軟土地區(qū)基坑開挖引起樁基質量問題的判定與處理

郭月亮，田少坤

(河北建設勘察研究院有限公司，河北石家莊050031)

由于沿江、沿海地區(qū)交通運輸的便捷，很多大型項目的選址都在該地區(qū)，如大型電廠、煤儲運碼頭、LNG儲運站等大型工業(yè)項目。但往往沿江沿海地區(qū)的地質條件非常復雜，特別在沿江地區(qū)，上部有較厚的淤泥質土，地質條件很差。在這些地區(qū)的基礎形式一般為樁筏基礎，樁基的工作量很大。工業(yè)項目的樁基施工一般在基坑開挖之前進行，在完成樁基施工后，再進行基坑開挖。由于軟土層較厚，在基坑開挖過程中，土壓力的應力釋放很大，如果不采取相應的施工措施，開挖時土體對樁基的影響較大，很容易造成樁基缺陷，影響工程質量。

本文主要以土體開挖引起的側向力對樁基的影響為重點，分析了開挖方法不當的情況下，為什么會造成樁基側向位移、斷樁等事故。發(fā)生工程質量事故后如何進行樁身缺陷的檢測和判定，采用什么樣的分析方法。對于缺陷樁如何進行處理，如何進行補強，從而使樁基滿足使用要求，保證工程質量。

1 工程概況

江蘇沿江一個電廠2×1000 MW機組工程，由于天然地基無法滿足建(構)筑物對沉降的要求，設計為鉆孔灌注樁，成孔工藝為旋挖成孔。廠址位于長江南岸，地形破碎，主要為成片的魚塘，開挖魚塘時將所挖土層堆筑在魚塘埂上，埂高一般為4．30～5．20 m。魚塘深度一般為2．00 ～3．00 m。地表為約2 m厚的回填土層，其下為流塑狀態(tài)的軟土層，厚度為8～9 m。

由上述地層情況可以看出，上部10 m范圍內土層處于軟塑—流塑范圍內，地下水位較高。鉆孔灌注樁樁徑800 mm，樁長依據基巖面的深度確定為36～42 m，樁端位于強風化花崗巖上。樁基主筋為1216，箍筋為8@100(200)。鍋爐房區(qū)域單樁豎向抗壓承載力極限值為6300 kN，水平承載力特征值為120 kN，采用筏板基礎。

2 基坑開挖過程

以鍋爐區(qū)域作為重點進行分析。在鉆孔灌注樁施工完成后，進行了基坑開挖。在鍋爐部位開挖過程中沒有對邊坡進行加固處理，直接進行開挖，開挖前采用管井進行降水，井深15 m，井間距25 m。抽水3天后進行開挖。開挖時采用PC220型挖掘機，整機質量24．2 t，土方運輸車的車斗容量為18 m3。

開挖分2步，第一部挖深2．0 m，第二步開挖至設計基底標高，挖深2．75 m。邊坡按1∶1放坡。開挖范圍內各層土厚度分別為:素填土0．7 m、軟塑—可塑粉質粘土1．4 m、流塑淤泥質粉質粘土2.65 m。開挖后，隨著基坑邊坡土體的移動，坑頂外側土體逐漸開裂，變形穩(wěn)定后可辨裂縫寬達200 mm，窄處有10 mm，影響范圍由基坑頂邊向外達12 m。

3 開挖后的樁基樁位偏差及橫向裂縫情況

3．1 樁位偏差

1號鍋爐開挖完成后，分批對樁位偏差進行了測量，測量樁基根數為466根，樁位偏差量最小為4 mm，最大為782 mm。由表1中數據可以看出樁位偏差在151～300 mm的為總樁數的42．7%，80%的樁位偏差在100 mm以上，嚴重影響了工程質量。樁位的偏差說明了在基坑開挖過程中水平推力的存在。

表1 樁位偏差分級表

3．2 橫向裂縫

在開挖完成鑿除樁頭后，對1號鍋爐房地段的466根旋挖鉆孔灌注樁全部進行了低應變測試。測試結果顯示鍋爐房地段Ⅰ、Ⅱ類樁共計159根，Ⅲ類樁188根，Ⅳ類斷樁119根。Ⅲ、Ⅳ類樁占了總樁數的66%，都是有橫向裂縫甚至斷樁，存在嚴重缺陷。

對466根樁的低應變數據分析發(fā)現，存在橫向裂縫的樁中，裂縫位置在4～6 m的占59．4%，淺于4 m的占34．3%，深于6 m的占6．3%。通過數據分析可以得出裂縫位置都集中在樁身上部。

4 基樁缺陷驗證

為查明造成樁基質量問題的原因，在以下幾方面進行了判定:檢驗樁身混凝土的完整性、存在缺陷的性質、嚴重程度和準確位置，檢查低應變檢測結果的準確性，推斷產生斷樁的原因。采用了3種方法對基樁缺陷進行驗證，在樁身進行鉆心取樣、在樁頂鉆孔進行超聲波檢測和對缺陷樁進行開挖直觀檢查。

4．1 取心驗證

共設置取心驗證樁5根，每根樁2個鉆孔，鉆孔深度超過低應變確定的缺陷位置處1 m。5根樁的大部分心樣呈柱狀，連續(xù)、較完整，膠結較好，表面光滑，骨料分布均勻。僅有極少量心樣呈蜂窩麻面狀，且有少量氣孔。低應變檢測出的缺陷位置處混凝土完整性較好。表明在樁基施工過程中混凝土的完整性不存在問題，樁身裂縫不是在施工過程中形成的。

4．2 開挖驗證

為進一步查明產生裂縫的原因，對于檢測有缺陷的2根樁進行了開挖驗證。樁徑為800 mm，在開挖時采用在樁身外用振動錘下入一直徑為2．3 m的鋼護筒，在樁身和鋼護筒之間有0．75 m左右的空間，以便進行檢查和攝像。由于缺陷位置較淺，裂縫出現的位置一般在4～6 m，護筒與樁身間的淤泥采用水沖法排出，開挖深度控制在9 m左右。通過低應變檢測確定的缺陷位置外露后，進行人工檢查和攝像。如圖1、圖2所示。

圖1 開挖造成的樁側水平裂縫局部1

圖2 開挖造成的樁側水平裂縫局部2

開挖結果表明，兩樁分別在樁頂下4．2、5．5 m處存在一道水平向裂縫，肉眼可辨的裂縫約占樁身周長的60%，裂縫最寬處達8 mm。裂縫的開裂方向和樁基的傾斜方向一致，很明顯造成樁身裂縫的原因是由于基樁受到了巨大的水平外力作用，超過了樁基本身的水平抗力，造成樁基裂縫的形成。

4．3 聲波透射法驗證

為進一步驗證是否是由于外力的原因造成的樁基缺陷，對由低應變檢測出有缺陷的18根樁進行了聲波透射法檢測。在每根樁的樁身上按照等邊三角形布置，鉆3個直徑為100 mm的孔，孔深8～10 m。超聲波檢測嚴格按照檢測規(guī)范進行。超聲波檢測結果表明，樁身混凝土完整、無缺陷，混凝土強度滿足設計要求，除水平裂縫外樁身無其它缺陷。

4．4 小結

3種方法的綜合驗證表明:樁身上存在一道水平向裂縫，無其它缺陷。低應變檢測時檢測波在此裂縫面上反復反射，造成低應變檢測異常。通過開挖驗證，有力的證明了樁身的橫向裂縫是在外力的作用下形成的，為分析造成裂縫的原因提供了事實依據。

5 基坑開挖對樁基影響的分析

經過細致的分析，和對現場的勘查，從樁基施工完成到基坑開挖后，產生的水平外力主要來自基坑開挖引起的土壓力，從主動側壓力、超孔隙水壓力和土拱效應對樁基的影響3個方面進行分析。

5．1 主動側壓力對樁基的影響

采用挖土機挖土時，集中一處開挖，并將挖出的土堆在基坑邊坡附近，因而產生側向壓力，加之軟土的流動性及土體中未消散的超孔隙水壓力的釋放，導致軟土向開挖方向流動，而基樁承受水平力的抵抗能力較弱，于是隨著土體的位移而向基坑開挖方向傾斜，造成樁頂位移，嚴重的會將樁下部折斷。開挖過程中的分層厚度過大，土體中彈性能的釋放過快，造成土體對基樁的水平推力過于集中也是發(fā)生基樁位移的重要原因。一次開挖深度較深，應力釋放較快，側壓力較大。

5．2 超孔隙水壓力影響

超孔隙水壓力急劇升高，在淤泥層中蓄積了大量的彈性能。本工程表層2 m為硬殼層，其下為9 m左右的流塑狀淤泥，樁基施工過程中旋挖鉆機的行走、履帶吊車、采用振動錘埋入鋼護筒時的振動、土方開挖過程中的挖掘機行走、重型運輸車的土方運輸等作業(yè)使地面發(fā)生較大沉降，造成淤泥層中的超孔隙水壓力急劇升高，在淤泥層中蓄積了大量的彈性能，且在短期內難以消散。土方開挖時，樁體一側的淤泥被挖除，淤泥層中承受的應力得到快速釋放。在開挖面以上，樁體的另一側(靠土側)承受淤泥層中蓄積的彈性能、超孔隙水壓力和主動土壓力，產生了對基坑內基樁指向開挖側的水平壓力(推力)，而基底淤泥層對基樁抵抗此推力的反力很小，從而導致基坑內基樁向開挖側發(fā)生水平位移，位移發(fā)展到一定程度，基樁就會斷裂，在一定深度上產生水平裂縫。

5．3 土拱效應影響

流塑狀淤泥變形引起的土拱效應放大了對基樁的水平推力。土拱效應是應力從已經屈服的土向沒有屈服或附近剛性樁的傳遞過程，也就是開挖過程中淤泥土體由于承受挖土荷載、塑性屈服和流變等因素的影響，使淤泥土體發(fā)生側向移動，產生樁與土的相互作用，樁后淤泥土中的應力逐漸轉移集中到基樁身上，而基坑內基樁的存在限制了受荷土體的側向移動，從而使基樁發(fā)生側向位移。

土拱效應和時間有一定的關系，隨著時間的增長，土體的位移逐漸增大，基樁分擔的荷載逐漸增加，基樁的位移也逐漸增大。開挖過程中停頓區(qū)附近的基樁位移較大，形成基坑后，坑邊一些基樁的位移不明顯，但幾天后基樁位移明顯增大，這些現象也證明上述關系。同時，降雨增大了邊坡土體的含水量，加速了土體流變也有一定關系。

6 缺陷樁處理方法

通過樁基極限承載力試驗，單樁豎向承載力滿足設計要求，說明橫向裂縫對豎向承載力影響很小。但水平裂縫占樁身面積的60%，勢必對樁的水平承載力(抗剪能力)產生直接影響。由于橫向裂縫的存在，樁基水平承載力不滿足設計要求，應進行處理。

6．1 加筋注漿補強法

為彌補水平承載力，對缺陷基樁采用了鉆孔加筋注漿補強法。補強采用在每個鉆孔中下入直徑80 mm的鋼管，然后注入高強度水泥漿，沖填水平裂縫和鋼管外的鉆孔。每個存在裂縫的樁布置補強鉆孔2個，鉆孔布置在距樁中心200 mm的圓周上，鉆孔邊距鋼筋籠100 mm，鉆孔直徑108 mm。具體見圖3，補強后形成的樁體結構見圖4。

鉆孔深度按比低應變確定的橫向裂縫位置深1．0 m進行控制。補強采用在每個鉆孔中下入公稱口徑80 mm壁厚4 mm的焊管，鋼管長度為2．0 m，鋼管底口位于裂縫下1．0 m。鋼筋放入孔內后注入高強度水泥漿，水泥漿中摻入水泥用量10%的膨脹劑，以減少水泥漿凝固體的收縮。水泥漿的水灰比采用 0．42。

圖3 補強鉆孔位置圖

圖4 補強后的樁體結構

補強施工過程如下。

(2)洗孔。鉆心后分別對各孔壓注清水、封閉加壓，最大壓力控制在1．0 MPa，將鉆孔沖洗干凈，直到出水無混濁和碎屑出現。洗孔時間≮15 min。

(3)放入加固鋼筋。將加固鋼筋用鐵絲綁扎成鋼筋束，將鋼筋束的底標高放至裂縫位置下1．0 m。

(4)注漿。注漿管采用DN20管，壁厚3 mm，注漿管要通至孔底，排氣管應通至止?jié){位置以下100 mm，注漿終止壓力控制在2～4 MPa，注漿完成后應采取有效措施防止?jié){液回流，必要時進行二次補漿。

6．2 補強后的效果檢測

處理完成后選取3根樁進行了單樁水平靜載荷試驗，水平臨界荷載平均值130 kN，極差30 kN，小于其平均值的30%，最終確定單樁水平臨界荷載為130 kN。處理完成后單樁水平承載力滿足設計要求。

7 結論和建議

通過對江蘇沿江一個電廠的工程實踐進行的深入分析，在深厚軟土地區(qū)開挖時應引起高度注意，避免大面積缺陷樁的出現。通過對主動側壓力的分析及各種因素的綜合考慮，明確了引起樁基缺陷的原因。采用補強注漿法對由于橫向裂縫造成的缺陷加固效果良好。

在軟土地區(qū)開挖基坑時，要時刻注意開挖時土體流動對樁基質量的影響。制定合理的開挖方案，經過論證后再進行開挖。補強注漿法能夠較好的處理橫向裂縫對水平承載力的影響，為此類工程問題提供了很好的借鑒。

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