基于新舊樁基礎變形的加固設計計算方法

陸觀宏，陳運新

(1.廣東交通職業技術學院，廣東廣州 510650;2.廣州鐵路集團公司貴廣鐵路廣州樞紐工程建設指揮部，廣東廣州 510370)

基于新舊樁基礎變形的加固設計計算方法

陸觀宏1，陳運新2

(1.廣東交通職業技術學院，廣東廣州 510650;2.廣州鐵路集團公司貴廣鐵路廣州樞紐工程建設指揮部，廣東廣州 510370)

基于新舊樁基礎變形的加固設計計算方法，應用于加固工程時，計算公式中的承臺與基礎梁下部土層的荷載承擔系數的取值受主觀因素影響很大。本文推導出新的加固設計計算方法，避免了土層荷載承擔系數取值的問題，并考慮了當存在負摩阻力時樁基礎的剛度降低以及荷載增加，更為合理，并應用新的計算方法對某工程的加固效果作了分析，很好地解釋了其加固效果不理想的原因。

樁基礎 加固 負摩阻力

建筑物樁基礎由于設計或施工等因素出現質量問題，或者因加層、改變用途等導致建筑物出現過大沉降或不均勻沉降，實際工程中經常采用的加固設計計算方法是重新核算建筑物傳至承臺的荷載p，評估原樁基礎的承載力p1，確定新加樁的單樁承載力p2，應滿足p≤p1+p2，但該設計方法僅考慮了力的平衡條件，而加固設計更應考慮新舊樁基礎的變形條件。

1 考慮新舊樁基礎變形的加固計算方法

把樁基礎看作彈簧，假設原來每根基樁剛度系數為k0，樁數為n0，建筑物已施加給樁基礎的荷載為N，尚未加上的荷載為N'，在N作用下，至加固前的實測沉降為s1，如果不加樁，在N作用下沉至s才能達到穩定。加樁后新舊基礎共同承擔的新荷載ΔN為

設每根新加樁的剛度系數為k1，新加樁數量為n1，由于加樁，建筑物不可能沉至s，只能沉至s2，令Δs為加樁后建筑物的沉降量，則Δs為

由于建筑物沉降，承臺、基礎梁或首層地板下的土層可能承擔了部分荷載，若基礎加固后，不再考慮這部分荷載由土層承擔，則這部分荷載在加樁后全部轉移，加樁數量應為

式中，m為在恒載作用下承臺與基礎梁下部土層的荷載承擔系數，0＜m＜1;s可根據實測沉降觀測資料擬合推導出。

2 考慮負摩阻力的加固計算方法

上述加固設計計算方法曾應用于某多層建筑基礎加固(見工程實例分析)，但存在兩方面不足:一方面，該方法只適合于一般受力的樁基礎，當樁基礎存在負摩阻力時，原樁基及新加樁基的剛度及承載力均發生變化，上述方法不再適用;另一方面，承臺與基礎梁下部土層的荷載承擔系數m的取值受主觀因素影響很大，難以合理準確。現對上述方法進行改進。

1)考慮下部土層承載影響的基樁剛度調整

加固前，若承臺或基礎底板下的土層承擔荷載，加固后，不再考慮這部分土層的承載作用，或土層下沉后將荷載轉移到樁基礎，則原基樁的剛度系數k0應按式(4)調整為k'0

式中，T為承臺或基礎梁下部土層承擔的建筑物荷載。

2)考慮負摩阻力的基樁剛度調整

當樁基礎存在負摩阻力，原樁基及新加樁基均需要考慮剛度調整。圖1中(a)、(b)分別代表樁基在正摩阻力和負摩阻力作用下的受力狀況，設

圖1 樁基受力

可得p'=p－q1－q3

式中，p為不考慮負摩阻力時單樁承載力;p'為考慮負摩阻力時單樁承載力;q1指基樁中性點以上的實際摩阻力，為負摩阻力;q2為樁中性點以下的摩阻力;q3為因忽略負摩阻力存在(樁側摩阻力均按正摩阻力對待)基樁中性點以上的側摩阻力。當q3已作為外荷載考慮時，有p'=p－q1。

實際樁的承載力為p'，其相應的剛度系數為k'，則

故樁基修正后的剛度為

式中，k為不考慮負摩阻力時剛度系數。

對公式(1)作如下修正

由于N=n0k0s，Δs=s2－s1，可得

式中，q0為原基礎樁單樁承受的負摩阻力;q1為新加樁單樁承受的負摩阻力。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某住宅樓為8層混合結構，采用φ480錘擊沉管灌注樁基礎，樁長16～22 m，以砂質黏性土層或全風化花崗巖作為樁端持力層，樁身混凝土強度等級為C20，單樁承載力設計值600 kN。該樓竣工后即發現樓體產生較大沉降，于是開始進行沉降觀測。5年半后，該建筑物4個角部的沉降量分別為533 mm，641 mm，614 mm和445 mm，并產生一定程度的傾斜。場地地下水位深1.0 m，巖土層分布如表1所示。

3.2 加固方案及加固效果

3.2.1 加固方案

該工程墻體為承重墻，承重墻下為鋼筋混凝土基礎梁，基礎梁下即為φ480沉管灌注樁。加固采用靜力壓樁加固方法。靜壓樁施工完成后，在樁頂處設置新的基礎梁，新基礎梁與原基礎梁連接在一起，共同承擔上部荷載。

表1 場地地質情況

采用考慮新舊樁基礎變形的加固設計計算方法，新設置的基樁樁身尺寸為300 mm×300 mm，最大壓入荷載為800 kN，設計承載力為400 kN。根據經驗，在設計荷載400 kN作用下，樁基沉降約為20 mm，即k =20 000 kN/m。N=25 164 kN，N'=2 796 kN。加樁后基礎沉降應較小，控制在20 mm左右，即Δs=20 mm。承臺與基礎梁下部土層的荷載承擔系數m取為1/4，s1取加固前4個角點沉降量的平均值556 mm，根據實測沉降觀測資料，按雙曲線模型擬合求得s=784 mm。

原樁基礎的剛度系數k0=25 164/(75×0.784)= 427.96 kN/m，根據式(3)求得加樁數量后，取為34根。

3.2.2 加固效果

工程加固于2001年6月14日至12月24日進行，加固期間及加固后觀測到的沉降變化情況如圖2所示，可見，至2002年1月9日，各觀測點的平均沉降量達51.6 mm，加固之后沉降速率仍達0.1 mm/d，說明沉降未能穩定，加固效果不甚理想。

圖2 加固期間及加固后沉降曲線

3.3 建筑物的沉降原因分析

3.3.1 淤泥層的固結度計算

由于無淤泥層和填土層的滲透性及壓縮性試驗數據，根據經驗，取淤泥的滲透系數K1=1.0×10－7cm/s，其壓縮模量Es=1.5 MPa;填土層由花崗巖殘積土組成，取滲透系數K2=1.0×10－5cm/s，取填土層作為淤泥的固結排水層，淤泥下臥層為黏土層，淤泥固結按單向排水固結考慮，假設填土為瞬時加載，根據公式

式中，U為固結度，Tv為時間因數，為填土堆填時間t的函數。可以求得，當固結度U=0.8時，t=17.4年;當固結度U=0.9時，t=25.9年。加固時，填土的堆填時間約10年，求得淤泥的固結度U=0.64，說明至建筑物基礎加固時，淤泥層固結沉降仍在繼續。

3.3.2 原因分析

經計算，基礎加固之前，填土與淤泥層固結的平均總沉降量約為541 mm，接近或小于建筑物平均下沉量556 mm。現場調查情況表明，基礎梁及首層地板均沒有與填土脫離，因此，建筑物基礎加固時，原樁基礎負摩阻力為0或很小。

原設計樁基礎為62根φ480沉管灌注樁，樁基檢測后發現部分樁基存在缺陷，增加了13根，共計75根樁基。建成后，在尚未投入使用的情況下，建筑物一直下沉，5年半后，平均下沉量達到556 mm，已大大超過規范的要求。建筑物恒載總重量為25 164 kN，單樁平均承擔荷載為N1=25 164/75=335.5 kN，即原樁基的單樁極限承載力NU＜335.5 kN，單樁承載力設計值為R=Nu/γc，γc為分項系數，取1.65，可得原樁基的實際單樁承載力設計值R＜203 kN。

通過上述分析可知，建筑物加固前，樁側土層提供的是正摩阻力，加固后，由于存在負摩阻力，樁的實際承載力設計值小于203 kN，這與原設計值600 kN相差較多。這是建筑物建成后發生如此大沉降的主要原因。由于原沉管灌注樁質量差，承載力低，造成建筑物平均下沉量大于填土和淤泥層的同期固結沉降量之和，基礎梁及底板與填土層都未脫空，因此，加固前，填土對建筑物具有承載作用。加固過程中，需在基礎梁兩側挖槽，對基礎梁下的填土層造成干擾，削弱了填土層對基礎梁及底板的承載作用，建筑物出現明顯的加速下沉(如圖2)，說明填土層的承載作用是顯著的，但在設計時不應計入填土層的承載力。

3.4 考慮負摩阻力與基礎變形進行加固設計

從以上的分析可知，樁基的負摩阻力必定會產生，在負摩阻力作用下，樁基的穩定沉降量必定大于擬合曲線所推導的沉降量，樁基的剛度要相應調整。重新設計計算如下。

原樁基單樁負摩阻力q0=66 kN，新增加樁的單樁負摩阻力q1=53 kN，建筑物的基礎梁寬為400 mm，總長度為203 m。填土層具有一定壓實度，根據1998年的鉆探結果，取承載力標準值為95 kPa，則承臺及基礎梁下的填土承擔建筑物的荷載T=203×0.4×95= 7 714 kN。

1)原樁的剛度修正

①考慮填土承載修正的剛度k'0=(25 164－7 714)/(75×0.784)=296.76 kN/m。

②考慮負摩阻力的剛度修正，p=12 820 kN，p'= 12 820－66×75=7 870 kN，k0=296.76×7 870/ 12 820=182.2 kN/m。

2)加固樁單樁剛度k1修正

k1值應根據樁基荷載試驗Q～s曲線求得，現仍按20 000 kN/m計算，剛度修正計算為，p=400 kN，p'= 400－53=347 kN，k1=20 000×347/400=17 350 kN/m，加固樁數量n1為

從上述計算結果看出，負摩阻力不但降低樁的承載力及剛度，而且增加樁的負載。考慮負摩阻力作用后，需增加的靜壓樁數量為85根。

4 結束語

傳統的樁基加固設計計算方法過于簡單。本文推導的樁基加固設計計算方法，把樁基礎看成彈簧，按新舊基礎變形進行設計。當樁基礎存在負摩阻力，則原樁基及新加樁基的剛度及承載力均發生變化，樁基剛度應作相應調整;當承臺或基礎底板下的土層承擔了荷載，加固后，不再考慮這部分土層的承載作用，或土層下沉后將荷載轉移到樁基礎，則原樁的剛度系數應作調整。改進后的計算方法更合理實用。對某工程的加固效果分析表明，是否考慮負摩阻力，設計計算方法不同，對加固效果影響很大。該樁基加固設計計算方法具有較好的參考價值，可推廣應用。

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TU473.1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2012．07-25

1003-1995(2012)07-0085-03

2012-02-21;

2012-04-13

陸觀宏(1970—)，男，廣東湛江人，副教授，博士研究生。

(責任審編 李付軍)