某建筑CFG樁復合地基沉降機理分析與加固處理

高子平

(福建工大建設工程檢測有限公司，福建 福州 350118)

某建筑CFG樁復合地基沉降機理分析與加固處理

高子平

(福建工大建設工程檢測有限公司，福建 福州 350118)

分析了福州市某建筑吹填土CFG樁復合地基沉降機理，通過方案比選，提出采用鋼管混凝土樁加固建筑物基礎的處理方案；詳細介紹了鋼管混凝土樁數量及布置、樁身構造設計、施工流程及工藝要求等；監測結果表明，采用鋼管混凝土樁進行基礎加固，對控制建筑物沉降效果顯著。

CFG樁復合地基； 沉降機理； 加固處理； 鋼管混凝土樁

1 工程概況

擬處理工程為福州市某服務大樓，主體為地下1層、地上4層現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑高度為20.85 m，總占地面積約2 733 m2。

建筑物場地原始地貌為海灘沖淤積，表層為6.46～7.45 m厚新近吹填砂，堆填時間小于1 a，下臥11.1～15.7 m厚淤泥質土，采用1 000 mm厚筏板基礎，筏板下設置200 mm厚C20(內加防腐劑)混凝土墊層。軟基處理采用樁徑500 mm、呈正三角形布置CFG樁，建筑物地基范圍內樁距1.6 m，樁端持力層為粘土；設計單樁承載力特征值350 kN，復合地基承載力180 kPa，如圖1所示。建筑物周邊樁距1.8 m。場地先排水后鋪填500 mm厚碎石墊層作褥墊層，墊層上下各鋪設一層雙向玻纖格柵。

該工程于2013年8月完成CFG樁施工，建筑物主體于2013年10月封頂，2014年4月完成主體裝飾、水電等工程，建筑物周邊通道、場地均已回填到設計標高。建筑物封頂前沉降量速率約為1.0～2.6 mm/d，且隨著建筑荷載的增大而增大，封頂階段增大到約1.1～2.8 mm/d，封頂后下降到約1.1～1.5 mm/d，但未見收斂跡象，建筑物局部累計沉降量達到280 mm以上。若持續沉降，將影響建筑物的正常使用，而且將與該建筑物對稱的另一棟建筑物(采用樁基礎、沉降量小)形成高差，影響美觀。為控制沉降，避免上述情況發生，需要對該建筑物基礎進行加固處理。

圖1 CFG樁復合地基示意圖(單位：mm) Fig.1 Schematic diagram of CFG piles compound foundation(unit:mm)

2 復合地基沉降機理分析

根據土力學固結沉降理論[1]，計算出建筑物荷載作用下，吹填砂土和淤泥質土的固結沉降速率約0.5～1.5 mm/d，與該建筑物的沉降速率1.1～1.5 mm/d比較接近，可判定該建筑物地基沉降與淤泥、吹填砂層的固結沉降有很大相關性。

根據勘察設計資料，對上部荷載全部作用在CFG復合地基上時，CFG單樁和CFG群樁基礎承載力進行驗算。計算出群樁樁端對持力層的荷載為250.1 kPa，而持力層經深度修正后的地基承載力特征值為320.8 kPa，CFG群樁承載力滿足工程要求。計算出基樁承擔的上部荷載約221 kN，由于淤泥固結產生下拉荷載約209 kN，樁身自重114.0 kN，總和為544 kN，而CFG單樁設計承載力僅為350 kPa，CFG基樁承載力不能滿足工程要求，地基發生刺入變形。

在CFG樁復合地基中，上部結構傳來的荷載由CFG樁體、樁周土和褥墊層共同承擔。褥墊層將上部基礎傳來的基底壓力或水平力通過適當的變形以一定的比例分配給CFG樁及樁周土體，使二者共同受力[2]。由于本工程淤泥深厚，淤泥層頂面吹填砂層達到5.0 m以上。在吹填砂層和建筑物附加應力作用下，淤泥和吹填砂層產生固結沉降，沉降量超過了褥墊層可調節的幅度，上部荷載基本轉移到樁頂，CFG樁跟樁間土無法共同工作，樁開始承擔了上部建筑的全部荷載。在上部建筑荷載、負摩阻力產生的下拉荷載及樁身自重作用下，基樁無法支承上述全部荷載，樁刺入樁端土中產生刺入變形造成沉降。當沉降一定量后，樁間土又開始工作，形成新的平衡。隨著淤泥和吹填砂繼續固結沉降，又形成新的刺入變形；如此交替變化，便產生緩慢的持續沉降。

3 基礎加固處理方案

3.1 設計方案比選

上述地基沉降機理分析表明，建筑筏板基礎以下土體固結沉降較大且仍有持續下沉趨勢，CFG樁及樁間土體無法形成復合地基共同作用；根據CFG樁身完整性低應變動力測試、單樁承載力靜載試驗及復合地基承載力驗收情況綜合分析，CFG樁身質量完整性良好，但不滿足承載力要求。因此本工程擬增加工程樁基、分擔CFG樁承受的荷載，以阻止建筑物繼續下沉。

由于是補強工程，本工程按補強樁的極限承載力支承上部結構荷載的計算原則確定補樁數量和承載力；由于樁基補強后，建筑物將停止下沉，但底板下的淤泥質土仍將繼續下沉，故還需考慮補樁材料抗壓強度能承擔上部全部荷載。根據上述兩點提出以下3個加固方案[3-7]：

方案一：鋼管混凝土樁

在CFG樁周布置間距為2 m的鋼管混凝土樁，鋼管外徑取300 mm，壁厚14 mm，樁長約27 m，采用錨桿樁方法壓入；上部建筑荷載198 042.8 kN，鋼管混凝土樁單樁豎向承載力特征值816 kN，考慮下拉荷載后的單樁豎向承載力為722 kN，則所需樁的數量為138根；樁身強度標準值1 396 kN，按樁身強度控制，則所需約142根樁。

方案二：預制方樁

在CFG樁周布置間距為2 m的預制方樁，樁身截面尺寸取250 mm×250 mm，樁身強度為C40，采用錨桿樁方法壓入；預制方樁單樁豎向承載力特征值866 kN，考慮下拉荷載后的單樁豎向承載力為772 kN，則所需樁的數量為129根；樁身強度標準值884 kN，按樁身強度控制，則所需約224根樁。

方案三：旋噴樁

在建筑物筏板下(避開CFG樁)布置旋噴樁，旋噴樁樁徑600 mm，樁距1.6 m，呈正三角形分布；以黏土層為持力層，樁端進入持力層深度為3 m，旋噴樁單樁豎向承載力特征值432 kN，大于樁身強度標準值212 kN，則按樁身強度控制，需要約468根樁。

3個方案技術對比如表1，綜合考慮施工難易程度、工程造價、施工進度等因素，選擇方案一為本工程的加固方案。

3.2 鋼管混凝土樁構造設計

由于受地下室內消防水池等已有結構的影響，鋼管混凝土加強樁布置采用室內和室外相結合的原則，大部分布置在室內，局部無法布樁區域布置在室外，鋼管樁身Φ300 mm，壁厚14 mm，單樁豎向抗壓承載力極限值取1 420 kN，樁基平面圖見圖2。

表1 基礎加固處理方案對比

Tab.1 Comparison of foundation reinforcement among 3 schemes

方案處理效果處理速度施工質量控制對環境的保護成本1優較快好好較高2優快較好好高3一般慢差較好較高

鋼管采用Q345，樁內側注C40混凝土，鋼管內插筋采用5根Ⅲ級Φ22 mm的鋼筋，鋼筋伸入筏板內35d，伸入鋼管內9 m。為避免樁頭在壓樁過程中發生變形或開裂導致管內進水進泥，應對樁頭進行加強。樁段采用焊接，上下節樁在同一垂直軸線上，焊接質量應符合相關規范要求[6]，樁身結構構造大樣圖見圖3。

圖2 鋼管混凝土樁加固平面布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of foundation reinforcement of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

圖3 鋼管混凝土樁樁身構造大樣圖(單位：mm)Fig.3 Construction major (details) of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

4 基礎加固施工技術

4.1 重點與難點分析及對策

1)針對基礎加固采用的樁基礎數量較多，施工中應確保建筑物基礎的受力均勻，合理安排加固樁基礎的施工順序，如圖2中箭頭所示。

2)鋼管混凝土樁靜壓施工中，由于筏板基礎厚度較大(厚1 000 mm)，經現場多次試鉆證實在地下室筏板基礎上一次性開設壓樁孔(Φ412 mm)具有很大的難度。本工程采用如圖4所示Φ180 mm的鉆頭分7次取芯成孔。

圖4 底板鉆孔施工示意圖(單位：mm)Fig.4 Schematic diagram of foundation slab drilling(unit:mm)

3)吹填砂厚度6.46～7.45 m，錨桿靜壓法施工難度較大。若鋼管樁壓樁施工遇填砂層壓不下去時，則采用引孔方法：填砂層(含褥墊層)以鉆機引孔至淤泥層面，后靜壓鋼管樁；引孔直徑273 mm，采用泥漿護壁，比重控制在1.25～1.35。

4.2 室內鋼管混凝土樁施工

室內鋼管混凝土樁施工流程為：測量、放線→鉆機鉆穿筏板成孔→引孔至淤泥層→錨桿植筋施工→利用錨桿靜壓法將鋼管混凝土樁壓至設計深度→鋼管混凝土樁焊接連接→鋼管混凝土樁內側注C40混凝土→錨桿孔清理，焊接封樁鋼筋→抽干孔內積水，鋼筋混凝土封頂至筏板面，養護。

(1)鉆機成孔施工工藝

采用鋼筋探測儀探測出筏板鋼筋位置，在鋼筋邊按圖4所示的方法對筏板進行鉆孔，成孔后改用Φ273 mm鉆頭引孔至淤泥質土層內2 m左右，再采用潛水鉆機械設備預鉆孔至淤泥層。

(2)錨桿植筋施工工藝

施工工藝流程：彈線定位→鉆孔→洗孔→鋼筋處理→注膠→植筋→固化養護→抗拔試驗樁段制作。

根據設計圖紙標注出植筋位置，采用φ36 mm的沖擊鉆進行鉆孔，鉆孔深度不小于20d(d為鋼筋直徑)。用毛刷伸至孔底來回抽動，把灰塵和碎渣帶出，再用空壓機吹出浮渣，用脫脂棉沾酒精或丙酮擦洗孔壁。采用角向磨光機以及鋼絲刷除銹，清除鋼筋錨固段表面銹跡及其它污物，打磨至露出金屬光澤為止。從孔底開始注膠，注膠量不少于1/3的孔體積(扣除鋼筋體積后)，同時將結構膠涂于鋼筋錨固前端2～3 mm，緩慢將鋼筋插入孔內，同時旋轉鋼筋，使結構膠從孔口溢出，排出孔內空氣，鋼筋外露部分長度要滿足設計要求。植筋施工后注意保護，24 h內嚴禁有任何擾動。結構膠正常固化后進行非破損性拉拔試驗，采用專用的鋼筋測力計檢測工作狀態的植筋質量，檢測的數量是植筋總數的10%，測力計施加的力要小于鋼筋的屈服強度，大于設計部門提供的植筋設計錨固力值。若加力達到鋼筋屈服強度時，鋼筋出現頸縮現象、繼而拉斷，表明鋼筋和植筋膠合格。

(3)錨桿靜壓法施工工藝

采用靜壓法對鋼管混凝土進行施工[9]，壓樁反力架安裝及壓樁時均要保持垂直，同時應保持千斤頂與樁段軸線在同一垂直線上，千斤頂施加的壓力中心與截面形心重合。壓樁應連續進行，盡量減少接樁時間，中途不得長時間停頓。如樁尖進入碎石障礙物或較硬土層、壓樁力急劇增加，可采用液壓系統稍壓入、持荷、再壓入、再持荷，直至達到設計深度或承載力。

室內鋼管混凝土樁壓樁不應同時集中一處施工，多臺設備同時施工時，同一軸線上不應超過2臺。同時做好壓樁記錄，采用以終壓力控制為主，樁長進入持力層深度作為參考的壓樁方法。為確保錨桿靜壓樁施工質量，應采用下述措施進行樁位、樁頂標高、沉樁過程施工控制。

(4)鋼管混凝土樁焊接工藝

焊接前應檢查接頭部位處理是否符合設計要求以及上、下節樁是否在同一垂直軸線上，是否符合施焊要求。焊接時兩名焊工在樁兩側同時施焊，以保證對稱受力，減小變形；焊接后應檢查焊接質量，若有漏焊或焊縫高度不夠，應及時補焊。

(5)樁芯混凝土澆筑

鋼管內混凝土的水灰比應控制在0.45及以下；混凝土的澆灌宜連續進行，間歇時間不應超過混凝土的終凝時間。

(6)封樁施工工藝

封樁施工是壓樁施工的一個關鍵環節，封樁質量對樁和混凝土底板連接、基樁承載力、聯結節點形式都有重要影響。

圖5為鋼管混凝土樁封孔大樣圖。按設計和規范要求[8]采用氧割截斷鋼管樁至設計標高；將鉆孔時截斷的底板鋼筋連接起來，形成封樁樁帽，加強樁和承臺及混凝土底板的連接；清理樁孔內渣滓及水；往鋼管樁內填充C40微膨脹混凝土進行封樁；全部樁頭密封結束后進行質量驗收。

圖5 鋼管混凝土樁封孔大樣圖(單位：mm)Fig.5 Construction major details of sealing holes of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

4.3 室外鋼管混凝土樁施工

室外地下室底板埋深達5 m，且地下水位較淺，室外鋼管混凝土樁施工工藝流程為：降水井施工主人工成孔護壁施工→錨桿靜壓鋼管混凝土樁施工→封樁→回填至室外地面標高→恢復地面及管線。下面對主要施工工序的施工工藝作詳細介紹。

(1)降水井施工

在基坑開挖范圍內設3口降水井以疏干吹填砂層滯水。降水井水泵埋設標高為-9.700，降水井井口標高為-0.450。降水要求降至補強承臺墊層底以下0.5 m即可。

(2)人工成孔護壁

樁護壁的混凝土強度等級為C25，第一節挖深約1 m，澆鋼筋混凝土護筒，井圈中心線與設計軸線的偏差不得大于10 mm，井圈頂面應比場地高出100～150 mm，壁厚應比下面井壁厚度增加100～150 mm。往下施工時，以每一節為一個施工循環，每一節高度為1 m。

(3)錨桿靜壓鋼管混凝土樁施工

該部分內容同4.2。

(4)回填土施工

補強承臺混凝土澆筑達到設計要求的強度后，進行回填土施工。填土要均勻分層夯實，填土材料可用黏性土或砂土，但不得含有草、垃圾等有機物質，壓實系數不小于0.94，回填后承載力不應低于原狀土承載力。

5 加固效果分析

5.1 鋼管混凝土樁質量檢測

鋼管混凝土樁樁身完整性采用低應變法檢測，單樁豎向承載力采用堆載靜壓法檢驗，取樣數量執行現行檢測規范[8-10]。鋼管混凝土樁施工完28 d后開始對樁進行低應變及單樁豎向抗壓承載力檢測，樁體低應變檢測全部合格，3根單樁靜壓載荷試驗曲線見圖6所示。從圖中可看出，單樁載荷為1 420 kN時累計沉降最大量為12.90 mm，且Q-S曲線平滑，所以單樁承載力特征值應不小于710 kN。

圖6 鋼管混凝土樁單樁靜載試驗曲線Fig.6 Test curves of static loading of concrete-filled single steel tube pile

5.2 地基沉降監測

建筑基礎加固處理后，對建筑物柱豎向沉降進行長期監測，其中F1、F2、F5和F8#監測點累計沉降曲線及沉降速率如圖7所示。

圖7 建筑物基礎加固后沉降監測曲線

從圖7可以看出，樁基加固施工結束后初期各點沉降幅度較大，繼續沉降最大量達17.04 mm，這是因為工程基礎加強處理是基于減沉復合疏樁基礎理論進行設計的，即為加強鋼管混凝土樁基和復合地基的協調工作，滿足復合地基的沉降和建筑物沉降控制的需要，加固樁基按其極限值進行布樁，且樁端不進入強、中、微風化巖層，因此加固后仍會有一定的沉降量。在樁基加固施工結束2個月后各測點沉降逐步穩定、沉降速率逐步減緩，各測點沉降速率均小于0.04 mm/d，符合建筑沉降穩定標準，達到基礎加固目的。

6 結論

對分布較厚軟土層的吹填土地基，由于填土荷載或填土自身壓縮沉降所引起墊層變形過大，難以形成復合地基，導致上部建筑物沉降過大的工程事故，在設計中應引起足夠的重視。

在工程實踐中，采用鋼管混凝土樁加固基礎沉降速率即明顯下降，效果很好，但技術復雜，工序較多，效率較低，施工時必需嚴格質量控制。

[1]李廣信，張丙印，于玉貞.土力學[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]龔曉楠.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2000.

[4]張宇亭，董海軍.濱海地區吹填土地基加固處理差異性分析[J].巖土工程技術，2010，24(6)：312-314.

[5]王芳，郭進京，鄭忠成.吹填土地基處理方法的討論[J].巖土工程技術，2009，12(6)：15-18.

[6]鄺文浩，周樂福.錨桿靜壓鋼管樁在基礎加固中的應用及實踐[J].廣東土木與建筑，2015(2)：30-31.

[7]周勇，王瑩.型鋼-混凝土組合梁式靜壓樁在舊有建筑基礎加固中的應用[J]//工業建筑,2015，45(S0):388-390.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.既有建筑地基基礎加固技術規程：JGJ123-2012 [S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[9]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑基樁檢測技術規程：JGJ106-2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[10]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基處理技術規范：JGJ79-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

(責任編輯： 陳雯)

Settlement mechanical analysis of CFG piles compound foundation and foundation reinforcement

Gao Ziping

(Construction Engineering Detection Co., Ltd., Fujian Industrial College, Fuzhou 350118, China)

The settlement mechanics of CFG piles compound foundation of certain building in Fuzhou was analysed, and a foundation reinforcement scheme of concrete-filled steel tube piles was presented by comparison. The number and arrangement of concrete-filled steel tube piles, structure design of piles, construction process and technical requirements were introduced. The results of detection and monitoring show that the foundation reinforcement scheme of concrete-filled steel tube piles is effective in controlling the settlement of the building.

CFG piles compound foundation; settlement mechanics; foundation reinforcement; concrete-filled steel tube pile

2016-09-19

高子平(1977- )，男，福建平潭人，工程師。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.004

U470

A

1672-4348(2016)06-0532-06