某建筑CFG樁復(fù)合地基沉降機(jī)理分析與加固處理

高子平

(福建工大建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，福建 福州 350118)

某建筑CFG樁復(fù)合地基沉降機(jī)理分析與加固處理

高子平

(福建工大建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，福建 福州 350118)

分析了福州市某建筑吹填土CFG樁復(fù)合地基沉降機(jī)理，通過方案比選，提出采用鋼管混凝土樁加固建筑物基礎(chǔ)的處理方案；詳細(xì)介紹了鋼管混凝土樁數(shù)量及布置、樁身構(gòu)造設(shè)計(jì)、施工流程及工藝要求等；監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用鋼管混凝土樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固，對(duì)控制建筑物沉降效果顯著。

CFG樁復(fù)合地基； 沉降機(jī)理； 加固處理； 鋼管混凝土樁

1 工程概況

擬處理工程為福州市某服務(wù)大樓，主體為地下1層、地上4層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為20.85 m，總占地面積約2 733 m2。

建筑物場(chǎng)地原始地貌為海灘沖淤積，表層為6.46～7.45 m厚新近吹填砂，堆填時(shí)間小于1 a，下臥11.1～15.7 m厚淤泥質(zhì)土，采用1 000 mm厚筏板基礎(chǔ)，筏板下設(shè)置200 mm厚C20(內(nèi)加防腐劑)混凝土墊層。軟基處理采用樁徑500 mm、呈正三角形布置CFG樁，建筑物地基范圍內(nèi)樁距1.6 m，樁端持力層為粘土；設(shè)計(jì)單樁承載力特征值350 kN，復(fù)合地基承載力180 kPa，如圖1所示。建筑物周邊樁距1.8 m。場(chǎng)地先排水后鋪填500 mm厚碎石墊層作褥墊層，墊層上下各鋪設(shè)一層雙向玻纖格柵。

該工程于2013年8月完成CFG樁施工，建筑物主體于2013年10月封頂，2014年4月完成主體裝飾、水電等工程，建筑物周邊通道、場(chǎng)地均已回填到設(shè)計(jì)標(biāo)高。建筑物封頂前沉降量速率約為1.0～2.6 mm/d，且隨著建筑荷載的增大而增大，封頂階段增大到約1.1～2.8 mm/d，封頂后下降到約1.1～1.5 mm/d，但未見收斂跡象，建筑物局部累計(jì)沉降量達(dá)到280 mm以上。若持續(xù)沉降，將影響建筑物的正常使用，而且將與該建筑物對(duì)稱的另一棟建筑物(采用樁基礎(chǔ)、沉降量小)形成高差，影響美觀。為控制沉降，避免上述情況發(fā)生，需要對(duì)該建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

圖1 CFG樁復(fù)合地基示意圖(單位：mm) Fig.1 Schematic diagram of CFG piles compound foundation(unit:mm)

2 復(fù)合地基沉降機(jī)理分析

根據(jù)土力學(xué)固結(jié)沉降理論[1]，計(jì)算出建筑物荷載作用下，吹填砂土和淤泥質(zhì)土的固結(jié)沉降速率約0.5～1.5 mm/d，與該建筑物的沉降速率1.1～1.5 mm/d比較接近，可判定該建筑物地基沉降與淤泥、吹填砂層的固結(jié)沉降有很大相關(guān)性。

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，對(duì)上部荷載全部作用在CFG復(fù)合地基上時(shí)，CFG單樁和CFG群樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算出群樁樁端對(duì)持力層的荷載為250.1 kPa，而持力層經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值為320.8 kPa，CFG群樁承載力滿足工程要求。計(jì)算出基樁承擔(dān)的上部荷載約221 kN，由于淤泥固結(jié)產(chǎn)生下拉荷載約209 kN，樁身自重114.0 kN，總和為544 kN，而CFG單樁設(shè)計(jì)承載力僅為350 kPa，CFG基樁承載力不能滿足工程要求，地基發(fā)生刺入變形。

在CFG樁復(fù)合地基中，上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載由CFG樁體、樁周土和褥墊層共同承擔(dān)。褥墊層將上部基礎(chǔ)傳來的基底壓力或水平力通過適當(dāng)?shù)淖冃我砸欢ǖ谋壤峙浣oCFG樁及樁周土體，使二者共同受力[2]。由于本工程淤泥深厚，淤泥層頂面吹填砂層達(dá)到5.0 m以上。在吹填砂層和建筑物附加應(yīng)力作用下，淤泥和吹填砂層產(chǎn)生固結(jié)沉降，沉降量超過了褥墊層可調(diào)節(jié)的幅度，上部荷載基本轉(zhuǎn)移到樁頂，CFG樁跟樁間土無法共同工作，樁開始承擔(dān)了上部建筑的全部荷載。在上部建筑荷載、負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載及樁身自重作用下，基樁無法支承上述全部荷載，樁刺入樁端土中產(chǎn)生刺入變形造成沉降。當(dāng)沉降一定量后，樁間土又開始工作，形成新的平衡。隨著淤泥和吹填砂繼續(xù)固結(jié)沉降，又形成新的刺入變形；如此交替變化，便產(chǎn)生緩慢的持續(xù)沉降。

3 基礎(chǔ)加固處理方案

3.1 設(shè)計(jì)方案比選

上述地基沉降機(jī)理分析表明，建筑筏板基礎(chǔ)以下土體固結(jié)沉降較大且仍有持續(xù)下沉趨勢(shì)，CFG樁及樁間土體無法形成復(fù)合地基共同作用；根據(jù)CFG樁身完整性低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試、單樁承載力靜載試驗(yàn)及復(fù)合地基承載力驗(yàn)收情況綜合分析，CFG樁身質(zhì)量完整性良好，但不滿足承載力要求。因此本工程擬增加工程樁基、分擔(dān)CFG樁承受的荷載，以阻止建筑物繼續(xù)下沉。

由于是補(bǔ)強(qiáng)工程，本工程按補(bǔ)強(qiáng)樁的極限承載力支承上部結(jié)構(gòu)荷載的計(jì)算原則確定補(bǔ)樁數(shù)量和承載力；由于樁基補(bǔ)強(qiáng)后，建筑物將停止下沉，但底板下的淤泥質(zhì)土仍將繼續(xù)下沉，故還需考慮補(bǔ)樁材料抗壓強(qiáng)度能承擔(dān)上部全部荷載。根據(jù)上述兩點(diǎn)提出以下3個(gè)加固方案[3-7]：

方案一：鋼管混凝土樁

在CFG樁周布置間距為2 m的鋼管混凝土樁，鋼管外徑取300 mm，壁厚14 mm，樁長約27 m，采用錨桿樁方法壓入；上部建筑荷載198 042.8 kN，鋼管混凝土樁單樁豎向承載力特征值816 kN，考慮下拉荷載后的單樁豎向承載力為722 kN，則所需樁的數(shù)量為138根；樁身強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 396 kN，按樁身強(qiáng)度控制，則所需約142根樁。

方案二：預(yù)制方樁

在CFG樁周布置間距為2 m的預(yù)制方樁，樁身截面尺寸取250 mm×250 mm，樁身強(qiáng)度為C40，采用錨桿樁方法壓入；預(yù)制方樁單樁豎向承載力特征值866 kN，考慮下拉荷載后的單樁豎向承載力為772 kN，則所需樁的數(shù)量為129根；樁身強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值884 kN，按樁身強(qiáng)度控制，則所需約224根樁。

方案三：旋噴樁

在建筑物筏板下(避開CFG樁)布置旋噴樁，旋噴樁樁徑600 mm，樁距1.6 m，呈正三角形分布；以黏土層為持力層，樁端進(jìn)入持力層深度為3 m，旋噴樁單樁豎向承載力特征值432 kN，大于樁身強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值212 kN，則按樁身強(qiáng)度控制，需要約468根樁。

3個(gè)方案技術(shù)對(duì)比如表1，綜合考慮施工難易程度、工程造價(jià)、施工進(jìn)度等因素，選擇方案一為本工程的加固方案。

3.2 鋼管混凝土樁構(gòu)造設(shè)計(jì)

由于受地下室內(nèi)消防水池等已有結(jié)構(gòu)的影響，鋼管混凝土加強(qiáng)樁布置采用室內(nèi)和室外相結(jié)合的原則，大部分布置在室內(nèi)，局部無法布樁區(qū)域布置在室外，鋼管樁身Φ300 mm，壁厚14 mm，單樁豎向抗壓承載力極限值取1 420 kN，樁基平面圖見圖2。

表1 基礎(chǔ)加固處理方案對(duì)比

Tab.1 Comparison of foundation reinforcement among 3 schemes

方案處理效果處理速度施工質(zhì)量控制對(duì)環(huán)境的保護(hù)成本1優(yōu)較快好好較高2優(yōu)快較好好高3一般慢差較好較高

鋼管采用Q345，樁內(nèi)側(cè)注C40混凝土，鋼管內(nèi)插筋采用5根Ⅲ級(jí)Φ22 mm的鋼筋，鋼筋伸入筏板內(nèi)35d，伸入鋼管內(nèi)9 m。為避免樁頭在壓樁過程中發(fā)生變形或開裂導(dǎo)致管內(nèi)進(jìn)水進(jìn)泥，應(yīng)對(duì)樁頭進(jìn)行加強(qiáng)。樁段采用焊接，上下節(jié)樁在同一垂直軸線上，焊接質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求[6]，樁身結(jié)構(gòu)構(gòu)造大樣圖見圖3。

圖2 鋼管混凝土樁加固平面布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of foundation reinforcement of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

圖3 鋼管混凝土樁樁身構(gòu)造大樣圖(單位：mm)Fig.3 Construction major (details) of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

4 基礎(chǔ)加固施工技術(shù)

4.1 重點(diǎn)與難點(diǎn)分析及對(duì)策

1)針對(duì)基礎(chǔ)加固采用的樁基礎(chǔ)數(shù)量較多，施工中應(yīng)確保建筑物基礎(chǔ)的受力均勻，合理安排加固樁基礎(chǔ)的施工順序，如圖2中箭頭所示。

2)鋼管混凝土樁靜壓施工中，由于筏板基礎(chǔ)厚度較大(厚1 000 mm)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試鉆證實(shí)在地下室筏板基礎(chǔ)上一次性開設(shè)壓樁孔(Φ412 mm)具有很大的難度。本工程采用如圖4所示Φ180 mm的鉆頭分7次取芯成孔。

圖4 底板鉆孔施工示意圖(單位：mm)Fig.4 Schematic diagram of foundation slab drilling(unit:mm)

3)吹填砂厚度6.46～7.45 m，錨桿靜壓法施工難度較大。若鋼管樁壓樁施工遇填砂層壓不下去時(shí)，則采用引孔方法：填砂層(含褥墊層)以鉆機(jī)引孔至淤泥層面，后靜壓鋼管樁；引孔直徑273 mm，采用泥漿護(hù)壁，比重控制在1.25～1.35。

4.2 室內(nèi)鋼管混凝土樁施工

室內(nèi)鋼管混凝土樁施工流程為：測(cè)量、放線→鉆機(jī)鉆穿筏板成孔→引孔至淤泥層→錨桿植筋施工→利用錨桿靜壓法將鋼管混凝土樁壓至設(shè)計(jì)深度→鋼管混凝土樁焊接連接→鋼管混凝土樁內(nèi)側(cè)注C40混凝土→錨桿孔清理，焊接封樁鋼筋→抽干孔內(nèi)積水，鋼筋混凝土封頂至筏板面，養(yǎng)護(hù)。

(1)鉆機(jī)成孔施工工藝

采用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)出筏板鋼筋位置，在鋼筋邊按圖4所示的方法對(duì)筏板進(jìn)行鉆孔，成孔后改用Φ273 mm鉆頭引孔至淤泥質(zhì)土層內(nèi)2 m左右，再采用潛水鉆機(jī)械設(shè)備預(yù)鉆孔至淤泥層。

(2)錨桿植筋施工工藝

施工工藝流程：彈線定位→鉆孔→洗孔→鋼筋處理→注膠→植筋→固化養(yǎng)護(hù)→抗拔試驗(yàn)樁段制作。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注出植筋位置，采用φ36 mm的沖擊鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度不小于20d(d為鋼筋直徑)。用毛刷伸至孔底來回抽動(dòng)，把灰塵和碎渣帶出，再用空壓機(jī)吹出浮渣，用脫脂棉沾酒精或丙酮擦洗孔壁。采用角向磨光機(jī)以及鋼絲刷除銹，清除鋼筋錨固段表面銹跡及其它污物，打磨至露出金屬光澤為止。從孔底開始注膠，注膠量不少于1/3的孔體積(扣除鋼筋體積后)，同時(shí)將結(jié)構(gòu)膠涂于鋼筋錨固前端2～3 mm，緩慢將鋼筋插入孔內(nèi)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)鋼筋，使結(jié)構(gòu)膠從孔口溢出，排出孔內(nèi)空氣，鋼筋外露部分長度要滿足設(shè)計(jì)要求。植筋施工后注意保護(hù)，24 h內(nèi)嚴(yán)禁有任何擾動(dòng)。結(jié)構(gòu)膠正常固化后進(jìn)行非破損性拉拔試驗(yàn)，采用專用的鋼筋測(cè)力計(jì)檢測(cè)工作狀態(tài)的植筋質(zhì)量，檢測(cè)的數(shù)量是植筋總數(shù)的10%，測(cè)力計(jì)施加的力要小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，大于設(shè)計(jì)部門提供的植筋設(shè)計(jì)錨固力值。若加力達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼筋出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象、繼而拉斷，表明鋼筋和植筋膠合格。

(3)錨桿靜壓法施工工藝

采用靜壓法對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行施工[9]，壓樁反力架安裝及壓樁時(shí)均要保持垂直，同時(shí)應(yīng)保持千斤頂與樁段軸線在同一垂直線上，千斤頂施加的壓力中心與截面形心重合。壓樁應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，盡量減少接樁時(shí)間，中途不得長時(shí)間停頓。如樁尖進(jìn)入碎石障礙物或較硬土層、壓樁力急劇增加，可采用液壓系統(tǒng)稍壓入、持荷、再壓入、再持荷，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度或承載力。

室內(nèi)鋼管混凝土樁壓樁不應(yīng)同時(shí)集中一處施工，多臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工時(shí)，同一軸線上不應(yīng)超過2臺(tái)。同時(shí)做好壓樁記錄，采用以終壓力控制為主，樁長進(jìn)入持力層深度作為參考的壓樁方法。為確保錨桿靜壓樁施工質(zhì)量，應(yīng)采用下述措施進(jìn)行樁位、樁頂標(biāo)高、沉樁過程施工控制。

(4)鋼管混凝土樁焊接工藝

焊接前應(yīng)檢查接頭部位處理是否符合設(shè)計(jì)要求以及上、下節(jié)樁是否在同一垂直軸線上，是否符合施焊要求。焊接時(shí)兩名焊工在樁兩側(cè)同時(shí)施焊，以保證對(duì)稱受力，減小變形；焊接后應(yīng)檢查焊接質(zhì)量，若有漏焊或焊縫高度不夠，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)焊。

(5)樁芯混凝土澆筑

鋼管內(nèi)混凝土的水灰比應(yīng)控制在0.45及以下；混凝土的澆灌宜連續(xù)進(jìn)行，間歇時(shí)間不應(yīng)超過混凝土的終凝時(shí)間。

(6)封樁施工工藝

封樁施工是壓樁施工的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，封樁質(zhì)量對(duì)樁和混凝土底板連接、基樁承載力、聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)形式都有重要影響。

圖5為鋼管混凝土樁封孔大樣圖。按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[8]采用氧割截?cái)噤摴軜吨猎O(shè)計(jì)標(biāo)高；將鉆孔時(shí)截?cái)嗟牡装邃摻钸B接起來，形成封樁樁帽，加強(qiáng)樁和承臺(tái)及混凝土底板的連接；清理樁孔內(nèi)渣滓及水；往鋼管樁內(nèi)填充C40微膨脹混凝土進(jìn)行封樁；全部樁頭密封結(jié)束后進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。

圖5 鋼管混凝土樁封孔大樣圖(單位：mm)Fig.5 Construction major details of sealing holes of concrete-filled steel tube piles(unit:mm)

4.3 室外鋼管混凝土樁施工

室外地下室底板埋深達(dá)5 m，且地下水位較淺，室外鋼管混凝土樁施工工藝流程為：降水井施工主人工成孔護(hù)壁施工→錨桿靜壓鋼管混凝土樁施工→封樁→回填至室外地面標(biāo)高→恢復(fù)地面及管線。下面對(duì)主要施工工序的施工工藝作詳細(xì)介紹。

(1)降水井施工

在基坑開挖范圍內(nèi)設(shè)3口降水井以疏干吹填砂層滯水。降水井水泵埋設(shè)標(biāo)高為-9.700，降水井井口標(biāo)高為-0.450。降水要求降至補(bǔ)強(qiáng)承臺(tái)墊層底以下0.5 m即可。

(2)人工成孔護(hù)壁

樁護(hù)壁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，第一節(jié)挖深約1 m，澆鋼筋混凝土護(hù)筒，井圈中心線與設(shè)計(jì)軸線的偏差不得大于10 mm，井圈頂面應(yīng)比場(chǎng)地高出100～150 mm，壁厚應(yīng)比下面井壁厚度增加100～150 mm。往下施工時(shí)，以每一節(jié)為一個(gè)施工循環(huán)，每一節(jié)高度為1 m。

(3)錨桿靜壓鋼管混凝土樁施工

該部分內(nèi)容同4.2。

(4)回填土施工

補(bǔ)強(qiáng)承臺(tái)混凝土澆筑達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后，進(jìn)行回填土施工。填土要均勻分層夯實(shí)，填土材料可用黏性土或砂土，但不得含有草、垃圾等有機(jī)物質(zhì)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94，回填后承載力不應(yīng)低于原狀土承載力。

5 加固效果分析

5.1 鋼管混凝土樁質(zhì)量檢測(cè)

鋼管混凝土樁樁身完整性采用低應(yīng)變法檢測(cè)，單樁豎向承載力采用堆載靜壓法檢驗(yàn)，取樣數(shù)量執(zhí)行現(xiàn)行檢測(cè)規(guī)范[8-10]。鋼管混凝土樁施工完28 d后開始對(duì)樁進(jìn)行低應(yīng)變及單樁豎向抗壓承載力檢測(cè)，樁體低應(yīng)變檢測(cè)全部合格，3根單樁靜壓載荷試驗(yàn)曲線見圖6所示。從圖中可看出，單樁載荷為1 420 kN時(shí)累計(jì)沉降最大量為12.90 mm，且Q-S曲線平滑，所以單樁承載力特征值應(yīng)不小于710 kN。

圖6 鋼管混凝土樁單樁靜載試驗(yàn)曲線Fig.6 Test curves of static loading of concrete-filled single steel tube pile

5.2 地基沉降監(jiān)測(cè)

建筑基礎(chǔ)加固處理后，對(duì)建筑物柱豎向沉降進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，其中F1、F2、F5和F8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線及沉降速率如圖7所示。

圖7 建筑物基礎(chǔ)加固后沉降監(jiān)測(cè)曲線

從圖7可以看出，樁基加固施工結(jié)束后初期各點(diǎn)沉降幅度較大，繼續(xù)沉降最大量達(dá)17.04 mm，這是因?yàn)楣こ袒A(chǔ)加強(qiáng)處理是基于減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即為加強(qiáng)鋼管混凝土樁基和復(fù)合地基的協(xié)調(diào)工作，滿足復(fù)合地基的沉降和建筑物沉降控制的需要，加固樁基按其極限值進(jìn)行布樁，且樁端不進(jìn)入強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖層，因此加固后仍會(huì)有一定的沉降量。在樁基加固施工結(jié)束2個(gè)月后各測(cè)點(diǎn)沉降逐步穩(wěn)定、沉降速率逐步減緩，各測(cè)點(diǎn)沉降速率均小于0.04 mm/d，符合建筑沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到基礎(chǔ)加固目的。

6 結(jié)論

對(duì)分布較厚軟土層的吹填土地基，由于填土荷載或填土自身壓縮沉降所引起墊層變形過大，難以形成復(fù)合地基，導(dǎo)致上部建筑物沉降過大的工程事故，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視。

在工程實(shí)踐中，采用鋼管混凝土樁加固基礎(chǔ)沉降速率即明顯下降，效果很好，但技術(shù)復(fù)雜，工序較多，效率較低，施工時(shí)必需嚴(yán)格質(zhì)量控制。

[1]李廣信，張丙印，于玉貞.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Settlement mechanical analysis of CFG piles compound foundation and foundation reinforcement

Gao Ziping

(Construction Engineering Detection Co., Ltd., Fujian Industrial College, Fuzhou 350118, China)

The settlement mechanics of CFG piles compound foundation of certain building in Fuzhou was analysed, and a foundation reinforcement scheme of concrete-filled steel tube piles was presented by comparison. The number and arrangement of concrete-filled steel tube piles, structure design of piles, construction process and technical requirements were introduced. The results of detection and monitoring show that the foundation reinforcement scheme of concrete-filled steel tube piles is effective in controlling the settlement of the building.

CFG piles compound foundation; settlement mechanics; foundation reinforcement; concrete-filled steel tube pile

2016-09-19

高子平(1977- )，男，福建平潭人，工程師。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.004

U470

A

1672-4348(2016)06-0532-06