預應力混凝土管樁偏位實例分析與加固處理

周 敏

ZHOU Min

(浙江省城鄉(xiāng)綜合設(shè)計院有限公司，浙江 杭州310005)

預應力混凝土管樁具有造價低、施工速度快等特點，近年來在多高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中被廣泛使用。但是，因為預應力混凝土管樁在自身平面內(nèi)抗彎剛度較小，在基坑開挖階段，當遇到較大的土體側(cè)向壓力時，管樁很容易發(fā)生較大的水平側(cè)移，造成樁身破壞。此時若分析處理不當，盲目繼續(xù)施工，往往容易留下安全隱患甚至釀成工程事故。

1 工程概況

舟山市永躍大廈位于浙江省舟山市普陀東港新區(qū)29 -18#地塊，距離朱家尖大橋往北約800 m 處。由一棟19 層主樓和3 層裙房組成，設(shè)1 層地下室。地下室層高5.0 m，主要用作汽車庫及設(shè)備用房;地上首層層高為5.0 m，主樓主要功能為大堂庭院，裙房主要功能為商業(yè)網(wǎng)點;2 層層高為5.0 m，主樓主要功能為辦公，裙房主要功能為餐廳和后勤用房;3 層層高為4.8 m，主樓主要功能為辦公，裙房主要功能為會議和附屬用房;主樓4～19 層層高均為3.9 m，主要功能為辦公。主樓與裙房之間不設(shè)抗震縫。

工程總建筑面積25383 m2(其中地下部分建筑面積約為4324 m2)，主樓結(jié)構(gòu)高度為77.600 m。采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，地震分組為第一組，場地土類別為Ⅳ類?？蚣芗凹袅拐鸬燃壘鶠槎墸畛鋲Σ捎谜魤杭託饣炷疗鰤K。

1.1 土層分布

根據(jù)海軍東海建筑安裝工程中心勘測隊提供的《永躍大廈巖土工程勘察報告》(工程編號2009—04—010)，地基自上而下分布情況見表1。

各地基土層基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 各土層主要物理力學參數(shù)

表2 各巖土層地基承載力及樁基參數(shù)建議值

1.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)勘探深度(83.0 m)范圍內(nèi)地下水屬上層滯水，主要賦存于素填土底部和淤泥質(zhì)黏性土層上部。受大氣降水豎向入滲補給及地表水體下滲補給為主，徑流緩慢。勘察期間，鉆孔穩(wěn)定水位埋深0.1～2.6 m。水位變化主要受大氣降水影響，接受大氣降水垂直滲入補給。根據(jù)舟山區(qū)域水文地質(zhì)資料，結(jié)合氣候和降水特點，明確地下室抗浮驗算最高水位宜從地表算起。

綜合考慮施工工期和工程造價，樁型采用先張法預應力混凝土管樁，錘擊法施工?；A(chǔ)采用柱下獨立承臺和墻下筏板承臺。

裙房區(qū)域管樁采用PC -AB600(100)，樁身混凝土強度等級C60，樁徑600 mm，壁厚100 mm。樁長48 m、4 節(jié)，單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=2000 kN，樁端進入持力層(7 號粉質(zhì)黏土)深度≥2.5 m。施工時以樁長控制為主，以貫入度(最后30擊，每10 擊貫入深度不大于80 mm)控制為輔。共141 根。

裙房區(qū)域底板另外增設(shè)209 根PC - AB600(100)抗拔樁，樁長15 m。以樁長控制為主，單樁豎向抗拔承載力特征值Ra=170 kN。共209 根。

主樓區(qū)域框架柱下管樁采用PHC - AB800(110)，樁身混凝土強度等級C80，樁徑800 mm，壁厚110 mm。樁長64 m、4 節(jié)，共60 根。

主樓區(qū)域核心筒下管樁采用PHC - AB800(110)，樁身混凝土強度等級C80，樁徑800 mm，壁厚110 mm。樁長72 m、5 節(jié)，共48 根。

主樓區(qū)域所有單樁豎向抗壓承載力特征值Ra均取4350 kN;樁端進入持力層(9 號粉質(zhì)黏土)深度≥2.5 m。施工時以樁長控制為主，以貫入度(最后30 擊，每10 擊貫入深度不大于50 mm)控制為輔。

設(shè)計要求建筑物最大沉降量不超過180 mm;主樓核心筒與外圍框架柱之間、主樓框架柱與裙房框架柱之間、裙房框架柱之間沉降差均不超過0.3%。為實現(xiàn)這一目標，設(shè)計人員采取以下措施:(1)主樓核心筒下樁基進行變剛度調(diào)平設(shè)計(核心筒部位的有效樁長比外圍框架柱下的有效樁長加長8 m);(2)主樓與裙房之間設(shè)置沉降后澆帶，該沉降后澆帶宜在兩側(cè)主體結(jié)頂后至少14 d 方可進行澆灌。采取上述措施后，建筑物的沉降量和沉降差計算均能滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

2 問題出現(xiàn)

2010年2 月開始施工本工程圍護樁，圍護樁由兩排Φ800 水泥攪拌樁止水帷幕和一排Φ1000鉆孔灌注樁組成。2010年5月圍護樁施工完畢。

2010年1月13 日開始打工程樁試樁，試樁情況良好。在整個工程樁施工過程中，除裙房北側(cè)有極少數(shù)工程樁欠送3～4 m 外，其余基樁施工都比較順利。2010年6月采用堆載法進行樁基靜載荷試驗，結(jié)果完全符合規(guī)范及設(shè)計要求。

2010年7 月開始進行全面基坑開挖。但由于在基坑開挖過程中，施工單位未能做到均勻、分層開挖;也沒有嚴格控制相鄰基坑一次性開挖高差小于1.0 m;更沒有做到隨挖隨撐、實時監(jiān)控。因此自2010年7月20日起，就陸續(xù)有開挖后的較大樁偏位報告匯報給建設(shè)單位和設(shè)計單位?？紤]到發(fā)生偏位的樁數(shù)量較多，數(shù)值較大，筆者和相關(guān)設(shè)計人員于2010年8月初到現(xiàn)場進行實地考察，發(fā)現(xiàn)了一些比較明顯的問題:一是開挖班組各自為政，開挖深度、范圍和層次非常不均勻，造成相鄰基坑開挖高差往往達到甚至超過1.8 m;二是裙房外圍的圍護樁有些變形比較嚴重，圍護樁樁后土體明顯滑落至基坑;三是圍護設(shè)計未能有效地控制坑中坑開挖時土體的側(cè)向位移。針對上述問題，筆者要求施工單位立即調(diào)整施工方案，并確保做到以下幾點:一是嚴格控制相鄰基坑開挖高差不得超過0.8 m;二是對已經(jīng)失效的圍護樁盡快清除，改為自然放坡;三是要求施工單位在開挖主樓核心筒下的坑中坑承臺之前，補打部分圍護樁并增加三條混凝土水平支撐梁;四是要求在基樁全部開挖完成后，必須暫停施工，等到對所有基樁進行檢測、評估和制定加固措施以后，才能正式進入下道施工工序。

3 原因分析

2010年8月31 日五方主體單位在現(xiàn)場召開了樁基偏位處理協(xié)調(diào)會。在認真聽取各方的主要意見之后，筆者又仔細查閱了施工現(xiàn)場記錄，虛心詢問了工程樁具體施工人員，做到心中基本有數(shù)。然后會同建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位主要負責人員下到基坑底，對照施工記錄中偏位數(shù)值較大的樁，現(xiàn)場重新復核。經(jīng)過幾天的分析、思考，筆者提出了自己的觀點:一是所有開挖后的樁都應該補做低應變檢測，明確最終樁身質(zhì)量;二是結(jié)合樁偏位數(shù)值，對于偏位在驗收規(guī)范允許范圍內(nèi)的Ⅰ、Ⅱ類樁，明確可以繼續(xù)使用;對于Ⅲ、Ⅳ類樁及偏位超出驗收規(guī)范允許范圍的Ⅰ、Ⅱ類樁，均應進行加固或補鉆孔灌注樁處理;三是對于有些偏位特別大的樁，無論檢測結(jié)果是哪類樁，都應該廢棄不用，重新補鉆孔灌注樁。

對于第一條處理建議，大家都沒有異議。

對于第二條如何界定驗收規(guī)范允許的偏位數(shù)值范圍，各方有不同理解。施工單位認為，有效樁長為48～64 m，參照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202—2002)》第5.1.4 條，關(guān)于灌注樁垂直度允許偏差為1%計算［1］，則管樁的垂直度允許偏差值為480～640 mm;如果再加上樁本身施工允許的水平偏差(D/2 =300～400 mm)，那么最終樁的允許偏差可達到780～1040 mm。施工單位認為偏位小于上述數(shù)值的樁，只需簡單處理即可，不需要采取加固措施。筆者認為上述意見明顯欠妥，一是實際樁的偏位均倒向開挖的基坑中心，有明顯的規(guī)律性，而并沒有呈現(xiàn)隨機分布。二是如果按照施工單位的說法，管樁在施工時全長傾斜，那么當下一節(jié)管樁進入土層后，在施工上一節(jié)管樁時，D60 柴油錘施加在上一節(jié)管樁樁頂?shù)牧Γ瑢ι弦还?jié)管樁樁底及上、下節(jié)管樁之間的連接焊縫產(chǎn)生較大的附加彎矩。簡圖示意見圖1。

圖1 簡圖示意

查閱浙江省標準圖集《先張法預應力混凝土管樁(2010 浙G22)》可得［2］，柴油錘的沖擊力為5000～7000 kN，Mk附加=5000 kN×(15 m×1%)=750 kN·m。遠遠超過管樁的抗裂彎矩 Mk=471 kN·m，且基本接近管樁的極限彎矩Muk=771 kN·m。那么在施工過程中，每一節(jié)管樁都已經(jīng)開裂甚至接近破壞，根本不能正常使用。但隨后的低應變檢測結(jié)果并沒有反映出這一現(xiàn)象。因此筆者認為樁施工過程中，樁全長范圍存在上述偏位基本上是不可能發(fā)生的。造成上述偏位結(jié)果的原因是在基坑開挖過程中，一次性單側(cè)開挖深度過大，基坑圍護(尤其是坑中坑圍護設(shè)計)不到位，從而造成處于軟土范圍內(nèi)的上部兩節(jié)管樁向基坑中心傾斜。而第三節(jié)管樁以下均位于相對較好的土層中，土體流動性明顯減弱，受基坑開挖的影響也大大減少，可以初步判斷第三節(jié)管樁及以下樁的偏位可以忽略不計。由浙江宏宇工程勘察設(shè)計有限公司提供的低應變檢測結(jié)果也表明，絕大多數(shù)Φ600 的Ⅱ、Ⅲ類工程樁，缺陷部位均出現(xiàn)在樁頂以下11～13 m;絕大多數(shù)Φ800 的Ⅱ、Ⅲ類工程樁，缺陷部位均出現(xiàn)在樁頂以下14～16 m;也就是第一節(jié)與第二節(jié)管樁焊接連接部位附近。

4 糾偏處理

施工單位提出以下方案:第一步是用千斤頂對偏位管樁實施頂推工藝，盡量使其復位;第二步是對所有的Ⅲ、Ⅳ類工程樁，均采用內(nèi)部灌芯處理，灌芯長度為穿越第一節(jié)與第二節(jié)管樁焊接連接部位以下2 m，即可正常使用。上述加固步驟理論上應該可行，而且實際工程中也有類似處理案例［3］。但筆者認為針對本工程，該方案實施起來操作性不強。因為最上面一節(jié)管樁在頂推復位過程中，要克服樁側(cè)被動土壓力，這個數(shù)值是很大的。

簡單計算Φ600 的工程樁(第一節(jié)樁長12 m):

乘以管樁折算直徑，該荷載約為897 × (0.8 ×0.60)= 430.56 kN。

簡單計算Φ800 的工程樁(第一節(jié)樁長15 m):

乘以管樁折算直徑，該荷載約為1402.21 ×(0.8 ×0.80)= 897.41 kN。

這么大的推力，一般的千斤頂根本無法提供。而如果采用樁側(cè)取土工藝，勢必會引起樁的二次偏位，后果可能更不堪設(shè)想;因此頂推復位工藝不可行。對于灌芯方案，各方基本認可。但具體到對哪些樁進行灌芯、灌芯長度、灌芯后的樁承載力取值等關(guān)鍵問題，各方眾說紛紜。為了從理論上解決上述疑惑，讓工程得以順利實施，筆者就樁偏位后的受力情況作了一些假定:(1)假定發(fā)生偏位的部分僅為最上部兩節(jié)管樁;(2)假定最上部兩節(jié)管樁樁側(cè)土層基本均勻;(3)假定地下水穩(wěn)定水位恰好位于管樁樁頂;(4)不考慮樁周土及樁側(cè)土先于樁身破壞;(5)以管樁受壓一側(cè)最外邊緣混凝土應力是否達到或接近fck來判斷，該管樁是否到達極限受力狀態(tài);(6)不考慮同一承臺下，不同的單樁反力引起的承臺翹曲、傾斜變形。簡化后的管樁受力力學模型見圖2。

圖2 簡化后的管樁受力力學模型

管樁樁身傾斜后，在豎向荷載作用下，樁頂將產(chǎn)生的附加水平力。該水平力由樁偏位對應側(cè)的土體靜止土壓力來平衡;同時該水平力使樁身在一定深度范圍內(nèi)將產(chǎn)生附加水平剪力和附加彎矩。

選取主樓區(qū)域最典型的框架柱下四樁承臺為例進行計算，假定承臺最大豎向荷載為4 根基樁豎向承載力特征值之和，不考慮柱底水平剪力和彎矩。當4 根基樁同向水平位移均為300 mm 時，群樁的形心與上部荷載重心不再重合，各基樁反力不再相等。簡單示意見圖3。

圖3 樁位不偏移和偏移受力簡圖

主動土壓力系數(shù)ka= tg2(45° - 12.6°/2)=0.642;

被動土壓力系數(shù)kp= tg2(45° + 12.6°/2)=1.558;

樁側(cè)靜止土壓力系數(shù)k0取兩者之間的一個數(shù)值，根據(jù)當?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗，可取k0= 0.80。

樁側(cè)有效發(fā)揮土體抗力的截面計算寬度參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 98—2008)》附錄C 的規(guī)定［4］，b0= 0.9 × (1.5 ×0.8 +0.5)= 1.53 m。

計算可得樁身某處(深度為x)的彎矩標準值

即樁身彎矩標準值是深度x 的函數(shù)。f'［M(x)］=Rah-4.90 ×x2。則當x = 3.28 m 時，Mx取得最大值=52.82 ×3.28 -1.63 ×3.283=115.73 kN·m。彎矩標準值作用下的σM= Mmax/W彈性模量=3.18 N/mm2;軸力標準值作用下的σN= Nmax/A凈面積= 22.15 N/mm2。計算結(jié)果匯總見表3。

表3 φ800 工程樁不同偏位樁身應力匯總

裙房區(qū)域最典型的為框架柱下三樁承臺，參照上述做法，b0=1.26 m;Mx=Rah×x-1.34 ×x3;f'［M(x)］=Rah-4.00x2。計算結(jié)果匯總見表4。

表4 φ600 工程樁不同偏位樁身應力匯總

明確了各種偏位工程樁的承載力折減幅度后，各方意見基本統(tǒng)一。結(jié)合低應變檢測結(jié)果，分別采取在管樁內(nèi)灌芯、廢棄一部分工程樁、補打一部分Φ600 和Φ800 的鉆孔灌注樁、加大部分承臺尺寸和基礎(chǔ)梁配筋等措施進行加固處理。加固樁位平面布置圖見圖4。

工程樁的具體加固做法見表5。

具體的加固工作從2010年7月開始，持續(xù)到2010年12月結(jié)束。要求加固后的灌芯及補樁樁身完整性應至少滿足《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范(JGJ 106—2014)》［5］中規(guī)定的Ⅱ類樁要求;同時必須滿足《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202—2002)》［1］等其他國家和地方相應驗收規(guī)范規(guī)定。2011年10月28日該工程進行中間結(jié)構(gòu)驗收，2012年11月24日該工程進行竣工驗收，沉降觀測共布設(shè)14 個點，根據(jù)規(guī)范規(guī)定及施工進度要求進行沉降觀測，共觀測22 次。第一次觀測日期為2011年1月23日，最后一次觀測日期為2011年10月14日。最大沉降量為11 mm，最小沉降量為5 mm。說明該建筑物整體沉降均勻，沉降速率基本平穩(wěn)，樁基的加固處理取得了預期的效果。

圖4 加固樁位平面布置圖

表5 工程樁加固措施匯總

5 結(jié) 語

預應力管樁雖然具有非常明顯的優(yōu)點，但是在基坑開挖過程中容易產(chǎn)生樁偏位、樁身斷裂等各種事故。所以在有較深地下室的高層建筑基礎(chǔ)中使用時要特別謹慎，盡量做到反復論證，綜合考慮。當然，樁基設(shè)計的方案一旦確定，面對管樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的各種突發(fā)情況，更重要的是要冷靜分析，大膽假設(shè)，小心求證。做到既有一定的理論依據(jù)，又能較好地結(jié)合工程實際。

永躍大廈自竣工驗收結(jié)束后，至今已經(jīng)過了將近一年半。期間筆者也回訪了數(shù)次，使用情況良好;內(nèi)部輕質(zhì)隔墻未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，室外地坪也未出現(xiàn)明顯的不均勻隆起或下沉。本文的理論推導對管樁基礎(chǔ)糾偏提供了一定的理論基礎(chǔ);而且將誤差控制在樁基礎(chǔ)加固工程的精度范圍內(nèi)，基本做到了造價經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)安全。

［1]上海市建設(shè)和管理委員會.GB 50202—2002 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2002.

［2]浙江省建筑設(shè)計研究院.2010 浙G22 浙江省建筑標準設(shè)計結(jié)構(gòu)標準圖集 先張法混凝土預應力管樁［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［3]劉金波.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計禁忌與實例［M］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［4]中國建筑科學研究院. JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5]中國建筑科學研究院. JGJ 106—2014 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.