某樁基工程加固設計實例及動態(tài)監(jiān)測分析

岑政平 樓東浩 葉 軍 黃杰卿 鄭凌逶

(1. 漢嘉設計集團股份有限公司，杭州 310005； 2. 浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058)

1 引 言

在高層建筑中，基樁和連接于樁頂承臺共同組成的樁基礎得到了廣泛的應用[1]。近年來，隨著城市高層建筑的增多，建設過程中的樁基工程問題日益凸顯[2-3]。為了提高樁基的極限承載力，樁基礎的施工中經(jīng)常采用樁底高壓注漿技術。在灌注樁成樁一定時間后，通過預設在樁身內(nèi)的注漿導管注入水泥漿，使樁側(cè)、樁端土體(包括沉渣和泥皮)得到加固，進而提高承載力、減小沉降量[4]。影響樁基礎質(zhì)量的因素包括配筋、樁身混凝土強度、注漿質(zhì)量、樁身完整性，最終體現(xiàn)在承載力值上。

樁基承載力不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。基礎承載力不足容易引起高層建筑物沉降過大、不均勻沉降甚至傾斜失穩(wěn)。在樁基工程的承載力出現(xiàn)問題后，如何對其進行加固和評價值得探討研究[5]。常用的樁基事故處理方法包括補樁、接樁、復打、補強、擴大承臺、復合地基等。除了加固方法的選擇，還應考慮加固處理對已完工工程的質(zhì)量和后續(xù)工程施工的影響。

本文以某樁基加固工程為例，首先介紹了工程基本情況并對樁基質(zhì)量問題進行了原因分析；然后根據(jù)工程具體情況進行了加固設計方案的選擇；最后，為保證建筑物施工安全并驗證加固方案的可靠性，在施工中對該工程進行了動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果基本符合設計預期，加固方案可行。本工程實例可為類似工程事故分析處理提供有益參考。

2 工程概況和原樁基問題

2.1 工程概況

該工程項目樓高17層，高91.5 m，基本柱網(wǎng)為9 m×9 m；底板面標高(相對標高)為-15.00 m。最大柱軸力約為120 000 kN，裙房部位柱底軸力約為23 000 kN。根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[4]，該建筑樁基的設計等級為甲級。

主樓原設計工程樁為φ800 mm和φ900 mm鉆孔灌注樁，樁端持力層為-2圓礫層，采用樁端后注漿技術[6-7]。主樓灌注樁主要參數(shù)如下：

(1) φ800抗壓樁，樁底標高-49.500 m，單樁承載力特征值5 100 kN；

(2) φ900抗壓樁，樁底標高-49.500 m，單樁承載力特征值5 900 kN；

(3) 樁身嵌入承臺100 mm，主筋錨入承臺的長度不小于40D(D為主筋直徑)；

(4) 基礎采用獨立承臺(厚度為2 500 mm)加防水板(厚度為900 mm)。

2.2 地質(zhì)概況

依據(jù)工程特性及成因條件，將場區(qū)地基土劃分為11個工程地質(zhì)層，21個亞層。各地基巖土層的分層描述及分布特征如表1所示。

其中，⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，先期固結(jié)壓力為171.5 kPa，壓縮指數(shù)0.276 0，回彈指數(shù)0.022 08；⑦層粉質(zhì)黏土，先期固結(jié)壓力350.0 kPa，壓縮指數(shù)0.228 7，回彈指數(shù)0.010 6。

表1各土層參數(shù)

Table1Parametersofsoillayers

土層編號土層名稱層面高程/m層厚/m①-1雜填土1.27～7.48～6.10①-2素填土-3.87～7.290.30～9.80③-1砂質(zhì)粉土0.81～5.790.30～4.70③-2砂質(zhì)粉土-0.99～5.441.10～9.30③-5砂質(zhì)粉土夾粉砂-6.47～2.920.60～12.80③-6粉砂夾砂質(zhì)粉土-11.77～-1.950.40～9.50③-6夾砂質(zhì)粉土-9.91～-4.650.50～2.50③-7砂質(zhì)粉土-12.67～-6.310.70～8.50⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-16.37～-9.152.00～8.50⑦粉質(zhì)黏土-22.23～-14.540.50～7.10⑧灰色粉質(zhì)黏土-24.32～-21.271.10～3.40⑨-1粉質(zhì)黏土-25.04～-17.340.80～8.00⑩-2含砂粉質(zhì)黏土-25.18～-20.860.30～4.20-1粉砂-25.36～-21.940.20～4.70-2圓礫-28.53～-23.291.00～13.10-1含礫粉細砂-34.49～-25.270.50～16.90-2圓礫-53.35～-28.88～23.60

2.3 原樁基存在的問題

對主樓的樁基(即原有樁)隨機抽取了3根φ800 mm抗壓樁(1#、2#、3#)進行了豎向抗壓靜載試驗。根據(jù)靜載試驗報告，單樁豎向承載力極限值約為7 140 kN，單樁豎向承載力特征值為3 570 kN。可見樁基的豎向抗壓承載力嚴重不足，約為設計要求(5 100 kN)的70%，3根樁的靜載Q-s曲線和試驗結(jié)果詳見圖1、表2。

圖1 原有樁豎向抗壓靜載試驗曲線Fig.1 Vertical static load curves of original pile

表2單樁抗壓靜載試驗結(jié)果

Table2Staticloadtestresultsofpiles

樁號樁徑/mm樁長/m最大試驗荷載/kN最大試驗荷載對應的沉降量/mm單樁豎向抗壓極限承載力/kN極限荷載對應的沉降量/mm1#80032.108 16092.597 14021.432#80032.2010 20063.287 14015.293#80032.2010 20069.807 14015.88

3 加固方案設計與分析

3.1 方案選擇

鑒于已施工樁基豎向承載力未達到設計要求，為確保工程安全，需對現(xiàn)有樁基進行加固處理。原有工程樁為鉆孔灌注樁，若補樁繼續(xù)采用鉆孔灌注樁存在小樁距補樁問題，需考慮承載力折減。采用靜壓鋼管樁對既有樁基工程進行加固，基本不影響主體結(jié)構的施工進度且對工期影響較小。而且在壓樁過程中一般不需引孔，可避開承壓水上涌等問題，便于樁基加固的實施。考慮到建設單位對施工進度的要求，經(jīng)過多次論證分析，采用錨桿靜壓鋼管樁[8-9]進行加固的方案，最大限度縮短主樓整體施工周期。

3.2 補樁設計

考慮采用φ325(壁厚10)或φ299(壁厚10)的鋼管樁進行加固，以-2圓礫層(若打穿，可進入-2)作為持力層。鋼管樁樁頂標高-15.000 m(絕對標高)，進入持力層不小于1 m。同時，由于增加了部分鋼管樁，為增加基礎結(jié)構的整體剛度，采取了將原有基礎防水底板進行加厚的方法。為了有足夠剛度，調(diào)整樁頂反力分布，保證筏板下承載力差別較大的樁共同工作，厚度取2.5 m。

4 現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測

在施工過程進行現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測，可對現(xiàn)有設計進行有效驗證和校核，達到基礎設計安全、合理和經(jīng)濟的目標。通過對基礎結(jié)構的現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測，可以在建筑物施工和使用階段全面監(jiān)控基礎筏板的應力、變形及沉降，鉆孔樁和鋼管樁的樁頂反力以及基底土分擔荷載的比例等。一方面可以將試驗觀測資料與設計計算值進行比較，驗證設計是否安全可靠、經(jīng)濟合理。同時可為設計提供必要的反饋結(jié)果，用于指導下一步工程的施工。另一方面，可以及時有效地評估結(jié)構的安全性，預測結(jié)構的性能變化，并對突發(fā)事件進行預警，可以較全面地把握結(jié)構建造與服役全過程的受力及損傷演化規(guī)律，以保證建筑物結(jié)構建造和服役期間的安全。

4.1 孔隙水壓力

對于本工程而言，通過監(jiān)測孔隙水壓力在鋼管樁施工過程中的變化情況，及時為控制沉樁速率提供可靠數(shù)據(jù)，從而達到為施工服務的目的。選取若干處孔隙水壓力監(jiān)測點，每點埋設孔壓計2只(上、下)，距離板底深度分別為1.5 m和3.0 m。孔壓計的埋設與基底墊層施工同步進行。典型的孔隙水壓力隨時間變化曲線如圖2、圖3所示。

從圖中可以看出，隨著鋼管樁施工的進行，孔壓有所上升但幅值不大，在鋼管樁施工完成后逐漸趨于平穩(wěn)。在鋼管樁施工期間，基底土中孔隙水壓力保持基本穩(wěn)定。孔壓的變化對基礎底板無較大影響。

圖2 KY12孔壓隨時間變化曲線Fig.2 Typical time-history curves of pore water pressure (KY12)

圖3 KY15孔壓隨時間變化曲線Fig.3 Typical time-history curves of pore water pressure (KY15)

4.2 樁頂反力

采用應力計和應變計相結(jié)合的方法測試鉆孔灌注樁的樁頂反力，即在每個測試樁的頂部同一截面對稱埋設2只鋼筋計和2只應變計。考慮到鋼管樁施工的實際情況，采用常規(guī)應力計或表面應變計無法在施工中進行有效保護，故采用反力計對其進行樁頂反力的監(jiān)測。鋼管樁樁頂反力計的埋設在鋼管樁施工完成后，進行樁頂處理時進行。鉆孔灌注樁和鋼管樁的樁頂反力分別以ZPF和GPF表示，如圖4、圖5所示。

從圖中可以看出，隨著上部結(jié)構的施工，鉆孔灌注樁樁頂反力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，各測點中測得最大樁頂反力ZPF1已接近5 000 kN，其余測點的樁頂反力在2 500～4 000 kN之間。各測點監(jiān)測成果表明，角樁反力最大，其次是邊樁，中間樁相對較小。隨著上部結(jié)構施工的進行，鋼管樁樁頂反力整體趨勢是增大的，但是增幅不是非常明顯。目前各測點中測得最大樁頂反力約為160 kN，其余測點的樁頂反力一般不超過100 kN。

圖4 典型樁頂反力隨時間變化曲線(鉆孔灌注樁)Fig.4 Typical time-history curves of pile load for bored piles

圖5 典型樁頂反力隨時間變化曲線(鋼管樁)Fig.5 Typical time-history curves of pile load for steel pipe piles

4.3 樁間土壓力

本項目土壓力盒的埋設與基底墊層施工同步進行，布設時間、初始頻率測試時間同鉆孔灌注樁樁頂反力監(jiān)測點一致。共埋設土壓力盒21只，所測得的土壓力編號為TF1—TF21。隨著上部結(jié)構施工的進行，樁間土壓力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，各測點所測得的主要土壓力在40～80 kPa之間，并逐漸趨于穩(wěn)定，如圖6所示。

4.4 筏板應力

對基礎筏板應力應變的測試采用鋼筋應力計進行。為了全面掌握基礎底板的應力變化情況，本項目在每個監(jiān)測點表層和底層鋼筋X和Y方向分別埋設鋼筋計，編號為Bi-j上或下(i=1, 16;j=1, 4)。由各測點測得的情況看，基礎筏板應力一般不超過10 MPa。隨著上部結(jié)構的施工，基礎筏板應力總體上變化不大，典型筏板應力隨時間變化曲線如圖7所示。

圖6 典型樁間土壓力隨時間變化曲線Fig.6 Typical time-history curves of soil pressure

圖7 典型筏板應力隨時間變化曲線Fig.7 Typical time-history curves of raft stress

4.5 筏板沉降

由于本工程需要進行鋼管樁加固施工，并且有整澆層混凝土需在鋼管樁施工完成后進行，因此沉降觀測點只能在整澆層混凝土澆筑后方可布設，導致無法在上部結(jié)構施工期間同步進行底板沉降觀測。為了解決這一問題，我們在地下室施工至正負零時在主體結(jié)構上布設了若干沉降點以觀測建筑物整體沉降，在基礎底板整澆層完成后及時布設了筏板沉降觀測點。根據(jù)目前沉降觀測結(jié)果，各測點沉降差不大，具體數(shù)值為21.6～23.4 mm。

5 結(jié) 論

本項目屬于典型的高層建筑樁基加固工程。針對工程樁存在的單樁承載力不足情況，在原有樁的基礎上，進行了增補鋼管樁的加固設計。同時，實施了補樁后的現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測分析。可為同類型的樁基加固方案設計提供參考依據(jù)。根據(jù)補樁加固方案和現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測分析，可得到以下結(jié)論：

(1) 本文提出的補樁加固措施能夠滿足設計的樁基承載力要求，同時樁筏基礎沉降均勻地控制在20 mm左右。由于筏板基礎厚2.5 m，因此整體剛度很大，可依靠自身剛度有效調(diào)整基礎差異沉降，沒有出現(xiàn)過大的差異沉降。考慮到后期可能發(fā)生的沉降，該工程的總沉降量和變形程度應能滿足規(guī)范的要求。

(2) 孔隙水壓力值在鋼管樁施工過程中逐步增加而后逐漸消散，體現(xiàn)出良好的規(guī)律性。現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測中，樁頂反力和樁間土壓力均隨著主樓層數(shù)的增加而逐步增加，最后趨于穩(wěn)定。樁間土壓力基本在40～ 80 kPa之間，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 各測點監(jiān)測成果表明，角樁反力最大，其次是邊樁，中間樁相對較小。由各測點的筏板應力數(shù)據(jù)看，均不超過10 MPa。

(4) 本樁基工程事故分析表明，在高承壓水頭區(qū)域采用樁端后注漿技術需采取可靠的施工措施以保證質(zhì)量。

(5) 監(jiān)測結(jié)果表明，各項數(shù)據(jù)基本符合設計預期，證明了加固設計方案合理可行，可為類似樁基加固工程提供參考。

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