某在建高層建筑樁基加固技術(shù)方案與應(yīng)用

李 善， 王 凱， 邵孟新， 曾 欣

(1 清遠(yuǎn)市建設(shè)工程綜合服務(wù)站， 清遠(yuǎn) 511500； 2 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司， 廣州 510075；3 廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司， 廣州 510620； 4 廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系， 廣州 510450)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，城市建筑的規(guī)模、密度越來越大。在有限的空間開挖基坑、對(duì)原有建筑的改建以及建筑的使用年限的增長等都對(duì)建筑基礎(chǔ)的質(zhì)量提出新的要求。特別是建筑樁基礎(chǔ)施工過程中的質(zhì)量問題，如擠土作用導(dǎo)致已有樁上抬的問題、引孔靜壓樁樁底脫空的問題、施工斷樁的問題、灌注樁樁底沉渣過厚的問題等，都涉及到樁基的補(bǔ)強(qiáng)加固。地基基礎(chǔ)是建筑的直接載體，其質(zhì)量好壞關(guān)系到建筑的安全與使用。因此，對(duì)問題樁基探究高質(zhì)量有效的加固方法尤為重要。本文基于常用樁基加固方法機(jī)理，結(jié)合某在建高層的引孔靜壓樁樁底脫空問題的樁基加固工程實(shí)例，采用微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁技術(shù)進(jìn)行加固，并對(duì)其技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 項(xiàng)目情況

1.1 工程概況

清遠(yuǎn)市某高層住宅小區(qū)A-B#樓為高層建筑，此建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為地上26層，地下1層?；A(chǔ)采用AB型直徑500mm預(yù)應(yīng)力PHC管樁加承臺(tái)形式，樁長約為8～12m，采用靜壓成樁，其中部分為引孔靜壓成樁，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r或中風(fēng)化泥灰?guī)r。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告[1]，A-B#樓建筑的地質(zhì)勘察點(diǎn)位布置如圖1所示。

圖1 A-B#樓勘察點(diǎn)位平面布置

項(xiàng)目場地土層由上至下分為人工填土層(Q4ml)：①素填土層；沖積層(Q4al)：②粉(砂)質(zhì)黏土，厚度變化較大，均勻性差；石炭統(tǒng)石橙子組(C1)風(fēng)化巖：裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，自上而下隨風(fēng)化程度減弱為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化泥巖為極軟巖，遇水易軟化，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類為V級(jí)；中風(fēng)化巖層有泥巖和灰?guī)r，中風(fēng)化泥巖屬極軟巖，中風(fēng)化灰?guī)r屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類為IV～Ⅴ級(jí)。其中，中風(fēng)化灰?guī)r天然濕度下單軸抗壓強(qiáng)度值為20.0MPa。具體勘察典型剖面如圖2所示。

常用樁基加固方法 表1

圖2 A-B#樓勘察典型剖面圖

1.3 樁基質(zhì)量問題

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，A-B#樓單樁豎向承載力特征值為1 600kN,靜壓樁成樁壓力終值為4 000kN。預(yù)鉆孔引孔的樁基礎(chǔ)預(yù)鉆孔直徑為400mm，采用潛孔錘鉆孔引孔后靜壓成樁。

A-B#樓樁基施工完成后，進(jìn)行了低應(yīng)變樁身完整性檢測和單樁豎向承載力靜載檢測。樁基低應(yīng)變檢測結(jié)果表明，樁大部分為Ⅰ類，個(gè)別為Ⅱ類，樁身完整性滿足要求。靜載檢測抽檢6根樁，其中5根樁合格，1根樁不合格(此樁極限承載力為2 560kN)。因?yàn)?根樁不合格，采取擴(kuò)大2根樁進(jìn)行靜載抽檢，結(jié)果表明，1根樁合格，1根樁不合格(此樁極限承載力為640kN)。后經(jīng)檢查分析，A-B#樓檢測不合格的兩根樁均為引孔靜壓樁，此時(shí)主體結(jié)構(gòu)已施工至18層。通過排查所有引孔靜壓樁施工記錄發(fā)現(xiàn)，存在部分樁基引孔深度大于管樁樁底深度的問題。由于引孔靜壓壓樁的持力層基本處于風(fēng)化巖層，遇水較易軟化，導(dǎo)致該部分樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，屬于嚴(yán)重的樁基質(zhì)量問題，因此需要對(duì)問題樁基進(jìn)行加固處理。

2 樁基加固技術(shù)方案比選

一般的地基基礎(chǔ)加固處理主要從改變基礎(chǔ)形式、增設(shè)新的基樁、增強(qiáng)巖土體的承載力等3個(gè)方面進(jìn)行考慮[2]，設(shè)計(jì)加固技術(shù)方案。工程中常見的樁基加固方法見表1。

綜合比選表1中樁基加固方法各自特點(diǎn)和適用條件，且鑒于A-B#樓樁基加固工程的實(shí)際情況：1)需要在地下室有限空間進(jìn)行加固施工；2)加固施工盡量減少對(duì)原有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響；3)主體結(jié)構(gòu)已施工至18層，加固體需要即時(shí)參與承受上部結(jié)構(gòu)的荷載；4)加固體工程質(zhì)量驗(yàn)收的因素。創(chuàng)新思路，綜合常用樁基加固方法各自優(yōu)點(diǎn)，A-B#樓樁基的加固采用微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁加固技術(shù)方案。該加固方案的預(yù)應(yīng)力封樁是為了讓新加固的樁在施工完成后即刻起作用，以減少基礎(chǔ)的沉降量。此加固方案綜合了注漿技術(shù)、錨桿靜壓樁技術(shù)和鋼管樁技術(shù)的各自優(yōu)點(diǎn)。

3 微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁加固技術(shù)應(yīng)用

3.1 加固技術(shù)方案設(shè)計(jì)

由于引孔成樁問題樁基的樁端吊空，驗(yàn)算A-B#樓樁基承臺(tái)承載力時(shí)不考慮樁端阻力，只考慮樁側(cè)阻力進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)驗(yàn)算結(jié)果中承載力不足的承臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)樁加固，以彌補(bǔ)其承載力不足。初步設(shè)計(jì)采用φ194×8微型鋼管樁，灌漿材料為C20混凝土，入中風(fēng)化灰?guī)r1m，采用千斤頂進(jìn)行預(yù)應(yīng)力穩(wěn)壓封樁。為使鋼管樁與原基礎(chǔ)共同承擔(dān)上部荷載，需同時(shí)對(duì)原基礎(chǔ)承臺(tái)進(jìn)行包柱和加厚處理。

根據(jù)鋼管樁豎向承載力理論，用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[3]以及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[9](簡稱JGJ 94—2008)里的嵌巖樁單樁豎向極限承載力計(jì)算公式為：

Quk=u∑qsikli+ζrfrkAp

(1)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力；u為樁身周長；qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力；li為樁周第i層土的厚度；ζr為嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；frk為巖土飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端面積。

根據(jù)式(1)，按保守考慮，樁長按最短樁11m計(jì)算，入中風(fēng)化灰?guī)r1m。根據(jù)勘察報(bào)告[1]揭露的土質(zhì)情況參考規(guī)范JGJ 94—2008，基巖以上樁周土層的極限側(cè)阻力取多層土極限側(cè)阻力平均值，為40kPa； 基巖以上的樁長l取10m；入巖1m樁周巖層的極限側(cè)阻力取140kPa；ζr按規(guī)范JGJ 94—2008取1.55×1.2；frk根據(jù)勘察報(bào)告[1]，中風(fēng)化灰?guī)r取20MPa；加固樁外徑為210mm。經(jīng)計(jì)算Quk為1 643kN。而單樁豎向承載力特征值為極限承載力的一半，故為821kN，實(shí)際設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值按650kN取值。參考《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936—2014)[10](簡稱GB 50936—2014)計(jì)算公式(2)驗(yàn)算樁身材料承載力：

N0=Asc(1.212+Bθ+Cθ2)fc

(2)

式中：N0為鋼管混凝土短柱的軸心受壓強(qiáng)度承載力設(shè)計(jì)值；Asc為實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件的截面面積；B，C為截面形狀對(duì)套箍效應(yīng)的影響系數(shù)；θ為實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件的套箍系數(shù)；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

根據(jù)鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，B按規(guī)范GB 50936—2014公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為1.148；樁混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)按最低C15計(jì)算；按規(guī)范GB 50936—2014,C取為-0.021。將上述相關(guān)參數(shù)的取值代入規(guī)范GB 50936—2014公式(式(2))計(jì)算得到N0為1 601kN，大于650kN，滿足樁身材料強(qiáng)度要求。根據(jù)樁為嵌巖樁以及樁長和巖土情況，不考慮群樁效應(yīng)和軸心受壓穩(wěn)定性。

按鋼管樁單樁承載力為650kN設(shè)計(jì)，加固設(shè)計(jì)樁具體平面布置如圖3所示。以樁端進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r1m為終樁條件，鋼管樁樁長預(yù)計(jì)平均為15m，鋼管樁鋼材級(jí)別采用Q235(B)，外套管截面φ210×8。預(yù)應(yīng)力封樁植筋鋼筋采用28，設(shè)計(jì)單根植筋抗拔力不低于165kN。包柱和新增加厚的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)P6。

圖3 A-B#樓靜壓樁位及加固樁位布置示意

3.2 微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁施工工藝

微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁基本施工工藝為：1)底板開孔。依據(jù)設(shè)計(jì)鋼管樁尺寸，按鉆孔樁徑為300mm對(duì)原承臺(tái)進(jìn)行開孔定位。2)成孔。用泥漿護(hù)壁進(jìn)行鉆孔。3)鋼管制作。入巖范圍內(nèi)鋼管均勻開孔3排4列，孔口尺寸為40×200，鋼管出漿孔兩列對(duì)稱布置，間距500mm，孔徑為25mm。4)下管。首節(jié)鋼管下放，每節(jié)鋼管用外套鋼管焊接連接，鋼管下放直至孔底巖面。5)水泥漿灌注。6)植筋。按圖紙要求植入4根錨桿筋和角筋。7)預(yù)應(yīng)力封樁。灌注漿體達(dá)到齡期后，安裝槽鋼梁和液壓千斤頂進(jìn)行加壓，達(dá)到設(shè)計(jì)力650kN后進(jìn)行穩(wěn)壓2h，穩(wěn)壓后用螺栓固定下槽鋼梁，移開上槽鋼梁及千斤頂，切斷多余長度的錨桿，用鋼筋焊接角筋，預(yù)壓封樁。具體施工工藝示意如圖4所示。最后對(duì)承臺(tái)進(jìn)行包柱、加厚混凝土澆筑。

3.3 加固方案效果檢測

鋼管樁成樁達(dá)到齡期后，2019年9月份抽取10根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，加載檢測典型荷載-沉降(Q-s)曲線、沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(s-lgt)分別如圖5、圖6所示。由圖可見，Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，s-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，最大加載量為1 300kN。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，加載到1 300kN時(shí)，檢測樁總沉降量約為12.80～15.10mm，沉降量不大。綜合分析，加固樁極限承載力Qu≥1 300kN，滿足微型鋼管樁設(shè)計(jì)承載力650kN要求。加固施工時(shí)對(duì)A-B#樓建筑進(jìn)行沉降變形觀測，監(jiān)測點(diǎn)位布置如圖7所示，建筑物的沉降變形曲線如圖8所示。由圖8可見，監(jiān)測的變形比較穩(wěn)定，趨于收斂。

圖5 典型加載Q-s曲線

圖6 典型加載s-lgt曲線

圖7 建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)位布置

圖8 建筑沉降監(jiān)測變形曲線

4 結(jié)論

(1)針對(duì)工程引孔樁基存在的承載力不足問題，在比較工程中樁基加固常見方法的適用性及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新思路，綜合了常見加固方法的性能優(yōu)點(diǎn)，采用微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁加固技術(shù)方案。

(2)按照鋼管嵌巖樁豎向承載力理論對(duì)微型鋼管樁承載力進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并確定參數(shù)。在實(shí)際工程加固的效果檢驗(yàn)中，通過抽取一定比例的加固鋼管樁進(jìn)行了樁基豎向承載力檢測和建筑變形觀測，兩者均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，加固效果較好。說明按照鋼管嵌巖樁承載力理論對(duì)加固樁承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是合理的。同時(shí)對(duì)于該類加固工程采用微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁加固技術(shù)是有效的。

(3)微型鋼管樁預(yù)應(yīng)力封樁加固技術(shù)方案為在建工程樁基加固中存在有施工空間問題、加固樁質(zhì)量檢測驗(yàn)收問題以及加固樁即刻參與既有建筑原來基礎(chǔ)并共同起作用問題提供了新的解決方法，也為類似引孔樁基、樁底空洞、灌注樁樁底沉渣厚度大等問題樁基提供了改進(jìn)后新的加固技術(shù)方案和工程實(shí)例借鑒。