預(yù)浸工藝微型樁在濕陷性填土區(qū)樓房加固中應(yīng)用研究

祁亮,趙成江,張世徑

(1.蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

蘭州九州地區(qū)地處黃土高原西部的黃河高階地前沿地帶，原地形溝壑縱橫，填方高度差別大，影響因素多，不僅受到自然條件的影響、施工因素的影響，還有濕陷性黃土的影響，在新擴(kuò)展的場(chǎng)地上廣泛分布著大于20m的IV級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性黃土，工程地質(zhì)條件與環(huán)境地質(zhì)條件極為復(fù)雜和不利，而“大填大挖”的高填方地基必然存在地基沉降與不均勻沉降的問題，黃土濕陷所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力引起的樁基病害在濕陷性黃土地區(qū)廣泛存在且備受關(guān)注[1-2]。

蘭州九州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)是20世紀(jì)90年代末開發(fā)的，受制于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，填方造地更多的是無(wú)序填土，而設(shè)計(jì)考慮到大厚度濕陷性黃土回填場(chǎng)地處理后(預(yù)浸水法除外)，因不能滿足黃土規(guī)范關(guān)于剩余濕陷量的規(guī)定，不得不采用穿越濕陷性土層的樁基礎(chǔ)，工程經(jīng)濟(jì)性欠佳[3]。而回填后的場(chǎng)地將原地表水排泄通道堵塞以及地表水順著填方交界面的下滲，造成地下水位逐年逐步上升，形成逐漸加厚的地下軟弱土層，場(chǎng)地內(nèi)樁基同時(shí)受土體固結(jié)沉降、填方土體濕陷下沉，以及地下水環(huán)境變化形成的軟弱地層自重固結(jié)下沉等多方面的影響。當(dāng)土層下沉量大于樁身下沉量時(shí)，會(huì)對(duì)柱產(chǎn)生向下的摩阻力即負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載作用到樁身, 可能導(dǎo)致樁身破壞、樁端持力層破壞、上部結(jié)構(gòu)不均沉降、樓體傾斜等不利影響[4]。輕者影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)則建筑物喪失使用功能，甚至倒塌破壞。

目前，均質(zhì)土層中針對(duì)樁負(fù)摩阻力問題的理論研究較多[5]，但實(shí)際工程中土層條件錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其對(duì)于深厚的填土地基，土層濕陷性不連續(xù)問題普遍存在，樁基的受力性狀不僅與是否浸水和土層參數(shù)相關(guān)，還受樁徑、樁長(zhǎng)、樁型等參數(shù)的影響[6-11]。本文通過蘭州九州典型幾棟樁基建筑物浸水后樁基變形原因分析，通過采用改良施工工藝的的中細(xì)長(zhǎng)微型鋼管樁這種類型的樁基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了采取水泥漿預(yù)浸施工工藝時(shí)，微型鋼管樁在深厚填土區(qū)的承載力、負(fù)摩阻力等變化情況，并通過實(shí)際應(yīng)用于一棟樓的加固監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了加固措施的安全可靠性，為微型樁基鋼管樁在深厚填土區(qū)小空間建筑物樁基病害加固提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 病害樓體概述

蘭州市九州合作新區(qū)某棟住宅樓為12層鋼筋混凝土現(xiàn)澆框架-剪力墻結(jié)構(gòu)小高層，總高35.5 m?；A(chǔ)為機(jī)械成孔混凝土灌注樁，原設(shè)計(jì)樁徑分別為φ800 mm和φ1 000 mm，樁底設(shè)擴(kuò)大頭，樁設(shè)計(jì)承載力分別為1 971 kN和2 462 kN。整個(gè)建筑物修建在深達(dá)40 m且未經(jīng)過任何碾壓的以濕陷性黃土為主的雜填土回填場(chǎng)地上。設(shè)計(jì)樁端持力層為中風(fēng)化砂巖。

經(jīng)相關(guān)單位安全性檢測(cè)鑒定，檢測(cè)結(jié)果為兩棟住宅樓部分樁基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，樁基出現(xiàn)不均勻沉降變形導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)整體傾斜、地下室部分墻體及上部墻體開裂的病害。

1.2 工程地質(zhì)條件

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布與特征

1.3 變形情況概述

該棟住宅樓于2008年6月開工建設(shè)，2012年7月竣工，建筑面積約9 491 m2。自交付使用起，在使用過程中不斷發(fā)現(xiàn)墻體開裂、建筑物出現(xiàn)整體傾斜問題，隨著時(shí)間的推移，截至2016年1月，不均勻沉降日益增加，傾斜變形不斷發(fā)展(圖1)，上部結(jié)構(gòu)西北角整體傾斜最大達(dá)13.76 ‰。

圖1 樓體傾斜示意圖及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[12]，整體傾斜已超過規(guī)范規(guī)定的3‰允許值，亟待加固整治。

2 浸水對(duì)樁基承載力及負(fù)摩阻力影響的機(jī)理

濕陷性黃土填方場(chǎng)地地基沉降產(chǎn)生的原因主要來自3個(gè)方面：一是原土在填方附加荷載作用下的沉降；二是填筑體本身在自重作用下的固結(jié)沉降；三是濕陷性黃土在水作用下產(chǎn)生的濕陷沉降[13]。但固結(jié)沉降變形產(chǎn)生的負(fù)摩阻力長(zhǎng)期作用于樁身側(cè)表面，填方場(chǎng)地厚度差異較大時(shí)，產(chǎn)生的固結(jié)沉降差將對(duì)上部建筑物產(chǎn)生較大的影響，其對(duì)建筑物的破壞是長(zhǎng)期的。而地下水環(huán)境的變化或浸水后的土體水敏性變化造成的樁側(cè)土體的不均勻沉降將導(dǎo)致樁基迅速發(fā)生承載力的衰減，若樁基設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮負(fù)摩阻力，基礎(chǔ)有可能產(chǎn)生沉降過大或樁身軸力過大導(dǎo)致的破壞或樁端地基土的破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。

在濕陷性黃土場(chǎng)地上，不允許采用摩擦型樁，設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)除樁身強(qiáng)度必須滿足要求外，還應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁(包括端承樁和摩擦端承樁)。本病害樓設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)，部分樁端設(shè)置于砂質(zhì)泥巖上，遇水后軟化崩解，樁端承載力的減小疊加樁基浸水后側(cè)阻力大幅度減小必然導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

3 水泥漿預(yù)浸工藝微型樁加固措施實(shí)例

3.1 加固方案

建筑物原樁基浸水后，樁基承載力不足是導(dǎo)致本棟建筑物出現(xiàn)病害的重要原因。在選擇樁基建筑物加固的方案時(shí)，應(yīng)首先考慮樁基承載力補(bǔ)強(qiáng)方案，并綜合考慮特定狹小的施工場(chǎng)地的影響。本次加固研究擬采用小截面承載力高的微型注漿鋼管樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

微型鋼管樁采用機(jī)械成孔，在緊靠原混凝土樁基增設(shè)孔徑φ200 mm，內(nèi)置φ168 mm，壁厚δ=8 mm小截面鋼管注漿樁，管質(zhì)材料選擇DZ40地質(zhì)管。為保證鋼管樁在飽和土層成孔，采取跟管泥漿護(hù)壁成孔鉆進(jìn)的工藝，為防止塌孔，設(shè)計(jì)采用一次性鉆頭，鉆頭帶動(dòng)的鋼套管即為永久樁體鋼管，一次成孔，樁長(zhǎng)以進(jìn)入中分化2 m作為控制標(biāo)準(zhǔn)，成孔完成后，采用壓力注漿工藝用M50水泥凈漿置換成孔時(shí)用的低強(qiáng)度水泥漿，待水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)，鋼管樁頂部設(shè)承臺(tái)，與原樁基相連，形成最終使用的注漿鋼管加固樁體，與原樁基共同承擔(dān)上部建筑物的荷載。

考慮到飽和土層縮孔影響樁基的成孔，同時(shí)考慮后期浸水濕陷會(huì)對(duì)新增設(shè)的樁基也會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，我們將土層中常采用的泥漿護(hù)壁工藝，改為水泥漿護(hù)壁成孔的工藝，對(duì)樁周土體提前進(jìn)行預(yù)浸水處理，提前消除土體濕陷性對(duì)樁基的下拽力。由于水泥漿與普通泥漿不同，在一定的壓力下向樁周土體擴(kuò)散時(shí)，也可加固樁周尚未固結(jié)土體的孔隙，封閉地表水下滲通道，也對(duì)原混凝土樁周松散土體起到了注漿加固的效果。

現(xiàn)場(chǎng)開展了此種類型實(shí)樁的工藝試驗(yàn)和承載力、負(fù)摩阻力測(cè)試工作，通過深入分析研究量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)掌握黃土填方場(chǎng)地微型鋼管樁樁基承載性狀具有重要的實(shí)際意義，也為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐依據(jù)。

3.2 微型注漿鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.2.1 注漿鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)4根33 m的試驗(yàn)樁進(jìn)行同等復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基試驗(yàn)，為測(cè)得整個(gè)試驗(yàn)過程中樁身混凝土的應(yīng)力變化，在樁心混凝土中設(shè)置輔助居中鋼筋，并沿鋼筋豎向全長(zhǎng)每隔 4 m布置一個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)，單樁計(jì)9個(gè)混凝土計(jì)。詳見圖2所示。并采用規(guī)范要求的慢速維持荷載法對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)了分級(jí)加載試驗(yàn)。

圖2 混凝土計(jì)布置圖

3.2.2 單樁荷載-沉降(Q-S)特性

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得各級(jí)荷載下軸力變化曲線如圖3所示，從圖中可以看出，3根樁體的Q-S曲線均為緩變形，表現(xiàn)為典型的摩擦樁承載特性。

圖3 單樁豎向靜載試驗(yàn)Q-S曲線

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于緩變型Q-S曲線，單樁豎向抗壓極限承載力大小宜根據(jù)樁頂沉降量取值，對(duì)比樁3與樁1、樁2的Q-S曲線可以看出各試驗(yàn)樁之間的極限承載力相差較大，分析認(rèn)為這是由于相鄰試驗(yàn)樁較接近，隨著前期預(yù)浸水程度增加及對(duì)后施工樁的樁周土體造成擾動(dòng)，導(dǎo)致土體所能提供的側(cè)摩阻力受到削弱，使得單樁承載力下降。考慮到成樁周土體隨著時(shí)間的推移能夠逐漸固結(jié)穩(wěn)定，其承載力會(huì)逐漸恢復(fù)，因此最終極限承載力肯定不小于樁1和樁2的承載力。現(xiàn)場(chǎng)3根試驗(yàn)樁樁頂沉降量為40 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的單樁抗壓承載力分別為2 200 kN、2 600 kN、2 700 kN，均值為2 500 kN，極差為500 kN，極差小于0.3倍的均值，因此，取3根樁體均值作為單樁抗壓極限承載力，依據(jù)規(guī)范確定該微型鋼管樁單樁豎向承載力為1 250 kN。

3.2.3 樁身軸力分布規(guī)律

從不同荷載下的軸力分布圖(圖4)可以看出，樁身軸力隨著樁頂荷載的增加而不斷增大，在各級(jí)荷載作用下，軸力自上而下傳遞，且樁端軸力很小，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到3 000 kN時(shí)，3根樁在33 m處通過微應(yīng)變測(cè)出的樁端軸力分別為1.4 kN、11.1 kN和5.5 kN，幾乎接近于0，樁端附近側(cè)摩阻力和端阻幾乎未發(fā)揮作用，試樁反映出摩擦樁特性。

圖4 樁身軸力沿深度分布曲線

3.2.4 樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律

從樁側(cè)摩阻力沿深度的分布曲線圖(圖5)中可以看出：樁側(cè)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，且表現(xiàn)出不連續(xù)分布的特征。

圖5 樁側(cè)摩阻力沿深度的分布曲線

(1) 樁1～樁3均出現(xiàn)兩個(gè)負(fù)摩阻力段，出現(xiàn)深度均在5～9 m和17～21 m范圍內(nèi)，樁 1 上段負(fù)摩阻力平均值為-32 kPa，下段負(fù)摩阻力平均值為-16 kPa，樁2上段負(fù)摩阻力平均值為-45 kPa，下段負(fù)摩阻力平均值為-30 kPa，樁 3上段負(fù)摩阻力平均值為-60 kPa，下段負(fù)摩阻力平均值為-39 kPa。經(jīng)分析樁所處地層差異及施工現(xiàn)場(chǎng)情況，分析認(rèn)為這與水泥漿循環(huán)過程中漏漿、跑漿情況密切相關(guān)。試驗(yàn)所在場(chǎng)地7 m、21 m范圍內(nèi)時(shí)，水泥漿出現(xiàn)泥漿無(wú)法循環(huán)反流至地面，即存在漏漿、跑漿現(xiàn)象的發(fā)生。

(2) 受填土密實(shí)度、空隙率分布不均影響，漏漿層局部深度范圍內(nèi)樁周土形成了微浸漿與強(qiáng)浸漿相間分布的狀態(tài)，而強(qiáng)浸漿段樁周土體會(huì)在樁頂受荷、樁體下移所產(chǎn)生的下拽力作用下發(fā)生濕陷，引起負(fù)摩阻力的產(chǎn)生。所以漏漿層的不連續(xù)分布使得樁周土體分段濕陷，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)摩阻力分段不連續(xù)現(xiàn)象的發(fā)生。

(3) 3根樁體側(cè)摩阻力均出現(xiàn)了峰值，最大側(cè)摩阻力達(dá)262 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范給出的側(cè)摩阻力值。分析認(rèn)為，填土地區(qū)土體屬于欠固結(jié)土，孔隙率較大，樁側(cè)壓力注漿使得部分漿液滲透到周圍土體的空隙中，增大了土體的密實(shí)度，漿液的凝結(jié)固化大大改善了樁周土體的物理力學(xué)性能，減小了鉆孔施工對(duì)周圍土體帶來的擾動(dòng)。同時(shí)，漿液凝結(jié)對(duì)微型鋼管樁具有一定的握裹力，使得樁側(cè)摩阻力相比規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值有明顯的提高。說明預(yù)浸水泥漿的工藝對(duì)復(fù)雜的含有孔隙的地層同時(shí)具有注漿加固的作用，不僅改良了土層，同時(shí)有助于樁基承載力的提高。

4 加固方案設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 原樁承載力的計(jì)算

根據(jù)PKPM對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)建模分析，上部結(jié)構(gòu)恒載標(biāo)準(zhǔn)值為143 390.6 kN，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為18 346.5 kN，上部結(jié)構(gòu)總荷載設(shè)計(jì)值為197 753.8 kN。由于建筑物向西南方向傾斜，因此，建筑物東北角樁基受力最小，西南角樁基受力最大，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，樁頂偏心荷載的作用效應(yīng)計(jì)算公式:

式中，Nik為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，第i樁基或復(fù)合樁基的豎向力(kN);Fk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁基礎(chǔ)頂面的豎向力(kN)；Gk為作用于樁基以上基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上土重標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Mxk、Myk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺(tái)底面，繞通過樁群形心的x、y主軸的力矩(kN·m)；xi、xj、yi、yj為第i、j樁基或復(fù)合樁基至y、x軸的距離(m)。

可得偏心荷載下樁頂最大、最小的豎向作用力為Nmax=5 170.6 kN，Nmin=1 641.7 kN，若不考慮偏心荷載，則樁頂豎向作用力為(標(biāo)準(zhǔn)值)N=3 110.3 kN。則其樁體承載力特征值為1 555 kN。而原設(shè)計(jì)單位φ800 mm的樁設(shè)計(jì)承載力為1 971 kN。未充分考慮地基土濕陷后樁基承載力降低的問題。

4.2 鋼管樁原樁承載力的計(jì)算

由于施工質(zhì)量缺陷，部分樁基無(wú)擴(kuò)大頭、成樁深度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在計(jì)算原樁基承載力時(shí)，取樁基平均深度為32 m，有效樁基為52根，則現(xiàn)有樁基承載力特征值為172 423.7 kN，仍然不滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要補(bǔ)樁加固。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式和原有樁基的布置情況，并考慮狹小空間施工機(jī)械的幾何尺寸，同時(shí)考慮部分原有樁基仍發(fā)揮作用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，綜合確定微型鋼管樁的數(shù)量按整體建筑所有荷載全部托換的70%確定微型鋼管樁的數(shù)量?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際共布置113根，WZ代表微型鋼管樁，詳見微型鋼管樁的布置如圖6。

4.3 加固效果

樓體采用截樁迫降的方案對(duì)建筑物進(jìn)行糾傾處理后，可見各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量時(shí)程變化曲線圖如圖7、圖8所示。

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量時(shí)程變化曲線

圖8 樓體傾斜率時(shí)程變化曲線

在施工前期樓體依然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，南側(cè)繼續(xù)下沉，自10月份后開始對(duì)樁周土體進(jìn)行應(yīng)力解除等輔助糾偏措施后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，樓體北側(cè)出現(xiàn)下沉趨勢(shì)，沉降曲線平緩，下沉速率慢，達(dá)到止傾的目的。因此，開始第2階段截樁迫降法糾偏，截樁法糾傾時(shí)樓體沉降量大，沉降速率快，可達(dá)到快速糾偏的目的。通過后期的截樁恢復(fù)及加固措施，樓體沉降逐漸趨于穩(wěn)定，沉降量基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。整個(gè)樓體的傾斜率由最大傾斜率13. 76‰，逐漸減小且變化穩(wěn)定在 3‰以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

5 結(jié)論

(1) 濕陷性黃土或填土區(qū)建筑樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮地下水環(huán)境的變化或浸水后的土體水敏性變化造成的樁側(cè)土體的不均勻沉降導(dǎo)致樁基迅速發(fā)生承載力的衰減的問題。若樁基設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮負(fù)摩阻力，基礎(chǔ)有可能產(chǎn)生沉降過大或樁身軸力過大導(dǎo)致的破壞或樁端地基土的破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。

(2) 微型樁在濕陷性填土區(qū)樓房加固中應(yīng)用研究表面，采用微型鋼管樁具有小徑高強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是在小空間作業(yè)的施工條件下，能夠穿過軟弱土體到達(dá)持力層，并且具有較高的承載力。

(3) 預(yù)浸水泥漿液凝結(jié)對(duì)微型鋼管樁具有一定的握裹力，使得樁側(cè)摩阻力相比規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值有明顯的提高。說明預(yù)浸水泥漿的工藝對(duì)復(fù)雜的含有孔隙的地層同時(shí)具有注漿加固的作用，既能解決微型樁穿越飽和土層縮徑的問題，也對(duì)樁周欠密實(shí)或不均勻土層進(jìn)行了加固改良，有助于原樁基承載力的提高。同時(shí)采用預(yù)浸工藝，消除了不良填料(黃土)的濕陷導(dǎo)致的樁基長(zhǎng)期承載力衰減的隱患。通過加固樓體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可知，樓體加固后變形穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。

(4) 水泥漿預(yù)浸工藝微型樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知：其工作性能為典型的摩擦樁受力特性，采用直徑φ200 mm，內(nèi)置φ168 mm鋼管，并后注M50水泥漿后，單樁豎向承載力可達(dá)到1 250 kN。是中低樓層托換加固可選擇的較好樁型之一。