李东海，陈奕柏，谢洪波，张亚惠
（海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228）
[摘要]针对海口某滨海软弱地基工程试验桩单桩抗压承载力远未达到设计承载力要求即已失效状况，采用钻芯法、高应变法、超声波法对基桩进行检测，并结合桩身内力测试与计算，从设计和成桩工艺两方面分析基桩失效的机理。研究结果表明，成桩时间延长将使桩侧泥皮厚度增大，影响侧摩阻力较大土层的侧摩阻力发挥。后压浆施工控制不到位，未能达到固化桩侧泥皮、桩底沉渣的效果。
[关键词]地下工程；灌注桩；静载试验；后压浆；分析
[中图分类号]U443. 15+4 [文章编号]1002-8498(2016)09-0111-04
1 工程概况
该工程位于海口市滨海地段，拟建高度为250m，是海口市地标性建筑。建筑工程场地由浅海吹填而成，工程试桩场地各土层的物理力学指标及主要工程参数如表1所示，试桩地质剖面如图1所示。勘察期间测得地下水稳定水位为0. 50~2. 40m，地下水位波动幅度2.00m左右。
2试桩设计参数及成桩工艺
2.1试桩设计参数
本工程所有桩为端承摩擦钻孔灌注桩，设计试桩直径600mm，有效桩长29m，单桩极限承载力5 000kN，桩身混凝土设计强度35MPa，以第⑧层粉质黏土层作为桩端持力层。
2.2试桩成桩工艺
试桩的成桩工艺为：①采用泥浆护壁回转钻削正循环工艺成孔，钻机型号为GPS-10，成孔后进行一次清孔；②钻孔成型后，采用伞形孔径仪等检测仪器进行成孔质量检测；③下放钢筋笼，钢筋笼各节之间用套筒连接，下放钢筋笼之前需进行二次清孔；④灌注混凝土，采用导管法水下灌注混凝土；⑤为消除桩顶标高位置以上土层对单桩竖向静载试验承载力的影响，试桩设计标高以上部位用钢管双套筒与桩周土体隔离。
2.3后压浆技术
后压浆技术能有效提高桩的承载力，提高比例为30%~40%。本工程试桩后压浆采用桩侧桩端联合压浆方式，在桩顶以下10，20m处桩侧各布置1个具备逆止功能的注浆阀，桩端布置2个注浆阀。采用ɸ300mm×3mm钢管作为压浆导管，最大压强为4MPa的压浆机进行压浆施工。压浆作业在成桩2d后开始，由上往下依次压浆，浆液水灰比为0.5，压浆流量60 L/min，注浆压力在1.2~4.0MPa，软土取低值，密实黏性土取高值。每道压浆间隔时间为3h，压浆水泥量分别为0.3，0.3，0.4t。当压浆总量和压浆压力都达到设计值，或压浆总量达到设计值的75%且压浆压力超过设计值时，停止压浆。
3 抗压静载试验与桩身内力试验结果
3.1抗压静载试验
试桩施工完毕后，采用慢速维持荷载法锚桩反力装置进行桩的静载试验。试桩试验荷载5 000kN。试验加载按严格执行，3根桩在试验过程中均出现急速沉降，S7a桩当荷载水平达到2 000kN时沉降量达到82mm且未稳定；S7b和S7c桩荷载水平达到2 500kN时，沉降量分别达到70.2，77. 4mm且未稳定。各桩试验的Q-S曲线如图2所示。
3.2 桩身内力测试
采用钢弦式应变计测试桩身轴力的分布及侧摩阻力的发挥情况。应变计对称埋设在桩顶、桩底及每个土层分界处的截面位置，土层厚度>5m时每5m埋设1个，其与主筋的连接方式如图3所示。静载试验的同时，记录钢弦式应变计的读数，通过对应变计读数换算处理得每级荷载作用下对应的桩身截面内力，桩身深度一轴力曲线如图4所示。分析以上曲线可得如下结论。
1) S7a柱极限承载力为1 500kN，S7b，S7c桩极限承载力为2 000kN，均不满足极限承载力要求。桩体卸荷后回弹量小，回弹量不到桩顶沉降量的10%。
2)3根桩均为桩顶急速沉降破坏且沉降速度基本一致。从Q-S曲线可以看出，当荷载超过极限承载力时，桩顶出现急剧沉降，其急剧沉降段斜率基本相同。
3)在极限荷载和破坏荷载作用下，桩身轴力沿深度方向变化均匀，未出现所述随荷载增
加，下部土层侧摩阻力逐渐被激发及桩体上部土层软化的现象。在破坏荷载作用下，桩端阻力明显增大。
图5为S7b桩在各级荷载作用下桩的侧摩阻力值。可以看出：双套筒隔离区桩侧摩阻力几乎为零，表明双套筒施工能有效保证桩土间的隔离效果。在极限荷载作用下，桩对应的各土层侧摩阻力相差不大，20m以上土层侧摩阻力得到较充分发挥，20m以下持力土层侧摩阻力与勘察报告值相差较大。
通过将S7a，S7b，S7c 3根桩在极限荷载下实测的桩侧极限摩阻力与勘察报告值对比，发现6.5~11. 5m对应的淤泥层其实测值均大于勘探值，20m以下实测值普遍低于勘探值，最大相差量达50. 3kPa。
4原因分析
1)通过超声波法对各桩桩身完整性检测，结果表明桩身无明显缺陷，无断桩、颈缩、混凝土离析等质量问题；低应变检测显示3个桩的桩身完整性良好；于桩侧1m处进行二次地质勘探，勘探结果与原勘察报告基本一致；钻芯法所取芯样连续性较好、端口吻合、无蜂窝等质量问题，试验强度均满足设计要求；由此可以排除由桩身质量及地质勘察问题而导致试桩承载力不足的因素。
2)在距S7a桩身20cm的土体处抽芯检查压浆效果，结果只在桩侧24m的注浆口位置发现长1. 2m类似水泥搅拌桩的混合物，桩底及其他位置均未见浆液与土的混合体。经查看施工记录发现，该桩桩底注浆管堵塞，总注浆水泥用量为0. 6t，S7b，S7c桩也有类似现象，可以确定后压浆施工存在严重问题。
为提高桩的承载力，中桩端设计的后压浆注浆量均超过2t。本试桩后压浆设计总注浆
量约为中注浆量的1/6，可见设计的注浆量过少。同时滨海地区海浪频繁，海浪冲击产生的动水压力对浆液存在稀释作用，也将影响注浆效果。
3)由图4，5可知，在极限荷载作用下，桩身轴力沿深度方向变化较均匀，桩侧各土层极限摩阻力相差较小，在25~50kPa。此值与勘察报告中粉质黏土层侧摩阻力82kPa相差很大，为探究其原因，采用钻探机从桩侧斜向钻芯的方法来观测桩身与桩周土体的结合情况，具体操作方案如图6所示。第1次以S7a桩中心为目标，钻孔30m未截取到桩体，考虑到钻杆偏心的影响，以桩中心偏0. 2m处为目标二次钻进，取得了成功。桩体、泥皮、粉质黏土之间界限明显，S7a，S7b桩桩侧所检测到的泥皮厚度分别为40，33mm，泥皮厚度过大。而泥皮具有渗透能力差、抗剪强度低的特点，将影响混凝土与桩侧土体的直接结合，从而降低桩侧摩阻力，泥皮越厚，对桩侧摩阻力降低程度越大。
各桩的侧摩阻力在15m以上土层中发挥较充分，因为15m以上土层的侧摩阻力小，其值若小于泥皮的抗剪强度，桩破坏时滑动面存在于桩侧土体中，因此侧摩阻力得到较充分的发挥，而15m以下土层侧摩阻力大，桩破坏时滑动面可能存在于泥皮层、泥皮与桩侧土体界面或泥皮与桩体界面，从而影响侧摩阻力的发挥。
由于试桩设计桩径较小，工程场地地质条件复杂，存在淤泥层、流砂层，因此现场钻孔、下放钢筋笼等作业的速度慢。成孔后又进行了成孔质量检测、二次清孔，使得桩从开始施钻到混凝土浇筑完成的整个过程中时间较长，同时为防止塌孔，现场施工时所用的护壁泥浆相对密度较大。而成桩时间越长，泥浆密度越大，将导致桩侧的护壁泥浆固结越厚，从而产生较厚的泥皮。
4)由于试桩成孔时对孔径大小、孔的垂直度等要求更严格，而钻孔施工的钻机型号小，为保证成孔的孔径、垂直度，放慢了现场钻孔作业的速度。施工记录显示，3根试桩成孔时间分别为17，14，13h，成孔时间较长。而成孔时间越长，桩侧土体应力松弛越明显，泡水软化现象越严重，影响桩侧摩阻力的发挥，同时桩端土体在泥浆的浸泡下会软化下沉，使桩端侧面一定范围产生负摩阻力，从而降低桩侧正摩阻力。
5)在破坏荷载作用下，桩体产生接近70mm的：沉降时桩端阻力增大，表明桩底沉渣较厚。本试桩采用正循环工艺成孔，而正循环工艺中的沉渣清理是通过钻杆内腔向孔底注入稀泥浆来置换孔内的稠泥浆与沉渣，清孔后孔内稀泥浆中夹杂的较大土颗粒将沉积到孔底再次形成沉渣。同时所采用的后压浆处理不到位，因此在桩底沉渣被压密实后桩的端阻力才开始发挥。
5 结语
通过滨海区某失效桩基的一系列试验，对桩基失效原因进行分析总结，研究结果表明桩的孔径设计较小造成成桩时间延长，使桩侧泥皮厚度增大，影响侧摩阻力较大土层的侧摩阻力发挥。后压浆施工控制不到位，出现注浆管堵塞现象，导致桩侧、桩底实际压浆量不足，未能达到固化桩侧泥皮、桩底沉渣的效果。正循环成孔工艺对桩底沉渣清理效果不佳造成桩底沉渣过厚，导致桩端阻力得不到发挥，同时影响桩底以上一定范围内土体侧摩阻力
的发挥。
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