泥岩：灰黄、绿黄色，岩石完全风化解体，原岩结构清晰可辩，岩芯呈土状和土夹碎块状，遇水浸泡易软化，风化不均，底部岩层夹少量强风化碎块，岩体基本质量等级Ⅴ级。场地内均有分布，层厚9.50～24.00m。强风化粉砂质泥岩岩体基本质量等级为Ⅴ级，钻探未揭穿。残积层及基岩各风化层均呈渐变过渡接触关系。粘土层渗透系数K=0.05~0.1m/d。各岩土层天然密度17.9~17.5kN/m3，压缩模量4.1~3.5MPa，其它物理力学性质指标见表1。场地地下水属上层滞水或孔隙潜水类型，稳定水位埋深0.40~1.10m。
表1 各地层主要物理力学性质指标
Table 1 Parameters of soil
2 施工过程及挤土现象2006年3月底至4月下旬，完成基坑开挖、护面、排水、垫层等工作。21日，两台柴油打桩机采用62#桩锤，分别试打了一条Ф500、600管桩，情况正常，现场确定收锤标准为最后10击贯入度20mm。23日正式打桩，均采用3节桩，圆锥闭口型钢桩尖。24日下午，施工人员听到已施打的桩孔内有异物掉入的响声，观察到地面有轻微隆起。25日上午打桩时听到打过的很多桩内都有响声，用手电筒照射桩孔内查看，多数桩从第1节与第2节接桩处向内渗泥，少数桩在第2、3节接桩处渗泥，响声即泥巴被震落到桩孔内发出的。桩孔内有积水，少数桩水位较高，超过了第1节桩。桩身环向裂缝较多，多半出现在第2节桩上，部分第3节桩有少量竖向裂缝。少数环向裂缝是沿桩全断面的通长裂缝。大部分环向裂缝渗水。多数桩中下部倾斜，少数桩接桩处明显偏斜并错位。地面已打桩区域及附近有数条裂缝，最宽约5、6cm，最长20多米。地面有明显隆起，高约5~20cm。局部有地下水渗出汇集。遂暂停施工。此时已施工43条桩。相关人员对管桩的质量、施工工艺、施工顺序等进行了全面检查，未发现问题。实际桩长22~30m，锤击总数一般六、七百击，其中前两节一百多击，后一节五、六百击，均为本地区正常范围。打桩过程基本正常，只是第2节桩进尺5~8m开始进入全风化层时，有走位、跳动现象，继续进尺后恢复正常，从打桩过程判断地质情况与岩土工程勘察报告基本相符。专题会议研究后决定采取更换管桩厂商、跳打、改用开口型钢桩尖、严格控制施工质量等措施，重点控制施工中的垂直度、焊缝质量、接头同轴度、错位等，同时采用低应变法对已施工管桩进行质量检测，进行施工勘察确认地质条件有无异常。施工单位严格采取了上述措施，如采用两台全站仪从相互垂直的两个方向对桩身垂直度进行了观测，控制第1节桩垂直度偏差小于0.2%；采用了本地区最好的焊条及高水平电焊工，分两层施焊接桩，焊缝自然冷却时间8分钟以上等，保证了施工质量达到或超过相关技术规范规程。5月6日、7日又试打了10条开口桩及1条闭口桩，打桩一两天后仍出现同样现象。至此，可以认为上述现象与施工质量或管桩质量关系不大，主要是管桩挤土效应所致。已施工管桩平面位置如图1所示。施工中观察到，挤土效应对桩的影响分两种情况：①后施工桩对已施工桩的影响：后施打的桩下沉过程中，造成前一条桩下半部分反向倾斜，如图2(a)所示，入土桩数越多这种现象越明显。设计人员将某个承台下的Ф600管桩改为Ф500，即桩心距从3.5d改为4.2d，该现象依然存在。如果一个承台同一断面有3条桩，一般先施打中间桩；施打第2条桩时，位于中间的第1条桩反向倾斜；施打另一侧的第3条桩时，中间的第1条桩下半部分再次反向倾斜，如图2(b)所示。此外，后施打的桩对已施打的桩有上抬作用。②已施工桩对后施工桩的影响：后施打的桩贯入过程中下半部分向已施工桩的方向倾斜，如图2(c)所示。已入土的下节桩倾斜后，端面不水平，而待焊接的上节桩垂直，故上下节桩环型接头板连接不紧密，四周围焊后环型端头板中心仍有空隙。第2、3节桩之间空隙较大，一般3~5mm，最大达25mm，第1、2节桩之间空隙不明显，但施打后，表现为第1、2节之间倾斜较严重（开口桩由于第1节基本上被泥水淹没，不能进行比较）。每个承台第一条桩不倾斜，越后打的桩倾斜的可能性越大。图1 已施工管桩平面布置图
Fig.1 Plan view of the drived Concrete pipe pile
图2 不同施工顺序对管桩的影响
Fig.2 Influence of the different order of construction
5月5日至8日补钻了3个孔进行施工勘察，最近一个孔离某已施工桩距离约2.5m，其余相距较远。取土样、水样进行土工试验分析，与原勘察时相比无变化。同时对一半已施打的管桩进行了低应变测试，检验成果颇出乎意料：约一半为Ⅰ类桩，一半为Ⅱ类桩，仅有一条为Ⅲ类桩，该Ⅲ类桩在第2节与第3节桩接桩处有缺陷。本地区工程经验认为类似场地低应变有效检测桩长一般14、15m，而本工程中第1、2节桩接桩处深度约为15~18m，且第2、3节桩接头处多有缺陷，故低应变法不能检测到第1、2节桩接头处是否有质量缺陷。低应变检测结果与肉眼观察到的情况不尽相符，而且低应变法不能检测到桩身偏斜度，故该检测结果没有作为已施工管桩质量评定的依据。5月11日至18日，对该Ⅲ类桩（也是肉眼观察到的第2、3节桩之间错位最严重的一条桩）采用人工挖孔桩型式进行了开挖检验。开挖至约3.5m时发现桩孔土层明显变软，向承台中心侧相变为软泥。越向下开挖土体越软，由于开挖困难，采取了打短钢筋超前支护、将每节护壁高度降为0.5m等措施。开挖约7m至第2、3节桩接桩处，此时向承台中心侧早已相变为流动状稀泥，如图3所示，施工人员不能站稳，沉陷泥中30~40cm。背承台中心侧也很软，人员站上后沉陷约10cm，软泥与稀泥之间无明显界线。检查管桩，发现两节桩从焊缝处完全脱开，第3节桩平移约30mm，上浮至少20mm。图3 开挖检验桩位置示意图
Fig.3 Plan view of the excavated pile
3 原因分析通常认为，沉桩过程中，桩锤对桩顶连续施加冲击荷载后使桩尖刺入土中[1]，桩尖下土体承受桩传来的应力，初始应力状态受到破坏。当所受应力超过其抗剪强度时，桩尖土急剧变形达到极限破坏，产生塑性流动，被向下及侧向压缩挤开，形成连续滑动面，桩尖则继续刺入下层土中。桩向下位移时由于摩阻力带动了桩周土向下位移，在桩周土体中产生剪应力，该剪应力一环一环从桩周向外扩散，越来越弱。在剪应力、径向挤压力及反复震动等因素共同作用下，桩周土受到扰动，土体结构沿径向产生不同程度的破坏，按破坏程度从桩周向外围可分为重塑挤密区、扰动区及基本不扰动区[2]。土体遭受强烈扰动发生流动变形时，在桩周一定范围内产生超孔隙水压力，孔隙水压力消散使重塑挤密区及扰动区土体得到密实。本场地土体工程特性遇水浸泡后易软化，场地地下水水位高，土体饱和，桩周土体结构被剧烈扰动后与孔隙水或滞水混合成了稀泥。接桩处渗漏的稀泥应是水土充分混合后形成的，与挖桩观察到的稀泥性状相同，不像是水流动时带走细粒土而形成的泥浆。桩周土在单桩施打过程中很可能就已经部分相变为稀泥，证据是最早进行的1号试桩。该桩直径500mm，与其它后施打桩相距至少13m，应不会受到后施工桩的挤土影响，其第2、3节桩接头处也有渗泥。但并非所有的桩周都产生了稀泥，正如挖桩时看得的那样，桩周土软化程度不同，另外，少数桩虽从接头处渗水但没有渗泥。观察到第1、2节桩接头处已有稀泥，因接头一般已进入全风化岩3~6m，即稀泥底面埋深至少应有16~19m。桩端下应无稀泥，原因为：沉桩阻力由桩周土侧阻力及桩端土端阻力组成，在周期荷载、孔隙水压力等因素作用下，桩周土抗剪强度逐渐降低直至其重塑强度，本工程中部分甚至已呈流动状态基本失去了强度，桩顶荷载主要由桩端土承担，如果桩端土已软化，必然可以从贯入度等施工参数中得到体现，而施工过程中桩端土一直表现为硬土。这也同时说明了稀泥的范围没有超过3d，因为管桩的中心距一般3.5d~4d，如果稀泥的范围超过了3d就会影响到相邻桩。此外，某补钻的勘察孔离已施工管桩约4d，土工试验结果表明钻孔土样并未受到扰动。挖桩时发现稀泥半径至少2m，即离管桩表面至少约3d距离，看来应该是多根桩产生的稀泥叠加在一起了。后施工的桩加大了已施工桩桩周土的软化程度。图3中开挖桩离群桩较近的那侧桩周土已呈稀泥状，而较远的那侧则是软泥，当然，这也许和孔隙水压力消散及土的强度恢复有关系。桩周土软化及桩端土坚硬解释了桩身倾斜的原因。先施工的桩中部桩周土软化后，对桩的约束力变小，后施工桩贯入过程中的强大径向挤压力通过桩间土传递到已施工桩。桩身上部靠近地表的土体由于产生裂缝、隆起等现象，孔隙水压力消散很快，孔隙水沿桩身或裂缝上升，尽管土体也受到扰动，但结构被破坏程度不大，其强度仍较中部高很多，侧向约束仍较强，大大限制了桩顶及桩间土的侧移。先施工桩在两端相对固定的情况下，受后施工桩挤土影响中部产生挠曲变形，使桩身出现水平张拉裂缝或使原裂缝加大直至断裂，断裂后接桩处出现了水平方向错动，使桩身倾斜。后施工桩对先施工桩的影响随着入土桩数的增加有加大趋势。同时，先施工桩由于桩周土已经软化，造成后施工桩挤土有了方向性，后施工桩桩尖更容易向土较软、约束力较小、即已施工桩一侧偏移，造成桩身倾斜。桩身接头处的裂缝及其它环向裂缝，则应主要或最早由锤击压应力在桩端反射回来的拉应力造成的[3]。从桩端反射回来的拉力波沿桩身上行，与从桩顶下行的压力波叠加后，在桩身某一部位产生净拉应力。正常情况下拉应力也许并不大，但本工程中，管桩贯入过程中桩顶渐渐不平使锤击偏心、桩身倾斜后桩机矫正桩位使桩身受弯、接头处不严密有空隙、桩身弯曲等因素，都可能造成锤击应力大幅增加。此外，管桩受冲击荷载时是处于三向受力状态的，桩周土对桩有压应力，桩周土相变为稀泥后，围压力大大增加，使管桩可承受的拉力降低，在拉应力作用下，桩身更容易出现裂缝。已施工桩受到后施工桩的水平挤压、隆土的上浮等因素，使裂缝宽度加大。第3节桩的少量竖向裂缝，则主要由锤击压应力反复作用引起的。4 处理方案5月20日，工程相关各方开会研究下一步施工方案，会上提出了可尝试预钻孔、降水等辅助沉桩措施，可设计变更为排土桩，可采用静压法沉桩等。笔者认为，没有证据表明预应力管桩不适合本场地，如采用静压法沉桩，一可避免了锤击应力产生的裂缝，二是没有震动扰动应不会产生稀泥，应可行，优于其它方案。四周边桩因静压桩作业面不够，可采用锤击法施工，因桩数少且基本为单柱单桩，挤土效应不会对桩产生太大影响。已施打的管桩，可洗净桩孔后浇灌C30混凝土，并局部补桩。该建议得到采纳并实施。施工进展顺利，静载荷试验及高应变检验结果正常。该建筑目前已投入使用一年多，情况良好。5 结束语在坚硬粘土中锤击沉桩，通常情况下由于土体抗剪强度高、受挤压后易产生裂缝有利于孔隙水的消散从而减少了孔隙水压力的影响程度和范围等原因，挤土效应不太明显，故没有得到在饱和粘性土及砂土中打桩那样的广泛关注和研究。实际上，在深圳地区，已经发生多起硬土场地锤击管桩工程质量事故。另一起比较典型的案例是某通讯公司工业厂房锤击管桩工程，主要地层为花岗岩残积土，出现了大面积断桩现象，最后改为了灌注桩。桩周产生深厚的软泥可能是导致锤击管桩失败的因素之一，泥浆阻断了排水通道，使孔隙水及孔隙水压力迟迟得不到消散。本工程挖桩表明管桩施工完1个月后，桩周仍存在着流动状的稀泥。而稀泥产生的条件，应该与粘性土的工程特性及饱和度有关[4]。都有哪些因素导致了某些硬土场地不适合锤击管桩，还需要更多的工程实践和研究。
参 考 文 献 [1] 桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册.北京:中国建筑工业出版社,1995.[2] 周健,吴世明,徐建平.环境与岩土工程.北京:中国建筑工业出版社,2001.[3] 陈凡,徐天平,陈久照,关天军.基桩质量检测技术.北京:中国建筑工业出版社,2003.[4] 丘建金.深圳地区花岗岩残积土工程特性与加固技术.岩土工程界增刊,2004:1-4
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