超長(zhǎng)錨桿靜壓樁在建筑加層改造工程中的應(yīng)用

駱 敏，葉 彬

（1.浙江拜司特建設(shè)工程施工圖審查中心，浙江 杭州 310030；2.浙江建院建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310006）

0 引 言

錨桿靜壓樁是錨桿與靜壓樁相結(jié)合的一種施工工藝，目前主要應(yīng)用于新建或已建建筑的地基加固補(bǔ)強(qiáng)，地基不均勻沉降建筑物的糾偏處理，以及新建工程的逆做法樁基施工等工程[1]。

本工程上部荷載增加較大，需要極大地提高地基承載力，工程原有的短樁不滿足承載力要求。由于已有結(jié)構(gòu)的限制，基礎(chǔ)加固無(wú)法采用大型機(jī)械施工，因此基礎(chǔ)加固考慮采用施工設(shè)備簡(jiǎn)單，適合狹小空間作業(yè)的錨桿靜壓樁施工工藝，同時(shí)考慮荷載增加較多，經(jīng)過(guò)分析采用超長(zhǎng)錨桿靜壓樁和原有工程樁間隔設(shè)置的方法，以彌補(bǔ)地基承載力不足，同時(shí)減少基礎(chǔ)沉降[2]。

新增超長(zhǎng)錨桿靜壓樁、原有工程樁及層狀場(chǎng)地之間相互作用機(jī)理復(fù)雜，因此承載力計(jì)算及沉降計(jì)算則成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文引入剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的理論以求解長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力。對(duì)于新增荷載，通過(guò)基礎(chǔ)承載力求解及沉降計(jì)算可確定新增超長(zhǎng)錨桿靜壓樁數(shù)量[3-5]。

由于超長(zhǎng)錨桿靜壓樁具有樁身長(zhǎng)、樁節(jié)多、承載力高等特點(diǎn)，使得錨桿靜壓樁在施工過(guò)程中存在一些難點(diǎn)。本文針對(duì)工程實(shí)際情況，提出合理的施工技術(shù)措施，以確保施工質(zhì)量。

1 基礎(chǔ)加固

本工程天工藝苑位于杭州市解放路南側(cè)，原有建筑面積約23 000 m2，建筑高度24.1 m，層數(shù)地下1層，地上5層。原有結(jié)構(gòu)類型為板柱結(jié)構(gòu)，1層地下室，基礎(chǔ)為夯擴(kuò)樁，樁徑Ф377，樁長(zhǎng)6.5 m，采用軸線布樁方式，樁頂標(biāo)高為?5.8 m，樁端標(biāo)高為?12.3 m，共1 086根。單樁承載力設(shè)計(jì)值為500。樁端伸入基礎(chǔ)梁，樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

現(xiàn)將在原有的5層混凝土結(jié)構(gòu)上增加7層，并在東南兩側(cè)各新增一跨，加層后成為 12層的高層建筑，面積約43 000 m2，建筑高度達(dá)到49.9 m。改造后下面5層為板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，上面7層為鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。由于上部荷載增加較大，原有基礎(chǔ)不滿足承載力要求，需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

基礎(chǔ)加固方案必須能控制原建筑物的沉降量及不均勻沉降，且能托換部分荷載以滿足加層要求。由于已有結(jié)構(gòu)的限制，基礎(chǔ)加固無(wú)法采用大型機(jī)械施工，因此采用施工設(shè)備簡(jiǎn)單，適合狹小空間作業(yè)的錨桿靜壓樁施工工藝，采用Ф400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長(zhǎng)41 m，每節(jié)長(zhǎng)度2 m，單樁承載力特征值800 kN，共布長(zhǎng)樁180根。其樁位布置圖如圖1所示。

圖1 樁位平面布置圖Fig.1 Pile layout plan

結(jié)構(gòu)原有樁基礎(chǔ)持力層為砂質(zhì)粉土、粉砂層，如圖2所示，而其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，承載力僅80 kPa，壓縮模量為3.45 kPa的高壓縮性粉質(zhì)黏土，為軟弱下臥層，而且層厚為1.30～11.00 m，變化較大，分布不均勻。建筑物西面厚度大，東面厚度小。

圖2 土層分布示意圖Fig.2 Soil distribution diagram

基礎(chǔ)補(bǔ)樁如仍選擇砂質(zhì)粉土、粉砂層為持力層，則存在以下問(wèn)題：基礎(chǔ)沉降量及沉降差均無(wú)法控制在規(guī)范許可范圍內(nèi)；所補(bǔ)樁數(shù)較多，對(duì)原結(jié)構(gòu)地下室底板破壞較為嚴(yán)重；擠土效應(yīng)明顯，對(duì)原有基礎(chǔ)及周圍建筑影響較大。

因此經(jīng)過(guò)分析，本工程選用超長(zhǎng)錨桿靜壓樁方案，樁端持力層采用卵石層。超長(zhǎng)錨桿樁與原有工程樁采取間隔設(shè)置，以彌補(bǔ)地基承載力不足，同時(shí)減少基礎(chǔ)沉降。

2 基礎(chǔ)承載力計(jì)算

建筑基底以下存在兩個(gè)持力層，原有工程樁樁端放在上層持力層（粉質(zhì)黏土層），新增錨桿靜壓樁樁端設(shè)置在下層持力層（卵石層），因此基礎(chǔ)在受力機(jī)理上形成了長(zhǎng)短樁共同作用的復(fù)合地基形式。通常有長(zhǎng)樁協(xié)力形式和長(zhǎng)樁控沉形式兩種長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的形式。

本工程由于原有短樁不滿足承載力要求，需通過(guò)長(zhǎng)樁和短樁的間隔設(shè)置，長(zhǎng)樁的作用主要是彌補(bǔ)經(jīng)短樁加固后的地基承載力的不足。因此，承載力計(jì)算模式可采用長(zhǎng)樁協(xié)力形式的計(jì)算模式。同時(shí)長(zhǎng)樁的設(shè)置也減少基礎(chǔ)的沉降。

計(jì)算模式可根據(jù)剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的理論和工程實(shí)踐，參照同一樁長(zhǎng)復(fù)合地基承載力計(jì)算方法計(jì)算。基本方法即將短樁加固后的復(fù)合地基視為長(zhǎng)樁復(fù)合地基的“樁間土”，具體方法如下：

短樁復(fù)合地基“樁間土”的承載力計(jì)算公式（1）[6]：

式中：fspk1為短樁復(fù)合地基承載力特征值；fk為天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；A1為短樁分擔(dān)的總面積；Ap1為短樁截面總面積；α為樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；β為樁間土強(qiáng)度發(fā)揮度；Rk1為短樁承載力特征值。

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載計(jì)算公式：

式中：fspk2為長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力特征值；A2為長(zhǎng)樁分擔(dān)的總面積；Ap2為長(zhǎng)樁截面總面積；Rk2為長(zhǎng)樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

3 沉降計(jì)算

在本工程中，由于原有工程樁的存在和新增超長(zhǎng)錨桿靜壓樁長(zhǎng)度不一致，因此基礎(chǔ)在受力機(jī)理上形成長(zhǎng)短樁共同作用的復(fù)合地基形式，基礎(chǔ)的沉降需要考慮臨樁沉降的影響，并由于樁長(zhǎng)的不一致使得群樁的沉降計(jì)算更為復(fù)雜。

設(shè)有層狀場(chǎng)地中有樁A、樁B兩根樁，設(shè)樁A為超長(zhǎng)錨桿靜壓樁，樁B為原有工程短樁，兩樁間距為Sd。將它們沿樁長(zhǎng)方向和土層一樣劃分單元，其中樁A劃分為n單元，樁B劃分為m單元，如圖3所示。

圖3 力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model

樁頂受到垂直向下的荷載作用，土體對(duì)樁的反力作用表現(xiàn)為樁側(cè)的環(huán)狀荷載和樁端的盤狀荷載。通過(guò)樁側(cè)環(huán)狀摩阻力和樁端盤狀反力，樁體和土體受力表現(xiàn)為作用和反作用的關(guān)系，通過(guò)樁土的接觸，樁體和土體保持豎向位移協(xié)調(diào)，則樁與土體的荷載-位移關(guān)系表示為（3）：

式中：WA及WB分別為樁 A、B的節(jié)點(diǎn)位移向量；PA及PB分別為樁A、B的節(jié)點(diǎn)外荷載向量；KPA為樁A的總剛度矩陣，可采用有限元法將樁單元?jiǎng)偠染仃嚱M裝得到；ekAA分別為及與樁 A同體積開挖出土柱的總剛度矩陣；fkAA為樁A與土交界面處作用環(huán)形或盤狀（樁底部）豎向簡(jiǎn)諧荷載時(shí)的剛度矩陣；而fkAB為樁B與土交界面處作用環(huán)形（周邊處）或盤狀（樁底面處）豎向簡(jiǎn)諧荷載時(shí)在A樁土交界面上產(chǎn)生位移的剛度矩陣。KPB、ekBB、fkBA、fkBB可作出類似的定義。fkAA、fkBB、fkAB與fkBA可由環(huán)形荷載或盤狀荷載的格林函數(shù)算出[7]。

當(dāng)采用場(chǎng)地中存在k根樁時(shí)，則樁土體系的平衡方程可以表示為：

采用式（4）能充分考慮土的層狀性質(zhì)對(duì)群樁沉降影響，同時(shí)根據(jù)土層性質(zhì)、樁材料性質(zhì)、及樁頂荷載能求出各樁頭沉降量。

在本工程中可根據(jù)長(zhǎng)短樁樁的材料、尺寸形成相應(yīng)的剛度矩陣，代入式（4）可求解長(zhǎng)短樁相互作用沉降計(jì)算公式。

由于原有荷載使工程短樁產(chǎn)生一定的沉降，通過(guò)新增荷載的分配可求解出加層后的相對(duì)沉降。

根據(jù)基礎(chǔ)承載力計(jì)算及沉降計(jì)算，本工程設(shè)計(jì)確定新增錨桿靜壓樁采用 Ф400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長(zhǎng)41 m，每節(jié)長(zhǎng)度2 m，單樁承載力特征值800 kN，共布長(zhǎng)樁180根。

工程竣工后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沉降量和計(jì)算沉降量比較接近。

4 超長(zhǎng)錨桿靜壓樁施工

較常規(guī)的錨桿靜壓樁，該工程超長(zhǎng)錨桿靜壓樁存在以下一些特點(diǎn)：超長(zhǎng)，樁身長(zhǎng)度平均在40 m左右；樁節(jié)較多，平均20個(gè)左右；高承載力，單樁承載力特征值達(dá)到800；大直徑，樁身直徑為Ф400。

由于超長(zhǎng)錨桿靜壓樁的這些特點(diǎn)，使得錨桿靜壓樁在施工中存在一些難點(diǎn)。首先，樁身要穿透砂質(zhì)粉土、粉砂層，壓樁力較大；其次，樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，樁節(jié)較多，垂直度比較難控制；第三，施工中擠土效應(yīng)對(duì)原有基礎(chǔ)將產(chǎn)生不良影響。

因此在施工過(guò)程中采取一些必要的施工技術(shù)措施，以確保施工的順利進(jìn)行及施工質(zhì)量。

樁身要穿透場(chǎng)地中的粉砂層，如不采取措施，其壓樁力可能超過(guò)2 000 kN，這超過(guò)了Ф400預(yù)應(yīng)力管樁的樁身極限承載力。因此沉樁時(shí)不宜采用強(qiáng)行壓樁，可采用輔助沉樁技術(shù)。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的條件約束（位于室內(nèi)，外部環(huán)境為鬧市區(qū)），采用干取土方式較為有利。在以不破壞原有工程樁的原則下，用小型鉆機(jī)配螺旋轉(zhuǎn)頭取土引孔。這樣既減少壓樁力，保證樁身不破壞，又減少擠土效應(yīng)對(duì)原基礎(chǔ)的破壞。

針對(duì)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，樁節(jié)較多，垂直度難控制情況，需要控制接樁的同心度和焊接速度，采用新型壓樁機(jī)D-250反力錨桿樁基，該壓樁機(jī)具有壓樁力大、垂直度控制好等特點(diǎn)。

由工程實(shí)施情況看，樁基施工過(guò)程中，沉樁較為順利，且周邊環(huán)境未出現(xiàn)明顯變化，本工程所采用的施工技術(shù)措施是可行且有效的。

5 結(jié) 論

（1）結(jié)合該小區(qū)改造項(xiàng)目的基礎(chǔ)加固方案，探討了超長(zhǎng)錨桿靜壓樁在基礎(chǔ)加固工程中的應(yīng)用，表明在上部荷載增加較大時(shí)，超長(zhǎng)錨桿靜壓樁在基礎(chǔ)沉降控制及減少補(bǔ)樁數(shù)量方面較常規(guī)錨桿靜壓樁具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（2）考慮樁-土相互作用，利用環(huán)狀及盤狀荷載作用下場(chǎng)地位移格林函數(shù)求解了場(chǎng)地的剛度矩陣，并與樁剛度矩陣組裝得到樁-土剛度矩陣，進(jìn)而給出復(fù)合樁基沉降計(jì)算公式。

（3）超長(zhǎng)錨桿靜壓樁在實(shí)際使用時(shí)存在技術(shù)難點(diǎn)，需要針對(duì)超長(zhǎng)錨桿靜壓樁的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的技術(shù)措施，保證超長(zhǎng)錨桿靜壓樁施工的順利進(jìn)行。