PHC管桩破坏原因分析

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，层厚~，平均层厚。
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，层厚~，平均层厚。
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，层厚~，平均层厚。
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：
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)
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。
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。
桩身完整性
YIN-7
8350
3560
7120
完整
YIN-9
8420
3570
7140
完整
YIN-8
8770
3600
7200
完整
YIN-10
8810
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：
桩身完整
2005-01-24
Y18
桩顶下处破损
2005-01-24
Y36
桩顶下处破损
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；
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
合计
Y5
30
981
-2
11
11
11
54
18
20
26
34
40
42
44
52
50
54
57
54
36
Y15
19
0
2
4
6
10
15
12
16
16
19
19
20
486
11120
-1
7
7
7
56
20
21
26
26
35
43
43
56
47
48
38
46
46
Y14
17
1
3
16
10
19
23
20
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，层厚~，平均层厚。
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，层厚~，平均层厚。
⑤粉土：褐黄色，湿，中密，含姜结石与粉质粘土。层顶埋深，层厚~，平均层厚。
⑥粉质粘土：褐黄色，稍湿，可~硬塑，局部夹粉土。层顶埋深，层厚~，平均层厚。
21
21
19
20
25
419
11097
-2
8
8
8
57
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： 表-3
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)
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
桩顶下处破损
2005-01-15
Y15
桩身完整
2005-01-18
Y31
桩顶下处破损
2005-01-18
Y57
桩顶下处破损
2005-01-18
Y85
桩身完整
2005-01-18
Y86
桩身完整
2005-01-19
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
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~
(MPa-1)
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~）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。
1、建立打桩过程中的桩---土体系受力模型见图-2：
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：第一节桩入土后土芯上升高度为~，第二桩入土后累计土芯上升高度为~。
粉土
12
170
④
粉质粘土
10
180
⑤
粉土
18
230
⑥
粉质粘土
14
250
⑦
粉土
19
290
⑧
细砂
35
370
⑨
粉质粘土
25
⑩
细中砂
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。
五、试验验证桩的破坏机理
为了充分弄清桩身破坏机理，为后续类似的工程设计和施工提供指导，我们和上海华东电力设计岩土工程有限公司针对此工程中遇到的问题进行了《淮南地区PHC桩桩身破坏机理测试研究》专题研究，拟通过PHC桩施打过程中桩身应力动态测试找出桩身破坏的主导原因。经过技术咨询和论证，与南京大学光电传感工程监测中心合作， 确定了采用动态信号测试系统与电阻应变片及应变式钢筋计进行测试的技术方案；同时，还采用该中心所拥有的先进技术---分布式光纤传感技术(BOTDR) 对施打过程中桩入土不同深度时的桩身残余变形进行分布式测量，据此找出施打过程中各阶段桩身应力和变形分布情况，从而与动态测试结果互相对比，综合分析得到桩身破坏的最终原因。为此我们分别选择2根桩采用分布式光纤传感技术(BOTDR) 和应变应力动态测试技术测试成桩阶段桩身残余变形分布和施打过程中的应变应力分布，同时采用高应变跟踪监测4根试验桩在打桩过程中的桩身完整性、锤击应力和动土阻力情况。
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。
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，总桩数175根。桩机为DH608，沉桩用锤为DELMAG D80单动柴油锤。
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。
3、破坏机理推想：
有人会问产生的裂缝是横向裂缝还是纵向裂缝还会问为什么桩坏在桩端以上4~6m的地方还有为什么不是所有的桩都会坏
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~，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。
对于第一个问题，我们从图-2的（b）和（c）土芯对管内壁横向和纵向作用比较和管桩钢筋配筋情况可以基本回答这个问题。圆形物体受力从内破坏比从外破坏要容易得多—最形象、最简单的“小鸡破壳”原理，可以判断出应该是首先出现纵向裂缝，因为混凝土的抗拉应变相对于箍筋的应变小得多。
对于第二个问题，原因是纵向裂缝的产生可能是从桩的最薄弱环节或者是受力最集中的地方开始，我们知道管桩在桩端受各种因素包括混凝土浇注、焊接等影响整体强度差，因此在桩头范围内箍筋是加密的，如果纵向裂缝从桩头开始受箍筋影响不会马上破碎，而是继续向上延伸到箍筋稀少的地方开始并因受锤击和挤压力开始逐渐产生横向裂缝发生破坏，所以坏在桩端以上4~6m的地方。
Y122
桩身完整
2005-01-19
Y123
桩顶下处破损
2005-01-20
Y144
桩顶下处破损
2005-01-20
Y105
桩顶下处破损
2005-wk.baidu.com1-23
Y42
桩顶下处破损
2005-01-23
Y41
桩身完整
2005-01-23
Y40
桩身完整
2005-01-23
Y39
桩身完整
2005-01-24
Y6
其实，还有一个问题也需要我们来解决，那就是到底让PHCΦ600或PHCΦ800管桩产生纵向裂缝的土芯内侧张力需要多大
我们知道PHC管桩混凝土强度标准值C80，其轴心抗压强度为mm2，轴心抗拉强度约为 N/mm2，根据土体在管桩内壁的作用机理，可以推断出在管桩内侧向土张力在单位面积上产生纵向裂缝所需的力为产生横向裂缝力的%左右。
压缩
模量~
(MPa)
压缩
系数
avp0~p0+
(MPa-1)
压缩
模量
Es p0~p0+
(MPa)
水平渗
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
＜
＜
150
②
粉质粘土
＜
＜
11
250
③
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~，平均层厚。
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（平均值，以下同），层厚~，平均层厚。
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。
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。
对于第三个问题，我们是这样分析的，桩在贯入过程受到土的力学性能变化、锤击能量、锤击力、桩的结构强度等诸多因素影响。时好时坏的情况发生只能说明，在现有条件下沉桩使“桩---土”体系受力处于一种临界状态，土层的厚薄、超孔隙水压力的大小、锤击能量和锤击力的大小、桩身的结构强度好坏任何一个条件的改变，都有可能使沉桩质量发生变化。