陽光小區(qū)住宅樓樁基質(zhì)量問題與加固設(shè)計(jì)研究

肖俊華，孫劍平（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟(jì)南，250013）

陽光小區(qū)住宅樓樁基質(zhì)量問題與加固設(shè)計(jì)研究

肖俊華1，2，孫劍平1，2
（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟(jì)南，250013）

沉管灌注樁的質(zhì)量問題的分析與研究是地基加固設(shè)計(jì)的前提，加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化可節(jié)省工程造價(jià)。文章針對陽光小區(qū)11層高層住宅樓的沉管灌注承載力未達(dá)設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量問題，從工程地質(zhì)條件、樁型傳力機(jī)理、現(xiàn)場施工工藝等方面分析了樁基承載力偏低的原因；利用復(fù)合減沉疏樁基礎(chǔ)的概念進(jìn)行加固設(shè)計(jì)優(yōu)化，并采用Pile軟件對樁基沉降進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明:陽光小區(qū)住宅樓場地樁長范圍內(nèi)存在可塑—軟塑黏土層，選定樁型傳力機(jī)理不清，當(dāng)?shù)厥┕つ芰﹄y以達(dá)到設(shè)計(jì)要求是沉管灌注承載力未達(dá)標(biāo)的主要原因；加固方案若不考慮樁間土的分擔(dān)作用，基樁發(fā)揮極限承載力的65%即可承擔(dān)上部荷載；當(dāng)考慮樁間土承擔(dān)10%的上部荷載時(shí)，基樁發(fā)揮極限承載力的58.6%，預(yù)計(jì)工程最終沉降在15 mm以內(nèi)；從承載力和沉降控制兩個(gè)方面考慮，加固后樁基工程有足夠的安全度。

質(zhì)量問題；加固設(shè)計(jì)；沉管灌注樁；樁基承載力；復(fù)合減沉疏樁

0　引言

沉管灌注樁是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種樁型，因其施工方便、成本較低被大量應(yīng)用于多層住宅中。后來，為提高單樁承載力，發(fā)展了帶擴(kuò)大頭的沉管夯擴(kuò)樁，并且已列入樁基規(guī)范。然而，沉管灌注樁的工程質(zhì)量問題也較多［1-2］，通常是通過補(bǔ)樁即補(bǔ)足承載力的方式加以解決。然而，有時(shí)因?yàn)檠a(bǔ)樁過密施工困難或造價(jià)方面的考慮，則利用減沉疏樁基礎(chǔ)的概念進(jìn)行補(bǔ)樁［3-4］，并從承載力和沉降兩個(gè)方面考察是否滿足工程要求［5-6］。文章通過某一工程實(shí)例，分析沉管灌注樁質(zhì)量問題原因，并利用復(fù)合減沉疏樁基礎(chǔ)的概念進(jìn)行補(bǔ)樁，從而優(yōu)化地基加固方案并節(jié)省工程造價(jià)。

1　工程概況與地質(zhì)條件

黃河沖積平原地區(qū)陽光小區(qū)高層住宅，地下一層，地上十一層，上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，采用帶擴(kuò)大頭的沉管灌注樁基礎(chǔ)。樁頂設(shè)650 mm×800 mm承臺梁，梁底設(shè)300 mm厚的防水底板，防水底板底標(biāo)高與承臺梁底標(biāo)高相同，埋深約為3.0 m。

原設(shè)計(jì)采用混凝土沉管擴(kuò)底灌注樁，混凝土為C35商用混凝土，有效樁長20 m，樁端位于第⑨層粉質(zhì)粘土層。樁身直徑0.5 m，擴(kuò)大頭直徑1.0 m采用二次擴(kuò)底，擴(kuò)底參數(shù)，要求單樁豎向承載力的特征值為1000 kN。該工程設(shè)計(jì)采用129根沉管灌注樁。

場地所處地貌單元為黃河沖積平原，沉積物為第四系粉土、粉質(zhì)黏土及黏土。地下水為第四系孔隙潛水，水位多年變幅2.5 m左右?？辈炱陂g自鉆孔內(nèi)測得場地地下水穩(wěn)定水位埋深為1.30～3.20 m。場區(qū)地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　地層物理力學(xué)參數(shù)表

2　樁基質(zhì)量問題及原因分析

2.1樁基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

全部樁基工程完工后，進(jìn)行驗(yàn)證性單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用慢速荷載維持法。三根試樁的試驗(yàn)曲線如圖1所示，單樁極限承載力值分別為1200、1000和800 kN。顯然，單樁豎向承載力值數(shù)據(jù)較為離散，極差大于30%，且其統(tǒng)計(jì)值小于設(shè)計(jì)承載力值。

另外，對樁基進(jìn)行全面低應(yīng)變檢測，所測129根樁中，共有Ⅰ類樁39根，占總樁數(shù)30.23%；共有Ⅱ類樁72根，占總樁數(shù)55.81%；共有Ⅲ類樁13根占總樁數(shù)10.08%；共有Ⅳ類樁5根，占總樁數(shù)3.88%。

圖1　單樁靜載荷試驗(yàn)曲線圖

2.2樁基設(shè)計(jì)分析

為分析設(shè)計(jì)樁型的傳力機(jī)理，有必要簡述一下沉管樁的歷史。普通沉管樁產(chǎn)生之初，采用錘擊、振動(dòng)或靜壓方式成孔，邊拔管邊灌注混凝土成樁，多用于多層住宅。當(dāng)使用不當(dāng)時(shí)，常出現(xiàn)縮頸、夾泥和吊腳等質(zhì)量問題［1-2］。

20世紀(jì)70年代末，受國外Franki樁的啟發(fā)，夯擴(kuò)樁首先在杭州進(jìn)行試驗(yàn)，而在1997年武漢市制定了WBJ 8—1997《夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)定》［7］。夯擴(kuò)樁是在原錘擊沉管灌注樁機(jī)械設(shè)備與施工方法的基礎(chǔ)上增加1根內(nèi)夯管，采用一次或多次夯擴(kuò)方式將樁端做成擴(kuò)大頭，樁身混凝土在樁錘和內(nèi)夯管的自重作用下壓密成型［8］。夯擴(kuò)樁成樁深度一般不宜大于15 m。良好的封底措施、嚴(yán)格的施工工藝控制是保證夯擴(kuò)樁成功的關(guān)鍵，其承載力值應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。夯擴(kuò)樁施工中常遇問題:管內(nèi)進(jìn)水止淤失效、鋼筋籠下沉或上浮、樁身縮頸、斷樁、夯擴(kuò)困難及樁頂混凝土松散等。

針對夯擴(kuò)樁存在的問題，北京率先發(fā)展了一種新的樁型即復(fù)合載體樁，并先后形成JGJ/T 135—2001《復(fù)合載體夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)規(guī)程》［9］和JGJ 135—2007《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》［10］。復(fù)合載體夯擴(kuò)樁采用細(xì)長錘夯擊成孔，將護(hù)筒沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，細(xì)長錘擊出護(hù)筒底一定深度，分批向孔內(nèi)投入填充料和干硬性混凝土，用細(xì)長錘反復(fù)夯實(shí)、擠密，在樁端形成復(fù)合載體，然后放置鋼筋籠，灌注樁身混凝土而形成的樁。一般樁長小于10 m。與其他樁最大的不同是樁身相當(dāng)于傳力桿，樁端擴(kuò)大頭及其周圍的擠密土體作為復(fù)合載體承受上面?zhèn)鱽淼牧Α?/p>

該工程選擇帶擴(kuò)大頭的混凝土沉管灌注樁，從其設(shè)計(jì)受力機(jī)理上分析，屬于樁身和樁端擴(kuò)大頭同時(shí)提供抗力的夯擴(kuò)樁。

在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員根據(jù)勘察報(bào)告提供的側(cè)阻和端阻值利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出極限標(biāo)準(zhǔn)值，并由此確定單樁豎向承載力的特征值。從計(jì)算結(jié)果看端阻占到總承載力的50%。若使該樁達(dá)到設(shè)計(jì)承載力值，即需要有良好的樁身質(zhì)量提供側(cè)摩擦力和使樁身軸力向下傳遞，又需要良好的夯擴(kuò)頭對樁端土擠密的同時(shí)提供約一半的抗力。

設(shè)計(jì)有效樁長20 m，當(dāng)屬夯擴(kuò)樁的極限長度且需要穿過③層及⑤層可塑～軟塑粘土層，易縮頸該樁型設(shè)計(jì)對施工設(shè)備及施工技術(shù)要求高。

2.3樁基施工分析

該樁基施工時(shí)，未先試樁而是直接大面積施工工程樁。

由于當(dāng)?shù)厝狈ο鄳?yīng)的施工設(shè)備，采用靜壓沉管方法施工，全程采用商品混凝土，和易及流動(dòng)性好但與該樁型要求的樁端采用干硬性混凝土性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)；施工過程中樁端無任何封水封泥的措施，該工法不可能形成夯擴(kuò)頭。從后期樁側(cè)鉆孔取樣來看樁端附近取到的僅是含泥的混凝土狀物。

現(xiàn)場施工時(shí)由于第①層素填土較軟弱，樁架無法站立，對其進(jìn)行了換填，換填厚度自基底標(biāo)高以下約1.0 m；設(shè)計(jì)樁長20 m，這也是當(dāng)?shù)厥┕つ芰λ苓_(dá)到的極限深度；這些因素?zé)o疑會(huì)影響到成樁質(zhì)量現(xiàn)場樁頭測量直徑在430～460 mm之間，小于設(shè)計(jì)樁身直徑。

因此，該工程樁型選擇不合理，樁身因縮頸難以可靠向下傳力，施工工藝又難以形成擴(kuò)大頭，從而無法提供足夠的抗力設(shè)計(jì)值。

3　樁基加固設(shè)計(jì)方案

由于工程樁基承載力值遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

補(bǔ)樁方案中筏板面積664 m2，共布樁258棵，相當(dāng)于平均樁間距為1.6 m。

無論是原沉管灌注樁還是預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土空心方樁，都屬于擠土樁，補(bǔ)樁過密會(huì)影響到已施工的沉管灌注樁。而且新增補(bǔ)樁1樁端位于第⑧層粉質(zhì)黏土層，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)及靜力觸探結(jié)果表明其工程性質(zhì)均明顯低于第⑦層粉土層和第⑨層的粉質(zhì)黏土層。

經(jīng)建設(shè)方的要求，擬對補(bǔ)樁方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

為提高單樁承載力及減少樁數(shù)，將補(bǔ)樁樁長增加（稱補(bǔ)樁2），樁端位于第⑨層的粉質(zhì)粘土層，同時(shí)利用復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的概念適當(dāng)減少樁數(shù)?？紤]到第⑨層已得到一定程度的加固，為避免壓入困難，樁長取19.5 m，略小于原沉管灌注樁的樁長，具體施工時(shí)應(yīng)以設(shè)計(jì)樁端標(biāo)高和壓樁力綜合控制。優(yōu)化布樁時(shí)新增方樁盡量均勻布樁，而且要確保剪力墻及柱附近一定有補(bǔ)樁存在，新增補(bǔ)樁79棵，樁位布置如圖2所示。

圖2　新增樁位布置圖/mm

4　加固設(shè)計(jì)的安全度評價(jià)

地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方案即需要滿足承載力方面的要求，又要確保建筑物沉降滿足規(guī)范要求。

4.1樁基承載力安全度評價(jià)

常規(guī)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是由樁基承擔(dān)全部的上部荷載，而復(fù)合疏樁基礎(chǔ)［11-12］、塑性樁［13］或減沉樁［14］的概念均是指當(dāng)允許地基有一定沉降且不超過規(guī)范值時(shí)，采用較少的樁數(shù)達(dá)到減沉的目的［15-16］，樁和樁間土共同承擔(dān)上部荷載，基樁承載力可發(fā)揮到極限承載力的70%～90%。該工程加固方案原承臺梁已改為800 mm厚的筏板，為利用復(fù)合疏樁基礎(chǔ)概念進(jìn)行補(bǔ)樁提供了充分的可能性。

4.1.1補(bǔ)樁2的承載力預(yù)估

首先給出同一場地相鄰住宅樓的試樁資料，在未進(jìn)行試樁的前提下通過對比分析預(yù)估補(bǔ)樁2的承載力值。A座住宅樓與文中工程樁基質(zhì)量問題相似，已采用原加固方案用補(bǔ)樁1進(jìn)行補(bǔ)樁且已完成靜載荷試驗(yàn)；B座住宅樓與本工程采用同樣的沉管灌注樁，同樣是靜壓方式施工，因施工質(zhì)量較好靜載荷試驗(yàn)合格；C座住宅樓為避免相似工程問題，已改用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑為500 mm，樁長為23 m相鄰住宅樓的試樁曲線如圖3所示。

由試樁結(jié)果可以看出:預(yù)制樁的樁身質(zhì)量好，試樁結(jié)果穩(wěn)定，總壓縮變形量小，回彈大，試樁極限承載力尚有潛力；而沉管灌注樁的樁身質(zhì)量存在缺陷試樁結(jié)果離散性大。

根據(jù)勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，各樓座基樁計(jì)算極限承載力值與試樁結(jié)果對比見表2。由對比結(jié)果分析得出，補(bǔ)樁2的承載力特征值將變化于600～800 kN之間，取補(bǔ)樁2的承載力特征值有足夠的保障。

圖3　相鄰樓座單樁靜載荷試驗(yàn)曲線

表2　各樓座基樁計(jì)算承載力值與試樁結(jié)果對比表

4.1.2加固方案承載力安全度評價(jià)

（1）不考慮樁間土分擔(dān)

上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值F為129000 kN

原沉管灌注樁提供的極限承載力值 Qu1為103200 kN

由新增補(bǔ)樁 2提供的極限承載力值 Qu2為94800 kN

假定樁間土不分擔(dān)上部荷載，則樁基承載力發(fā)揮系數(shù)為

即樁基承載力發(fā)揮極限承載力的65%，即可以承擔(dān)全部的上部荷載。

（2）考慮樁間土分擔(dān)

筏底土對上部荷載的分擔(dān)是客觀事實(shí)［17］［18］，即使是按常規(guī)樁基設(shè)計(jì)的樁筏基礎(chǔ)，只要筏板有沉降，筏底土就會(huì)對筏板產(chǎn)生反力作用，至于分擔(dān)比例是多少，則取決于樁土相對剛度、樁長、樁間距等諸多參數(shù)［19］。

根據(jù)文獻(xiàn)［19］提供的諸多實(shí)測結(jié)果，按土分擔(dān)上部10%的荷載計(jì)算，則樁基承載力發(fā)揮系數(shù)為

無論是否考慮樁間土對上部荷載的分擔(dān)作用，由于原沉管灌注樁與補(bǔ)樁2均采用保守取值，因此在承載力方面樁基有足夠的安全儲備。

4.2地基沉降預(yù)測

沉降計(jì)算分三種情況進(jìn)行對比分析。

（1）當(dāng)沉管灌注樁承載力特征值滿足 Ra= 1000 kN時(shí)，上部荷載完全由樁來承擔(dān)，按樁基沉降計(jì)算方法進(jìn)行沉降計(jì)算。

（2）當(dāng)沉管灌注樁承載力的特征值為 Ra= 400 kN時(shí)，上部荷載由樁土共同分擔(dān)，按沉降控制復(fù)合疏樁基礎(chǔ)計(jì)算沉降。

（3）工程補(bǔ)樁后，根據(jù)前述承載力分析，上部荷載可完全由樁來承擔(dān)，近似取=620 kN，按樁基沉降計(jì)算方法進(jìn)行沉降計(jì)算。

4.2.1計(jì)算方法

利用Pile軟件對樁基進(jìn)行沉降計(jì)算，為了更直觀地反映樁數(shù)對于沉降的影響，計(jì)算采用DGJ 08—11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［20］方法。

（1）樁基沉降計(jì)算方法

采用Geddes基于Mindlin應(yīng)力公式積分得出的單樁荷載在半無限彈性體中的應(yīng)力解析式，按簡單疊加法原理計(jì)算群樁荷載在地基中產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力，然后利用分層總和法計(jì)算樁端下土的壓縮變形量，計(jì)算式（1）為

式中:T為沉降計(jì)算點(diǎn)處壓縮層范圍內(nèi)自樁端平面往下的土層數(shù)；Es，t為樁端平面以下第t層土自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用時(shí)的壓縮模量，MPa；ΔHt，i為樁端平面下第t層土第i個(gè)分層處土體的豎向附加應(yīng)力，kPa；ψm為樁端平面下第t層土第i個(gè)分層的層厚，m；為樁基沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范取值。

（2）沉降控制復(fù)合疏樁基礎(chǔ)計(jì)算方法

作用于承臺底面處的荷載準(zhǔn)永久組合值為P，承臺底面處地基土的自重應(yīng)力為σc，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為Rk，基樁自重標(biāo)準(zhǔn)值為Gpk。沉降計(jì)算的原則為

當(dāng)P-σcAc≥nRk時(shí)，沉降由兩部分組成，一部分是在樁頂附加荷載為Rk+Gpk的n根樁作用下產(chǎn)生的沉降，按樁基沉降計(jì)算方法計(jì)算；另一部分是在承臺底面附加荷載為P-σcAc-nRk作用下的沉降，按淺基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法計(jì)算。

4.2.2計(jì)算結(jié)果與分析

相鄰B座和C座住宅樓均已封頂，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:盡管C座采用了預(yù)應(yīng)力管樁，樁基承載力的安全儲備要高一些，但兩座樓的沉降基本一致，與樁基沉降計(jì)算原理相符合；監(jiān)測點(diǎn)最大沉降約15 mm。

該工程沉降計(jì)算時(shí)，根據(jù)上海地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，土的模量取3倍的Es1-2，根據(jù)相鄰樓座的實(shí)測結(jié)果調(diào)整沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.15，三種情況下沿D軸的沉降如圖4所示。

由圖4可見，當(dāng)原方案樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，計(jì)算沉降值為13.7～17.8 mm，與已建相鄰住宅樓實(shí)測沉降非常接近。當(dāng)原方案樁基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，由于相當(dāng)部分荷載由筏底土承擔(dān)，筏底土的變形對沉降計(jì)算“貢獻(xiàn)”較大，且軟件計(jì)算時(shí)單樁荷載疊加了自身有效重量，故計(jì)算沉降約60～85 mm，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)該值偏大。當(dāng)采用擬定加固方案時(shí)，樁基承載力可滿足設(shè)計(jì)要求，由于增加了樁數(shù)，計(jì)算沉降值為10～14.1 mm，小于第一種情況下的沉降值。

圖4　三種情況下建筑物沉降曲線圖

預(yù)計(jì)加固方案的最終沉降量為15 mm以內(nèi)。

5　結(jié)論

通過上述研究可知:

（1）該樁基質(zhì)量問題原因?yàn)?當(dāng)可塑～軟塑黏土存在時(shí)，選擇夯擴(kuò)樁型不合理，現(xiàn)場施工技術(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）該加固設(shè)計(jì)進(jìn)行樁基承載力補(bǔ)強(qiáng)的同時(shí)合理利用減沉疏樁基礎(chǔ)的概念優(yōu)化補(bǔ)樁方案，經(jīng)分析計(jì)算表明:不考慮樁間土的分擔(dān)作用，基樁發(fā)揮極限承載力的65%即可承擔(dān)上部荷載；當(dāng)考慮樁間土承擔(dān)10%的上部荷載時(shí)，基樁發(fā)揮極限承載力的58.6%。

（3）利用相鄰工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降預(yù)測，加固后地基的預(yù)估最終沉降量在15 mm以內(nèi)。

（4）從承載力和沉降控制兩個(gè)方面考慮，加固后樁基工程有足夠的安全度。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Study on quality problems and reinforcement measures of pile foundation of a residential building at Yangguang District

Xiao Junhua1，2，Sun Jianping1，2
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Institute of Project Appraisal and Reinforcement of Shandong Jianzhu University，Jinan 250014，China）

The research on quality problem of cast-in-place pile by sinking tube is the basis of foundation reinforcement design，and optimized reinforcement design scheme can save the engineering cost.An 11-storied high-rise residential building located at Yangguang District is founded on cast-insitu pile by sinking tube.However，the testing result shows that pile capacity couldn't meet the design requirement.Aimed at such quality problem，some factors are studied such as geological conditions，bearing mechanism of the designed pile type and construction technology.To optimize the reinforcement design，the concept of composite foundation with settlement-reducing piles is introduced for adding pile；meanwhile pile foundation settlement is predicted with pile software.Analysis and calculation results show:（1）pile quality problems are caused by existence of plastic to soft-plastic clay at the pile length scope，unsuitable pile type and defectively constructing technique；（2）for optimized reinforcement design，neglecting the load-sharing between soil and pile，65%of ultimate bearing capacity of pile is enough to resist upper load while assuming soil taking 10%of total upper load，58.6%is enough；（3）the final settlement is predicted in 15mm；（4）from two aspects of bearing capacity and settlement control，the pile foundation engineering has margin of security.

quality problem；reinforcement design；cast-in-situ pile by sinking tube；pile capacity；composite foundation with settlement-reducing piles

TU473.X

A

1673-7644（2015）06-0537-07

2015-11-05

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT13075）

肖俊華（1969-），女，副教授，博士，主要從事樁土共同作用及地基基礎(chǔ)加固等方面的研究.E-mail:13606412056@163.com