基于新舊樁基礎(chǔ)變形的加固設(shè)計計算方法

陸觀宏，陳運新

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)指揮部，廣東廣州 510370)

基于新舊樁基礎(chǔ)變形的加固設(shè)計計算方法

陸觀宏1，陳運新2

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)指揮部，廣東廣州 510370)

基于新舊樁基礎(chǔ)變形的加固設(shè)計計算方法，應(yīng)用于加固工程時，計算公式中的承臺與基礎(chǔ)梁下部土層的荷載承擔系數(shù)的取值受主觀因素影響很大。本文推導(dǎo)出新的加固設(shè)計計算方法，避免了土層荷載承擔系數(shù)取值的問題，并考慮了當存在負摩阻力時樁基礎(chǔ)的剛度降低以及荷載增加，更為合理，并應(yīng)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(chǔ) 加固 負摩阻力

建筑物樁基礎(chǔ)由于設(shè)計或施工等因素出現(xiàn)質(zhì)量問題，或者因加層、改變用途等導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)過大沉降或不均勻沉降，實際工程中經(jīng)常采用的加固設(shè)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(chǔ)的承載力p1，確定新加樁的單樁承載力p2，應(yīng)滿足p≤p1+p2，但該設(shè)計方法僅考慮了力的平衡條件，而加固設(shè)計更應(yīng)考慮新舊樁基礎(chǔ)的變形條件。

1 考慮新舊樁基礎(chǔ)變形的加固計算方法

把樁基礎(chǔ)看作彈簧，假設(shè)原來每根基樁剛度系數(shù)為k0，樁數(shù)為n0，建筑物已施加給樁基礎(chǔ)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(wěn)定。加樁后新舊基礎(chǔ)共同承擔的新荷載ΔN為

設(shè)每根新加樁的剛度系數(shù)為k1，新加樁數(shù)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(chǔ)梁或首層地板下的土層可能承擔了部分荷載，若基礎(chǔ)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(zhuǎn)移，加樁數(shù)量應(yīng)為

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

2 考慮負摩阻力的加固計算方法

上述加固設(shè)計計算方法曾應(yīng)用于某多層建筑基礎(chǔ)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(chǔ)，當樁基礎(chǔ)存在負摩阻力時，原樁基及新加樁基的剛度及承載力均發(fā)生變化，上述方法不再適用;另一方面，承臺與基礎(chǔ)梁下部土層的荷載承擔系數(shù)m的取值受主觀因素影響很大，難以合理準確?，F(xiàn)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(diào)整

加固前，若承臺或基礎(chǔ)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(zhuǎn)移到樁基礎(chǔ)，則原基樁的剛度系數(shù)k0應(yīng)按式(4)調(diào)整為k'0

式中，T為承臺或基礎(chǔ)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(diào)整

當樁基礎(chǔ)存在負摩阻力，原樁基及新加樁基均需要考慮剛度調(diào)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(shè)

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(cè)摩阻力均按正摩阻力對待)基樁中性點以上的側(cè)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(yīng)的剛度系數(shù)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(shù)。

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(chǔ)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(jié)構(gòu)，采用φ480錘擊沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁長16～22 m，以砂質(zhì)黏性土層或全風(fēng)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(shè)計值600 kN。該樓竣工后即發(fā)現(xiàn)樓體產(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)梁，基礎(chǔ)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(shè)置新的基礎(chǔ)梁，新基礎(chǔ)梁與原基礎(chǔ)梁連接在一起，共同承擔上部荷載。

表1 場地地質(zhì)情況

采用考慮新舊樁基礎(chǔ)變形的加固設(shè)計計算方法，新設(shè)置的基樁樁身尺寸為300 mm×300 mm，最大壓入荷載為800 kN，設(shè)計承載力為400 kN。根據(jù)經(jīng)驗，在設(shè)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(chǔ)沉降應(yīng)較小，控制在20 mm左右，即Δs=20 mm。承臺與基礎(chǔ)梁下部土層的荷載承擔系數(shù)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(jù)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(chǔ)的剛度系數(shù)k0=25 164/(75×0.784)= 427.96 kN/m，根據(jù)式(3)求得加樁數(shù)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(wěn)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(jié)度計算

由于無淤泥層和填土層的滲透性及壓縮性試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗，取淤泥的滲透系數(shù)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(shù)K2=1.0×10－5cm/s，取填土層作為淤泥的固結(jié)排水層，淤泥下臥層為黏土層，淤泥固結(jié)按單向排水固結(jié)考慮，假設(shè)填土為瞬時加載，根據(jù)公式

式中，U為固結(jié)度，Tv為時間因數(shù)，為填土堆填時間t的函數(shù)?？梢郧蟮?，當固結(jié)度U=0.8時，t=17.4年;當固結(jié)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(jié)度U=0.64，說明至建筑物基礎(chǔ)加固時，淤泥層固結(jié)沉降仍在繼續(xù)。

3.3.2 原因分析

經(jīng)計算，基礎(chǔ)加固之前，填土與淤泥層固結(jié)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?，F(xiàn)場調(diào)查情況表明，基礎(chǔ)梁及首層地板均沒有與填土脫離，因此，建筑物基礎(chǔ)加固時，原樁基礎(chǔ)負摩阻力為0或很小。

原設(shè)計樁基礎(chǔ)為62根φ480沉管灌注樁，樁基檢測后發(fā)現(xiàn)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(guī)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(shè)計值為R=Nu/γc，γc為分項系數(shù)，取1.65，可得原樁基的實際單樁承載力設(shè)計值R＜203 kN。

通過上述分析可知，建筑物加固前，樁側(cè)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(shè)計值小于203 kN，這與原設(shè)計值600 kN相差較多。這是建筑物建成后發(fā)生如此大沉降的主要原因。由于原沉管灌注樁質(zhì)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(jié)沉降量之和，基礎(chǔ)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(chǔ)梁兩側(cè)挖槽，對基礎(chǔ)梁下的填土層造成干擾，削弱了填土層對基礎(chǔ)梁及底板的承載作用，建筑物出現(xiàn)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(shè)計時不應(yīng)計入填土層的承載力。

3.4 考慮負摩阻力與基礎(chǔ)變形進行加固設(shè)計

從以上的分析可知，樁基的負摩阻力必定會產(chǎn)生，在負摩阻力作用下，樁基的穩(wěn)定沉降量必定大于擬合曲線所推導(dǎo)的沉降量，樁基的剛度要相應(yīng)調(diào)整。重新設(shè)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(chǔ)梁寬為400 mm，總長度為203 m。填土層具有一定壓實度，根據(jù)1998年的鉆探結(jié)果，取承載力標準值為95 kPa，則承臺及基礎(chǔ)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(yīng)根據(jù)樁基荷載試驗Q～s曲線求得，現(xiàn)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(shù)量n1為

從上述計算結(jié)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(shù)量為85根。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的樁基加固設(shè)計計算方法過于簡單。本文推導(dǎo)的樁基加固設(shè)計計算方法，把樁基礎(chǔ)看成彈簧，按新舊基礎(chǔ)變形進行設(shè)計。當樁基礎(chǔ)存在負摩阻力，則原樁基及新加樁基的剛度及承載力均發(fā)生變化，樁基剛度應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整;當承臺或基礎(chǔ)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(zhuǎn)移到樁基礎(chǔ)，則原樁的剛度系數(shù)應(yīng)作調(diào)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(shè)計計算方法不同，對加固效果影響很大。該樁基加固設(shè)計計算方法具有較好的參考價值，可推廣應(yīng)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(zé)任審編 李付軍)