1. 引言
静压桩基础是上海地区常见的桩基工程形式。在实践中常会遇到桩基持力层进入深古河道地层区间的情况，即晚更新世末期(据今约1.3万~1.1万年)形成的深古河道，其河流切割深度较大，沉积物较为复杂，而且几乎覆盖上海全域。工程地质界对其分区和工程地质特性有着跨越数十年的长期研究，高大铭等人 [1] 指出，由于古河道溺谷相沉积的基本单元层岩性结构、构造不同，加之层序组合不同，因此古河道溺谷相的沉积分异作用较大，致使各古河道溺谷相沉积的工程地质性质有明显差异。研究者将古河道溺谷相沉积划分成三大类型，并分别以样本区域工程引例对桩基持力层特性作了分析，给出若干参考数据，如在第一类型中，当桩尖进入⑤ 4层或⑦层时，桩长仅相差2.0 m，而单桩承载力增加了30%，沉降量减少了20%；在第二类型中则当桩尖深度从<30 m、30~40 m、>40 m逐渐增大时，桩的承载力也有从以端承为主、到摩阻与端承力各半、再到以摩阻力为主的变化，等等。
需要说明的是，这些规律均为统计意义上的，其适用范围是城市级的宏观尺度，是较大的地理区域，给出的也是从当时样本区域总结的参考数值，带有研究性质。各类规范编制所参考的过往研究结论也在不断深入和更新，在工程中仍要结合实际勘察和试验成果。具体到项目级别的每一桩位，由于地质情况复杂多变，未必满足这些统计规律，反而有可能表现为工程级细观尺度上的离散性，导致桩基础设计参数无法符合施工实际的情况。近年来亦有学者如史玉金等 [2] 基于更大规模上的上海市三维城市地质调查的成果，对不同时期古河道的分布情况、切割深度、沉积物特征等进行研究并指出，古河道的分布范围与河流切割深度大不相同，晚更新世末期古河道切割深度大，使得⑦层的埋深、厚度发生较大变化，可能产生地基差异沉降，对桩基持力层的选择带来不利因素，这显然是指在工程级尺度上的变化和差异。因此，对深古河道区域地层的离散性对具体工程影响应有必要的认识。本文以背景工程案例，通过勘察、设计、施工多角度分析，对进入深古河道地层静压桩的施工异常问题进行探讨，尝试给出同类型工程问题较为全面的对策。
2. 工程概况
2.1. 项目背景
某工程项目，主体结构形式为桩基础钢框架中心支撑结构体系，主要采用预应力管桩，混凝土设计强度C80，大部分区域桩型为PHC500AB100 (设计桩长范围43~48 m，桩基持力层为⑦ 2-1或⑦ 2-2粉砂)，另有局部区域为PHC400AB95 (设计桩长范围32~33 m，桩基持力层为⑤ 3粉质粘土夹粘质粉土)，是上海地区静压桩基础的常见形式，持力层深度有一定代表性。
2.2. 勘察情况
该项目勘察孔平面布置根据现行规范规程要求，采用钻探取样、标准贯入、静力触探等综合手段，根据拟建物对单桩承载力的要求及场地地层条件确定勘探孔深度，孔深为40~60 m，共布置68个主要勘探孔，其中取土标贯孔25个，静力触探孔43个。在勘察过程中发现拟建场地⑦ 2-1层在场地西侧缺失，为查清缺失的界线，局部增加8个勘探孔 [3]。勘探点位平面布置与桩位平面布置对比见图1，地勘报告地层特性表见表1。从图1左右平面对比中可见，勘探点位分布较疏，桩位分布较密，勘探点位能准确反映所有桩位实际情况的前提是，所在范围内下卧各地层地质条件均连续平滑，无明显离散性。
Figure 1. Layout plan of the exploration points (left) vs. plan of piles (right)
图1. 勘探点平面布置(左)与桩位平面布置(右)对比
Table 1. Stratigraphic characteristics table of background project (Q3: late pleistocene, Q4: holocene)
表1. 背景工程地层特性表(Q3：晚更新世，Q4：全新世)
典型地质剖面图如图2所示(以图1中横跨东西方向的1-1’、2-2’、3-3’、6-6’剖面为例)。场地西侧(左侧)为古河道区，⑤ 3、⑤ 4层为溺谷沉积，西侧大部分区域⑦ 2-1层缺失，东侧局部有⑦ 2-1层分布。图中可见，在本项目范围作为主要桩型持力层的深古河道区间即⑦层地层，即使假定其变化以简单折线在勘探孔之间过渡，不同剖面间的地层条件仍有明显差异。
(1) 1-1’剖面 
(2) 2-2’剖面 
(3) 3-3’剖面 
(4) 6-6’剖面
Figure 2. Typical geological profile of background project
图2. 背景工程典型地质剖面图
2.3. 设计要求
根据设计要求，沉桩采用桩长和贯入度(终压值)双重控制原则，确保桩端进入持力层不小于0.8 m。在存在⑦ 2-1层的区域，按设计桩长穿越该层达到持力层，可能造成压桩困难，当压桩力达到4300 kN并且已经进入持力层不少于1 m时，可现场部分截桩。
3. 桩基施工异常与对策
3.1. 试桩情况
开工后首先按原设计终压值和桩长参数完成三根试桩，当终压值达到设计指标时，仍存在标高显著欠压，欠压高度分别为5.64 m、1.70 m、0.5 m，其中欠压5.64 m的试桩位于东侧有⑦ 2-1层分布的区域。经低应变检测、静载试验，所有试桩均为I类桩。试桩经静载试验合格。为找出产生显著异常欠压的原因，保证后续桩基施工质量，确定了以下思路和处理流程(图3)：
Figure 3. Process of abnormal treatment scheme of press-in pile construction
图3. 静压桩施工异常处理方案流程
3.2. 排查施工因素干扰项
考虑到三根试桩在场内分散分布，初步判断后续沉桩欠压情况有可能多发，为排除由于施工不规范造成沉桩异常的因素，重点加强了以下施工环节管理：
· 校正压桩机压力表，增加配重余量，调整夹具，检查施工时的垂直度、压桩速率、稳压措施等是否满足要求；
· 合理安排桩机行进路线，通过改变各承台沉桩顺序、间隔沉桩等，避免挤土效应；
· 对管桩桩身质量进行检查，确保符合规范要求。
在随后的51根同型桩施工中，共发生标高欠压、突然失压或(疑似)爆桩等异常情况46根，加上3根发生欠压的试桩，异常桩共49根，占同型已沉桩总数91%，异常桩比例很高，总体分布均匀分散，详见图4 (红色为异常桩，绿色为正常桩)。其中欠压超过1 m (设计建议进入持力层所需深度)有44根，占异常桩总数90%；说明异常桩中桩长参数对原设计值偏离也是比较大的。
在此情况下，仍然出现高比例的异常桩，可以确定沉桩异常并非施工设备、工艺等原因造成。
Figure 4. Abnormal piles in the process (red is abnormal, green is normal)
图4. 过程中的异常桩情况(红色为异常，绿色为正常)
3.3. 设计、勘察角度分析与改进方案
鉴于在排除施工因素后仍有高比例异常桩，进一步从设计、勘察角度分析：
· 结合地勘剖面图看欠压标高数据，即使在同一承台的相邻桩内，欠压高度也存在较大差异，表明在古河道深度区间的下卧土层并非理想的连续状态，在工程尺度上离散性明显，地勘数据应不足以准确反映桩位地层情况。
· 根据国标设计图集 [4]，管桩用作摩擦型桩时，其长径比不宜大于100；用作端承型桩时，其长径比不宜大于80；实际设计长径比达到96，已接近规范的长径比上限，留给施工环节的冗余度较小，放大了不利因素。
· 实际施工中也对部分桩采取了适当提高终压值的措施，但对标高欠压无改善，而且造成个别桩端爆裂或失压。考虑终压控制值4300 kN已经达到该桩型轴心受压承载力设计值3158 kN的1.3倍以上，说明持续提高终压值不仅对沉桩异常没有改善，还可能对桩体本身造成不利影响。
根据地基基础施工规范 [5]：静压桩终压的控制标准应以标高为主，压力为辅。综合考虑上述因素，提出设计参数的两个优化方向：
· 终压控制值不变，管桩壁厚从100 mm增加到125 mm以提高桩身承载力，分为两种选项：a) 全长范围增加壁厚；b) 每根桩最末一节配桩增加壁厚。
· 请设计会同地勘复核，在保证承载力的情况下适当减少桩长或降低终压控制值。
经各方评估，达成以下方案共识：
1) 选择五处不同承台各1套做为方案试沉桩，全长范围均使用PHC500AB125，设计桩长不变，终压压力控制值增至4700 Kn (按125壁厚桩型轴心受压承载力设计值推算)，看能否改善欠压情况。
2) 如欠压仍无明显改善，则调整设计桩长，可联合调整每根桩头节配桩壁厚。
3.4. 方案实施效果
选择五处相距较远的桩做为试沉桩，保证试沉桩在场地范围基本均布，并兼顾桩机行走效率，见图5 (蓝色圆点)所示。邻近已沉桩用红色圆点标记。
Figure 5. Position of experimental pile with optimized scheme
图5. 采用优化方案的试沉桩平面位置
以不同颜色表示静压桩欠压高度所在区间，试沉桩以箭头标出，见图6。图中可见，采用调整方案的试沉桩与邻近已沉桩相比，异常欠压状况基本相当。可以认为，增加桩身壁厚、提高终压压力值的措施无法改善异常欠压情况。
Figure 6. Comparison of under pressure of test pile and adjacent completed piles
图6. 试沉桩与邻近已沉桩欠压情况对比
据此，设计方采纳施工方建议，结合施工数据对桩尖标高重新计算优化，减少设计桩长。从最终完成情况看，持力层进入深古河道⑦ 1、⑦ 2层的主要桩型PHC500AB100仅有42根达到设计标高，有82.6%的桩异常欠压，欠压值范围0~5.64 m，平均欠压高度1.15 m。从图7的桩基BIM模型中看出，欠压情况无明显分布规律，说明工程范围内深古河道区间土层特性有较大的离散性，在地勘报告中未能全面反映。而持力层主要为⑤ 3层的另一桩型PHC400AB95，均按原设计参数顺利完成施工，说明该层地质条件相对均匀，这也与地勘报告成果基本相符。
Figure 7. 3D model analysis of abnormal under pressure of pile foundation
图7. 桩基异常欠压情况三维模型分析
4. 结语
地勘成果能否在工程尺度上准确反映地层分布和土性情况，对地基基础工程的设计、施工均有直接影响。由于上海陆域地区晚更新世、全新世古地理环境复杂，沉积分异剧烈，在此时期形成的深古河道地层区间复杂多变。地勘工作的基础是假定在相邻勘察点位之间地层连续，因此当勘察点位密度不足时，依托连续性假定数据进行的设计就可能无法反映实际，进而影响施工。
本文分析结论表明，静压桩穿越⑤ 3、⑤ 4层溺谷沉积进入⑦层深古河道区间，该区间地层存在工程尺度上的显著离散性地质条件，是造成深古河道区域静压桩施工异常的主要原因。在实践中，出于建设成本和工期考虑，无法对所有桩位地层条件逐一探明。因此当出现施工异常时，可参考本文提出的分析方法处理流程，从施工、设计、勘察多角度查明原因，并侧重从工程实际出发，以优化设计参数为主，提出能够快速实施的整体解决方案。