PHC管桩破坏原因分析

⑨粉质粘土，青灰~褐黄色，稍湿，硬塑，夹粉细砂、粉土厚层。层顶埋深45.51m，层厚1.70~5.70m，平均层厚2.45m。
⑩细中砂：灰黄~黄绿色，饱和，密实，含云母，未见底。
根据现场原位试验及室内土工试验资料，经计算各土层的物理力学性质指标见表-1、工程地质剖面图见图-1。
各土层的物理力学性质指标值
Y42
25.0
桩顶下18.5m处破损
2005-01-23
Y41
25.0
桩身完整
2005-01-23
Y40
25.0
桩身完整
2005-01-23
Y39
25.0
桩身完整
2005-01-24
Y6
25.0
桩身完整
2005-01-24
Y18
25.0
桩顶下21.5m处破损
2005-01-24
Y36
25.0
桩顶下21.0m处破损
首先，考虑到常州电厂出现断桩是由于成片、连续厚约5~8cm的姜结石引起断桩事故，而且桩身入土16~20m正好进入含姜结石的 号土层，大家自然而然联想起会否因含姜结石引起桩身破坏？但本工程地质情况与常州电厂又有本质的区别，本工程的姜结石结构是不成片、不连续的形式，对于大家怀疑是否烟囱区域钻孔不够密而没有检测到连续、成片姜结石土层，随后进行的对已沉桩区域内进行的3个钻孔表明，前面设计对地质情况的勘察分析没有错误，姜结石并非引起坏桩的主要原因。
透系数
kh
(×10-6)
cm/s
垂直渗透系数kv
(×10-6)
cm/s
标贯
击数
N（击）
单桥静力触探比贯入
阻力Ps
(mPa)
地基承载力特征值fak
(kPa)
①
粉质粘土
19.1
27.9
2.74
0.837
18.5
0.07
0.306
6.0
＜0.01
＜0.01
1.1
150
②
粉质粘土
20.0
25.2
2.73
0.714
预应力管桩打桩记录
施工单位：中港三航工程名称：淮南煤电基地田集电厂烟囱桩基工程自然地面标高：-0.8m
打桩小组：1#机桩规格及长度：PHC-600-110-25m桩顶设计标高：-4.4m
桩位号
桩节
编号
打桩
日期
桩入土每米锤击数
桩顶与设计标高差
±cm
最后三阵
贯入度(cm/10击)
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
根据钻孔所揭露的地层特征、埋藏条件及物理力学性质指标，同时结合静力触探试验成果，场地地基土划分为10个主要工程地质层。地基土分布情况自上而下描述如下（以⑧号土为桩基持力层）：
①粉质粘土：灰黄色，硬塑，上部约20cm左右为耕土，含植物根茎，层厚0.40~3.00m，平均层厚1.53m。
②粉质粘土：褐黄色，稍湿，硬塑，下部偶夹可塑的粉质粘土，局部夹少量薄层粉土，层顶埋深1.53m（平均值，以下同），层厚5.00~7.70m，平均层厚6.40m。
四、问题的原因分析、推理（各种施工措施的论证）
针对上述出现的问题，现场主要提出几种不同的意见，汇总起来主要集中在以下三个方面：
1、姜结石引起桩身受力不均匀，导致桩身折断；
2、锤击能量过大导致桩身拉应力过大出现破坏现象；
3、桩内土芯侧张力过大引起纵向裂缝和桩的破坏。
虽然每种意见都有可能，但都是凭空假想，对与不对都需要实践的检验来判断哪一种才是引起桩身破坏最主要的因素。
引风机区域闭口PHC桩试打高应变检测结果一览表
表-4
桩号
桩长（m）
锤击力
(kN)
锤击能量
(kJ)
桩周土阻力(kN)
极限承载力(kN)
桩身完整性
YIN-7
25.0
8350
132.8
3560
7120
完整
YIN-9
25.0
8420
135.1
3570
7140
完整
YIN-8
25.0
8770
143.6
3600
7200
7
5010902056
20
21
26
26
35
43
43
56
47
48
38
46
46
Y14
4121511017
1
3
16
10
19
23
20
21
21
19
20
25
419
11097
-2
8
8
8
5010934057
17
20
23
28
34
47
46
53
53
56
56
57
49
工地技术负责人：记录：监理：
装锤类型：D80桩帽重：2.0T表-3
其次，对于锤击能量过大导致桩身拉应力过大出现破坏的猜想，我们在对地质情况、沉桩观测纪录和高应变检测结果的分析表明，本工程 号以上土层标准贯入击数N63.5比较平均无较大的变化，沉桩纪录锤击数Y5相对Y15、Y14无明显突变（见表-3），高应变跟踪检测虽然有1~2根桩在锤击过程中出现桩身拉应力较大，但比较其桩身拉应力和桩身完整性，并非拉应力高的桩其桩身就会破坏，而且沉桩过程中出现的拉应力低于管桩出厂时的设计拉应力标准。因此，仅根据桩身出现拉应力就判断桩的破坏由此引起也是不能令人信服的。为验证是否是锤击能量过大导致桩身拉应力过大出现破坏，我们在施工过程中还采取了封闭桩尖、加大锤击能量的方法：在引风机区域进行了4根闭口PHC桩试打。下节为PHC600AB-110-12m，上节桩为PHC600AB-110-13m。沉桩用锤为DELMAG D80沉桩，采用3档和4档（锤击能量132.8~145.7kJ）施打。监测结果见表-4，说明桩身拉应力不是主要原因，并同时可反证出坏桩原因主要是第三种情况引起的。
二、工程地质条件
近场地地貌为江淮丘陵与淮北平原交界地带，地势波状起伏，近场区中部和北部均有低山丘，有基岩出露，其余大部分地区被第四系所覆盖。近场区地跨淮河，分布有窑河、花家湖、淝河、瓦埠湖、芡河等河流，属淮河水系。工程场址位于淮北冲积平原上，地势相对平坦，地貌类型属冲积平原。厂址地势平坦地面高程一般在22.3m左右。
硬粘土地区PHC管桩破坏的原因分析和探讨
PHC管桩在软土地基处理中，特别是群桩基础的施工上，相对方桩等实心桩而言，桩管内的土芯上升被看作是减少挤土量的一大优势。但当这一优势在田集电厂桩基施工中变为形成桩破碎的主要原因后，我们有必要对其成因进行分析和探讨，寻找解决办法，继续发挥PHC管桩的优势。本文主要就在该种地质条件下田集电厂烟囱桩基施工过程中出现坏桩的情况进行的具体分析。
表-1
土
层
编
号
岩土名称
重度γ（kN/m3）
天然
含水量
ω(%)
土粒
比重
Gs
天然
孔隙比
e
塑性
指数
IP
液性
指数
IL
压缩
系数av0.1~0.2MPa
(MPa-1)
压缩
模量Es0.1~0.2MPa
(MPa)
压缩
系数
avp0~p0+0.2MPa
(MPa-1)
压缩
模量
Es p0~p0+0.2MPa
(MPa)
水平渗
图-2桩---土体系受力模型图
2、受力情况分析：
图-2的（a)中反映了锤击过程桩身的受力情况，锤击力Q、桩端反力QP、管外侧壁摩阻力QS、以及土芯对管内壁的侧壁摩阻力QSN。
针对多数桩在进入 号土层后发生破坏，我们在打桩过程中对土芯上升情况进行了监测，统计表明：第一节桩入土11.5m后土芯上升高度为2.7~4.0m，第二桩入土24.5m后累计土芯上升高度为5.3~7.1m。
土体对管壁的压力内外会不会相互抵消？不会。因为管外土体本身基本是原状土，还存在压缩的空间，而管内土体压缩已经快到极限，而且在沉桩过程中，它对桩的内壁作用只是一个很短的瞬间而已。
Y85
25.0
桩身完整
2005-01-18
Y86
25.0
桩身完整
2005-01-19
Y122
25.0
桩身完整
2005-01-19
Y123
25.0
桩顶下22.0m处破损
2005-01-20
Y144
25.0
桩顶下21.0m处破损
2005-01-20
Y105
25.0
桩顶下21.0m处破损
2005-01-23
③粉土：褐黄色，湿，中密，夹粉质粘土，该层厚度不稳定，在水平方向和垂直方向上的变化比较大。层顶埋深7.92m，层厚0.80~5.30m，平均层厚2.93m。
④粉质粘土：褐黄色，湿~稍湿，可塑~硬塑，含姜结石，夹少量薄层粉土。层顶埋深10.86m，层厚3.50~7.90m，平均层厚5.90m。
⑤粉土：褐黄色，湿，中密，含姜结石与粉质粘土。层顶埋深16.76m，层厚1.50~5.40m，平均层厚3.36m。
完整
YIN-10
25.0
8810
145.7
3600
7200
完整
对于第三种情况，习惯于长江下游等冲积型地质情况的人可能不能理解，但本人在试打桩过程自始至终的参与和实验观测下还是比较赞同该想法，因为不同的地区沉桩总会碰到不同的地质情况和不同的问题。那么对成因该如何分析，本人将尝试进行以下探讨：
1、建立打桩过程中的桩---土体系受力模型见图-2：
0.155
11.5
18
5.5
230
⑥
粉质粘土
19.4
28.4
2.72
0.794
12.0
0.54
0.171
10.5
14
2.5
250
⑦
粉土
19.5
26.7
2.70
0.752
7.7
0.70
0.121
14.5
19
7.0
290
⑧
细砂
19.5
22.9
2.68
0.686
0.053
32.0
35
16.0
370ຫໍສະໝຸດ Baidu
⑨
粉质粘土
一、工程概况
淮南矿业集团与上海电力股份有限公司拟在淮南市潘集区共同投资筹建淮南煤电基地田集电厂。电厂本期工程建设规模为装机容量2×600MW，并留有扩建余地。工程计划2005年开工，2007年全部建设投产。电厂位于淮南市西北田集乡境内，朱庙以东、庙西以西，毗邻阜淮铁路北侧，距离淮南市区约30公里左右。
11
12
13
14
15
合计
Y5
4121501030
2005.1.15
0
4
23
24
24
20
8
14
18
21
24
17
237
1981
-2
11
11
11
5010830054
18
20
26
34
40
42
44
52
50
54
57
54
36
Y15
4121534019
0
2
4
6
10
15
12
16
16
19
19
20
486
11120
-1
7
7
19.8
26.4
2.72
0.748
13.6
0.26
0.109
16.0
25
⑩
细中砂
20.2
19.5
2.68
0.587
0.042
38.0
40
图-1工程地质剖面图
三、施工过程中出现的问题
2005年1月15日1月24日共沉桩50根，高应变检测17根，其中9根桩下节桩有异常反应，跟踪监测表明基本上是在入土16~20m桩身开始破坏（进入 号土层），位置在桩尖以上4~6m处，坏桩比例达到53%，桩身完整性情况见表-2。
根据岩土工程勘察报告，对于烟囱区地基强度不能满足上部荷载和变形要求，因而需采用桩基进行地基处理。设计拟采用PHCΦ600-AB-110（外径-桩型-壁厚）桩，以⑧号土作为桩基持力层，桩长25m，下节桩长12m，上节桩长13m，送桩3.6m，总桩数175根。桩机为DH608，沉桩用锤为DELMAG D80单动柴油锤。
因为土芯会继续上升、桩尖继续切入所以尚未形成土塞，桩端力可以分解为管桩横截面环形面受力和土芯面受力这两个力，通过地层情况和表-1土的物理力学分析我们可以看到， ~ 土层厚度在9.7~21.5m，硬塑，这种土俗称老粘土，打桩到 号土层估计被压缩到5m左右。土体的压缩产生对桩的侧张力到底有多大？我们可以这样来理解，当某一锤打在桩上的时候，我们在工程施工中一般采用二档油门，在入土15m以后，锤击能量为65kJ100kJ，桩身内的最大锤击压力一般为5300kN6500kN，假定侧阻力和端阻力各为一半，那么传递到桩端的力约有3000kN，管桩横截面环形面受力和土芯面受力分别占60%和40%，则传递到土芯面的力大约有1200kN。所受的桩贯入对土芯的摩阻力作用 ~ 土层可以看作是对 号土层向下的反作用力，在瞬间锤击力的作用下 号土体被压缩产生对管壁的压应力即图-2的（b）和（c）中的σSN可能使桩身混凝土产生裂缝。
烟囱基础桩高应变检测桩身完整性一览表
表-2
检测日期
桩号
桩长
(m)
桩身完整性
2005-01-15
Y5
25.0
桩顶下20.5m处破损
2005-01-15
Y15
25.0
桩身完整
2005-01-18
Y31
25.0
桩顶下21.0m处破损
2005-01-18
Y57
25.0
桩顶下21.5m处破损
2005-01-18
15.6
0.08
0.171
10.0
＜0.01
＜0.01
11
2.1
250
③
粉土
19.3
28.0
2.70
0.786
7.8
0.80
0.241
7.4
12
3.8
170
④
粉质粘土
19.5
28.0
2.72
0.792
13.2
0.42
0.216
8.3
10
1.7
180
⑤
粉土
19.4
27.6
2.71
0.777
9.1
0.59
⑥粉质粘土：褐黄色，稍湿，可~硬塑，局部夹粉土。层顶埋深20.11m，层厚1.20~7.40m，平均层厚3.69m。
⑦粉土：深灰色，湿，中密~密实，下部夹软塑的粉质粘土，局部夹粉砂。局部上部为褐黄色粉土。层顶埋深23.80m，层厚0.70~11.40m，平均层厚3.51m。
⑧粉细砂：青~青灰色，饱和，密实，偶含姜结石，局部上部为褐黄色粉细砂，下部为青灰色粉细砂夹硬塑的粉质粘土、粉土。层顶埋深26.56m，层厚15.90~22.00m，平均层厚18.95m。