土層擾動(dòng)作用下樁基加固方案對(duì)比分析

于洪泳，倪玲，張宗超

（南京城鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江蘇南京 210024）

0 引言

為節(jié)約土地資源和充分合理利用地下空間，建造了大量高層建筑、多層地下室。為解決高層建筑承載和多層地下室的抗浮問題，樁基被廣泛采用。樁基承載力由樁側(cè)土的側(cè)摩阻力和樁端土的端阻力構(gòu)成。工程中偶爾會(huì)出現(xiàn)因某種原因樁側(cè)、樁端土受到擾動(dòng)，土體性狀發(fā)生變化，致使樁基承載力降低，無法滿足承載的問題。面對(duì)這一問題，通常采取樁側(cè)注漿或新增樁基的處理措施。然而，此舉雖然提高了樁基承載力，但又造成了工期滯后、成本上升的問題。

本文結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)樁周土受擾引起樁承載力降低的問題，提出了三種解決方案，并通過計(jì)算，分析了這三種解決方案的適用性，研究結(jié)果可為類似樁基承載力受損工程提供一定的參考。

1 工程概況

某工程地上部分由一棟22層、一棟15層及其之間的4層裙房組成，地下3層。地上主體區(qū)域布置413根φ800嵌巖樁，現(xiàn)場測試抗壓承載力為5000kN，樁反力在2500~5000kN。地下室自重較輕，基底土層粉細(xì)砂層或粉細(xì)砂夾粉土層地基承載力特征值分別為120kPa和150kPa，天然地基滿足承載需求。地下室底板底標(biāo)高為-15.600m，水浮力大于自重，設(shè)置559根φ700抗拔樁。現(xiàn)場測試抗拔承載力為1200kN，樁反力在400~1200kN之間。樁平面布置見圖1，圖中陰影區(qū)為抗壓樁，其余為抗拔樁。

圖1 樁基平面布置圖

建筑場地臨近長江，地下水充沛，主要為淺層潛水和承壓水。承壓水主要有兩層，微承壓水分布于粉砂層中，弱承壓水分布于粉細(xì)砂層和含礫中粗砂層。止水圍幕位于4層含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層內(nèi)，工程樁樁端位于含承壓水的5層粉細(xì)砂層內(nèi)。

2 土體擾動(dòng)原因及對(duì)工程的影響

施工過程中因廢棄樁孔未及時(shí)封堵，廢樁孔成為承壓水層與基坑之間的水流通道，底板施工完后約3個(gè)月，基坑內(nèi)土體發(fā)生管涌，地下水?dāng)y帶泥沙從廢樁孔不斷涌出。基坑下部地基土體中較細(xì)土粒被水流推動(dòng)帶走，影響土體的密實(shí)度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)，進(jìn)而降低了樁基承載力（圖2）。

圖2 基坑剖面示意圖

管涌前、后各土層參數(shù)對(duì)比見表1，擾動(dòng)后3-2、4-1、4-2樁側(cè)摩阻力分別降低了35%、20%、16%。

表1 土層擾動(dòng)前后土層力學(xué)參數(shù)對(duì)比表

3 土層擾動(dòng)前后樁基承載力設(shè)計(jì)值差異

因樁側(cè)摩阻力和端阻力出現(xiàn)不同程度的降低，致使樁基承載力降低，而具體降低數(shù)值需根據(jù)原土層參數(shù)計(jì)算值、原現(xiàn)場檢測值、擾動(dòng)后土層參數(shù)計(jì)算值綜合推定，并最終根據(jù)基坑內(nèi)檢測結(jié)果確定。

3.1 土層受擾前抗壓樁承載力計(jì)算值和檢測值

土層受擾前抗壓樁承載力極限值[1-2]，根據(jù)《地勘報(bào)告》提供的側(cè)摩阻力極限值qsik、單軸飽和抗壓強(qiáng)度frk、嵌巖系數(shù)ζr和《樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.3.9條式1—3計(jì)算：

式中：Qsk——土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qrk——嵌巖段極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

式（1）—（3）計(jì)算得出直徑800mm抗壓樁承載力特征值在4100~4350kN之間，檢測值在5500~5775kN之間。檢測值較計(jì)算值增加約33%。

3.2 土層受擾前抗拔樁承載力計(jì)算值和檢測值

土層受擾前抗拔樁承載力極限值[1-2]，根據(jù)《地勘報(bào)告》提供的側(cè)摩阻力極限值qsik和《樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.4.6條式4計(jì)算：

式中：Tuk——基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

直徑700mm抗拔樁承載力特征值為1041~1240 kN，檢測值為1551~1848kN，檢測值較計(jì)算值增加49%。

3.3 土層擾動(dòng)后抗壓樁承載力推定值

根據(jù)表1中土層擾動(dòng)后側(cè)摩阻力極限值qsik，按式1、2、3計(jì)算出擾動(dòng)后抗壓樁承載力平均值為3490kN，按3.1節(jié)中提高系數(shù)1.33推算，土層擾動(dòng)后抗壓樁承載力平均值為4500kN，為擾動(dòng)前樁承載力的90%。

3.4 土層擾動(dòng)后抗拔樁承載力推定值

按表1中土層擾動(dòng)后的qsik值和式4計(jì)算出抗拔樁承載力平均值為876kN。按3.2節(jié)中提高系數(shù)的0.5倍選取為1.25，推定土層受擾后抗拔樁承載力平均值為1090kN，為擾動(dòng)前樁承載力的87.5%。

3.5 樁基承載力降低情況

綜合現(xiàn)場檢測值，土層擾動(dòng)前、后計(jì)算值，最終推定抗壓樁承載力為4500kN，抗拔樁承載力為1090kN。

4 樁基加固方案及對(duì)比分析

根據(jù)第3節(jié)分析結(jié)果可知，部分受壓反力超過4500kN的抗壓樁和上浮反力超過1090kN的抗拔樁不滿足承載需求，工程安全度降低，因此需采取針對(duì)性的加固處理措施。

為保證樁基滿足承載需求，擬通過樁土共同作用，樁側(cè)注漿或高壓旋噴加固，考慮立柱樁承載，增加結(jié)構(gòu)自重等方案解決。具體處理方案見表2、表3。

表2 主樓抗壓樁區(qū)域樁基加固方案

表3 車庫抗拔樁區(qū)域樁基加固方案

4.1 方案a加固處理

抗壓樁承載力降低了10%，但考慮到主樓部分基底土層具有承載能力，可分擔(dān)部分上部荷載，因此可考慮樁土共同作用的處理措施。將實(shí)測Q~S曲線得出的樁剛度[4]，沉降反推法[4]得出的地基土基床系數(shù)分別賦予樁和地基土后，計(jì)算得出地基反力在100kPa左右。樁基反力如圖3所示，抗壓樁反力結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 考慮樁土共同作用后與原設(shè)計(jì)抗壓樁樁反力統(tǒng)計(jì)表

圖3 標(biāo)準(zhǔn)組合下主樓局部區(qū)域樁反力簡圖

從圖3、表4可以看出，考慮樁土共同作用，樁反力4500~5000kN之間的149根樁及4000~4500kN之間的135根樁反力均降低至3500kN以下，均小于擾動(dòng)后的樁承載力，同時(shí)地基土反力也小于地基承載力特征值。

抗拔樁承載力降低了10%，降幅不大，可考慮采取增加自重的抗浮措施。

從圖4、表5可以看出，底板厚度增至1200mm后，樁抗拔最大反力由1181kN降為1025kN，樁反力在1050~1200kN之間的347根樁反力降至1025kN以下，最大降幅為15%，小于土層受擾后的樁承載力值。

圖4 增加自重后車庫局部區(qū)域樁最小反力（抗拔）簡圖

表5 筏板厚度調(diào)整后抗拔樁樁反力統(tǒng)計(jì)表

4.2 方案b加固處理

當(dāng)樁基承載力降低較多需大幅提高樁承載力，或基底土層不能承載需采用樁側(cè)高壓旋噴樁或注漿加固時(shí)，形成勁性復(fù)合樁或樁側(cè)后注漿的樁基受力機(jī)理。樁基承載力分別按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.3.10條和《勁性復(fù)核樁技術(shù)規(guī)程》[3]第4.3.2條計(jì)算樁基承載力特征值。計(jì)算得出注漿加固[8-11]和高壓旋噴加固[5-7]樁基后，抗壓樁樁基承載力如表6所示。

表6 抗壓樁后注漿、高壓旋噴樁加固后承載力

表6表明采用后注漿和高壓旋噴樁加固后，樁承載力提高幅度分別為10%和40%左右，均達(dá)到原設(shè)計(jì)值5000kN的需求。采用樁側(cè)注漿或高壓旋噴加固處理措施，加固對(duì)象為表4中原工程樁反力介于4500~5000kN之間的149根樁。

按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]和《勁性復(fù)核樁技術(shù)規(guī)程》[3]計(jì)算得出注漿加固[2]和高壓旋噴加固樁基后，抗拔樁承載力如表7所示。

表7 抗拔樁注漿、高壓旋噴樁加固后承載力

表7表明采用樁側(cè)注漿或高壓旋噴樁加固后，樁抗拔承載力提高幅度分別為30%和140%，均達(dá)到原設(shè)計(jì)值1200kN的需求。加固對(duì)象為表5中原工程樁反力在1050~1200kN之間的347根樁。

4.3 方案c加固處理

地下室支護(hù)體系設(shè)置立柱樁，立柱樁抗壓、抗拔承載力均比工程樁高且其構(gòu)造滿足抗壓、抗拔樁的要求。因此，可利用立柱樁參與承載以降低樁加固數(shù)量。但立柱樁因其局部分布與不均勻性的問題，往往需要與方案a或b結(jié)合使用。

將101根立柱樁參與基礎(chǔ)整體計(jì)算，立柱樁分擔(dān)部分上部結(jié)構(gòu)荷載和上浮力后，其所在部位工程樁反力降低。抗壓樁反力在4500~5000kN區(qū)間數(shù)量由149根降至73根，僅需對(duì)73根樁采用樁側(cè)注漿或高壓旋噴加固以恢復(fù)其承載力；立柱樁所在區(qū)域樁上浮反力降低，其中樁反力介于1050~1200kN之間的樁數(shù)量由347根降至266根，僅需對(duì)266根樁采用樁側(cè)注漿或高壓旋噴進(jìn)行加固以恢復(fù)承載力，達(dá)到滿足工程承載的需求。抗壓樁和抗拔樁反力減少數(shù)量及反力分布見圖5、圖6和表8、表9。

表9 Φ700抗拔柱反力統(tǒng)計(jì)表

圖6 考慮立柱樁作用車庫局部區(qū)域抗拔樁反力簡圖

表8 Φ800抗壓樁承載力統(tǒng)計(jì)表

圖5 考慮立柱樁主樓局部區(qū)域抗壓樁最大反力簡圖

4.4 加固效果對(duì)比分析

通過對(duì)方案a、b、c對(duì)比分析表明，各加固方法適用不同的加固條件，各加固措施提高樁基承載力或降低樁基反力的幅度不同，抗壓樁加固方案和抗拔樁加固方案各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件等見表10、表11。

表10 抗壓樁加固各措施適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表11 抗拔樁加固各措施適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

綜上分析可以得出，針對(duì)土層受擾后樁基承載力有所下降的工程問題，可采用考慮樁土共同作用，樁基加固，考慮立柱樁承載等解決措施。

對(duì)于抗壓樁基，當(dāng)基礎(chǔ)下土層具備一定承載能力且樁基承載力降幅在10%~30%之間時(shí)可采用考慮樁土共同作用的方法；當(dāng)土質(zhì)不具備承載能力，樁基承載力降幅在10%以內(nèi)時(shí)，可采用樁側(cè)注漿加固的措施；當(dāng)樁基承載力降幅超過10%時(shí)，可采用樁側(cè)高壓旋噴樁加固的措施；當(dāng)有滿足承載及構(gòu)造要求的立柱樁時(shí)，可考慮立柱樁參與承載并選擇結(jié)合樁土共同作用、樁側(cè)注漿、高壓旋噴樁加固的措施。

當(dāng)抗拔樁承載力降幅在10%以內(nèi)時(shí)，可采取增加結(jié)構(gòu)自重的措施；當(dāng)抗拔樁承載力降幅在10%~30%之間時(shí)，可采取樁側(cè)注漿加固的處理措施；當(dāng)樁基承載力降幅超過30%時(shí)，可采取樁側(cè)高壓旋噴樁加固的處理措施；當(dāng)工程有滿足承載及構(gòu)造要求的立柱樁時(shí)，可考慮立柱樁參與承載并結(jié)合增加結(jié)構(gòu)自重、樁側(cè)注漿、高壓旋噴樁加固的方法。