岑文祥， 張耀庭， 王琳鴿

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2.河南城建學(xué)院， 河南 平頂山 467001)

基礎(chǔ)是房屋建筑的重要組成部分，它是承受上部結(jié)構(gòu)荷重，并將荷重傳遞到下臥土層的結(jié)構(gòu)[1]。因此，基礎(chǔ)(包括設(shè)計和施工)的好壞對建(構(gòu))筑物的安全性是至關(guān)重要的。樁基工程屬于地下隱蔽工程，由于受施工工藝和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的影響較大[2]，在樁基施工過程中，往往會出現(xiàn)各種問題，如地下水、軟弱地基、樁承載力不夠等，需要進(jìn)行分析與處理，考慮樁身側(cè)摩阻力，樁土分擔(dān)作用等因素影響?，F(xiàn)階段常規(guī)的基礎(chǔ)工程設(shè)計通常將基礎(chǔ)與地基兩者作為彼此離散的獨立結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行力學(xué)分析與設(shè)計，忽略了兩者之間的相互作用。本文針對武漢某樁基工程在施工過程中出現(xiàn)的問題，采用木樁加固地基土，考慮樁土協(xié)同工作，并以錨桿靜壓樁補(bǔ)償形成多元復(fù)合地基基礎(chǔ)形式，取得了良好效果。

圖1 新建副廠房與原主廠房位置示意圖

1 工程概況

武漢市某泵站副廠房，屬主廠房的改擴(kuò)建工程，緊貼主廠房，主體結(jié)構(gòu)為三層混凝土框架結(jié)構(gòu)(含原地下室)，主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)為一層檢修車間，不上人屋面。建筑物長48.5 m，寬9.9 m，室外地面至主屋面正脊線高度為11.700 m，±0.000為黃海高程23.60 m，如圖1所示。

場地標(biāo)高在23.57～23.62 m，相對高差為0.05 m，擬建場區(qū)上部覆蓋層為第四系全新統(tǒng)(Q4)一般粘性土及第四系上更新統(tǒng)(Q3)粘性土組成。工程區(qū)未見明顯的構(gòu)造斷裂，區(qū)域地殼穩(wěn)定，場區(qū)地震基本烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組；建筑物場地類別為Ⅱ類，中軟場地土，可不考慮地震砂土液化問題；地下水對混凝土無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，場地土層的分布及主要特征見表1、表2。

表1 各層土工程地質(zhì)特征

表2 各層土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計

注：表中C、φ值為直接快剪試驗指標(biāo)。

圖2 樁布置圖

2 原樁基設(shè)計介紹

副廠房一側(cè)緊挨主廠房，根據(jù)甲方的設(shè)計要求，副廠房在改擴(kuò)建過程，只拆除地面以上部分，地面以下的地下室除部分預(yù)制頂板拆除外，其余部分不拆除。

由于副廠房場地下方為泵站流道，大型打樁機(jī)械進(jìn)場可能會對出水流道產(chǎn)生擾動，甚至損壞管道。根據(jù)地勘報告，本工程基礎(chǔ)按人工挖孔灌注墩(樁)設(shè)計，一柱一樁，樁端持力層為第(3)層粉質(zhì)粘土層，其地基承載力為fak=360 kPa，樁端阻力為qa=600 kPa。三層主體副廠房柱下最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為815 kN，一層檢修車間柱下最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為458 kN，確定用ZH1和ZH2兩種樁型。ZH1為一層檢修車間樁基，樁徑900 mm，底部擴(kuò)底樁徑為1100 mm；ZH2為三層副廠房樁基，樁徑900 mm，底部擴(kuò)底樁徑為1500 mm。樁頂標(biāo)高為-3.100 m，樁端進(jìn)入持力層的深度為1000 mm，樁長為6 m。如圖2所示，斜線范圍內(nèi)為原副廠房，有一排樁落在原址內(nèi)。

3 施工中的問題分析與處理

3.1 地下水問題

施工過程中，當(dāng)挖孔樁下挖3 m后，發(fā)現(xiàn)大量地下水滲入，經(jīng)抽水機(jī)24 h連續(xù)排水，滲水仍控制不住，繼續(xù)下挖有坍孔的危險。經(jīng)過現(xiàn)場勘驗及分析：由于泵站下出水流道修建較久，管道連接部位可能存有裂縫，管道水由裂縫滲入是產(chǎn)生滲流水的主要原因。

鑒于這種情況，副廠房基礎(chǔ)無法繼續(xù)使用人工挖孔灌注樁，考慮到施工現(xiàn)場場地條件的限制，大型機(jī)械機(jī)具沒有工作面，無法進(jìn)行各類混凝土樁施工，同時考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，提出采用木樁形式，形成樁土復(fù)合地基，即在現(xiàn)有挖孔樁樁孔底標(biāo)高處打入木樁，樁底進(jìn)入持力層。木樁采用松木樁，尾徑大于200 mm，為了便于打樁，樁長定為3.5 m。

復(fù)合地基是由樁間土和樁共同承擔(dān)荷載，其中樁的作用是主要的。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，其松木樁單樁豎向承載力特征值可參照樁復(fù)合地基計算公式進(jìn)行計算[3]

(1)

式中，Ra為單樁承載力特征值(kN)；up為樁的周長(m)；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi，qpa分別為第i層土的側(cè)阻力，樁端端阻力特征值(kPa)；li為第i層土的厚度(m)；Ap為樁的橫截面面積(m2)。

按樁身強(qiáng)度的單樁承載力特征值，考慮穩(wěn)定驗算[4]：

Ra≤φApfc

(2)

在樁長和樁徑一定下，松木樁復(fù)合地基承載力主要取決于單位面積的樁數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求的地基承載力值來確定單位面積松木樁的數(shù)量[5]，即：

(3)

式中，k為單位面積松木樁數(shù)(k=m/Ap，m為置換率)，根/m2；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，計算時以設(shè)計要求值來代替，kPa；β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較大時取較大值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時，可取樁頂所在持力層地基承載力特征值(kPa)。

松木樁布樁通常采用三角形和正方形兩種形式，其樁距可按以下公式計算[5]，即：

(4)

(5)

圖3 布樁形式示意

本工程中松木樁在(2-3)層土中的長度為2 m，在(3)層土中的長度為1.5 m。復(fù)合地基承載力要求達(dá)到340 kPa，根據(jù)公式(1)單樁承載力特征值Ra為87 kN，且滿足公式(2)穩(wěn)定驗算要求。由公式(3)得k=3.24根/m2，由公式(4)得L=0.6 m，故確定一個灌注樁樁孔內(nèi)布置3根木樁，布樁形式如圖3所示。

3.2 承載力不足問題

經(jīng)過3.1節(jié)計算得到松木樁復(fù)合地基承載應(yīng)力為340 kPa，灌注樁孔徑1.5 m內(nèi)木樁樁土承載力為600 kN，無法承擔(dān)全部柱軸力，應(yīng)考慮樁與地基土體通過變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)荷載作用，余下220 kN荷載由承臺下土體承擔(dān)。

在荷載作用下樁與地基土體通過變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)荷載作用是形成復(fù)合樁基的基本條件，也是其本質(zhì)所在。樁的承載能力極限狀態(tài)就豎向受荷單樁而言其荷載-沉降曲線大體表現(xiàn)為陡降型(圖4中A曲線)和緩變型(圖4中B曲線)兩類，Q-s曲線是破壞模式與特征的宏觀反映。陡降型破壞特征點明顯，一旦荷載超過其極限承載力，在荷載不變的情況下變形會急劇增大。陡降型破壞就類似于塑性鉸，當(dāng)荷載達(dá)到其極限時沉降隨之急劇增大，無法再承擔(dān)任何新的荷載增量，而此時，新的荷載增量由承臺下的土體承擔(dān)，即可阻止樁的下沉。由圖中可見緩變型破壞特征點不明顯，常常是通過多種分析方法判定其極限承載力。該極限承載力并非真正的最大承載力，因為繼續(xù)增加荷載，沉降仍能趨于穩(wěn)定，不過塑性區(qū)開展范圍擴(kuò)大，塑性沉降量增加。由此可見，樁在達(dá)到極限承載力的兩種破壞模式下，樁基均可繼續(xù)承受Qu或更大的荷載[6]。以上是樁土共同作用原理，對于本工程中，樁端持力層屬于粉質(zhì)粘土，樁端阻力值不高，樁側(cè)摩阻力占主導(dǎo)，適用于考慮樁土共同作用。

圖4 荷載—沉降曲線

待全部木樁打入后。甲方提出，副廠房緊挨的主廠房為上世紀(jì)七十年代修建，主泵房水泵位置設(shè)置較深，建造過程中放了很深的斜坡，木樁可能還達(dá)不到持力層，通過反復(fù)查找分析主廠房設(shè)計及施工資料，發(fā)現(xiàn)原地勘報告不是很準(zhǔn)確，主廠房基礎(chǔ)底板的位置距承臺底面位置的距離為9 m，此時木樁樁頂距主廠房基礎(chǔ)底板差1 m左右。

由于木樁已經(jīng)全部打入，根據(jù)土層判斷復(fù)合樁體承載力還不夠，更重要的是擔(dān)心廠房建成，設(shè)備全部到位后，上部荷載使木樁刺入土體，產(chǎn)生較大變形沉降。同時，由于汛期即將到來，工期較緊，沒有時間進(jìn)行補(bǔ)勘。在這種情況下，根據(jù)已挖出的土質(zhì)分析，決定采用錨桿靜壓樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

錨桿靜壓樁是錨桿和靜力壓樁兩項技術(shù)巧妙結(jié)合而形成的一種樁基施工工藝，是一項地基加固處理技術(shù)。加固機(jī)理類同于打入樁及大型壓入樁，受力直接且清晰。錨桿靜壓樁適用于粘性土、淤泥質(zhì)土、雜填土、粉土和黃土等地基[7]。

本工程對承臺布置形式進(jìn)行了改變，在四個角預(yù)留出四個錨桿靜壓樁樁孔，如圖5所示。錨桿靜壓方樁尺寸為250 mm×250 mm，有效樁長不小于5.5 m，單樁最小承載力特征值Ra=150 kN，最小壓樁力不得小于1.33Ra。待人工挖孔灌注28 d養(yǎng)護(hù)后，對樁的承載力進(jìn)行檢測，承載力不足差額部分用錨桿靜壓樁進(jìn)行補(bǔ)償。同時在壓樁過程中能直接從油壓表測讀每根樁能承受多大荷載,根據(jù)實際情況具體確定樁的承載力。

圖5 承臺平面示意圖

4 施工質(zhì)量控制

4.1 木樁施工

(1)木樁選用良好松木,打樁前修整木樁,削去樁身木節(jié)、木皮，并把樁尖削成棱錐形。

(2)采用挖掘機(jī)將木樁壓入加固土體，其特點是效率高、施工速度快、對木樁損壞小等；用人工保持樁的位置準(zhǔn)確和垂直，慢慢壓進(jìn)，直到樁難以壓進(jìn)，則證明樁的承載力足夠。

(3)木樁一定要浸在地下常水位以下，保證木樁在飽水狀態(tài)，可以防止木樁腐壞或蟲蝕,從而保證樁身承載力。

(4)全部打完木樁后,鋸去壓樁損壞的樁頭，并保證樁的頂面全部處于同一水平面上，木樁頂面以下30 cm用砂(砂礫)換填，并夯實、泡水，以提高基底的承載力和穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的施工條件。

(5)按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2002相關(guān)規(guī)定采用復(fù)合地基載荷試驗確定承載力。

4.2 錨桿靜壓樁施工

(1)清除基礎(chǔ)面上覆土，并將地下水降低至基礎(chǔ)面下，以保證施工作業(yè)面。

(2)按設(shè)計圖放線定位，預(yù)留壓樁孔。壓樁孔成上小下大的棱錐形，以利基礎(chǔ)抗沖切。

(3)整根樁一次連續(xù)壓入，壓樁過程中不宜停頓。間歇時間過長，往往使所需壓樁力提高，甚至超過壓樁能力而被迫中止。

(4)壓樁施工應(yīng)對稱進(jìn)行，不應(yīng)使數(shù)臺壓樁機(jī)在一個獨立基礎(chǔ)上同時加壓；

(5)樁尖應(yīng)達(dá)到設(shè)計持力層深度，且壓樁力應(yīng)達(dá)到國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2002)規(guī)定的單樁豎向承載力特征值的1.5倍，且持續(xù)時間不應(yīng)少于5 min。

(6)壓樁施工中應(yīng)加強(qiáng)沉降監(jiān)測，注意施工過程中產(chǎn)生的附加沉降，通過合理安排壓樁順序減小附加沉降及其影響。

5 結(jié) 語

該工程竣工使用后，對其跟蹤觀測三個月，其沉降，裂縫等各項指標(biāo)都在規(guī)范的范圍以內(nèi)，通過木樁和錨桿靜壓樁處理后形成了一種多元地基基礎(chǔ)形式，取得了良好的工程與經(jīng)濟(jì)效果。通過對本樁基工程設(shè)計施工中存在的問題的分析與處理，本文認(rèn)為今后在樁基設(shè)計與施工中應(yīng)該注意以下問題：

(1)保證地質(zhì)勘查報告準(zhǔn)確性，設(shè)計人員根據(jù)報告中的場地地質(zhì)條件，合理提出地基基礎(chǔ)設(shè)計最佳方案，建議合適的施工方法。避免因為地勘報告出現(xiàn)偏差，引起不必要的時間及經(jīng)濟(jì)損失。

(2)對于處理厚度不大、并且長期處于地下水位以下的軟弱地基土(多出現(xiàn)于水工結(jié)構(gòu))，木樁能夠起到較好的加固效果。實踐證明，對于木樁承載力，只考慮樁端阻力是片面的，樁側(cè)摩阻力作用不可忽視。

(3)一般的樁基設(shè)計中，往往忽視承臺下地基土的分擔(dān)作用。當(dāng)樁端持力層阻力值不高、樁側(cè)摩阻力占主要貢獻(xiàn)時，宜考慮樁土共同作用。實際上，如能保證樁土沉降一致，就可以充分發(fā)揮天然地基土的承載力，減少樁徑、樁長和樁數(shù)。如果在基礎(chǔ)設(shè)計時就考慮樁與承臺下地基土共同工作，會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)當(dāng)樁基承載力不足，同時由于施工空間，工期等因素而無法采用其他基礎(chǔ)形式時，錨桿靜壓樁在一定地質(zhì)條件下是一個合適的選擇。每根樁在壓樁過程中，可以直接根據(jù)油壓表讀取壓樁力，對于新建建(構(gòu))筑物，不影響上部結(jié)構(gòu)的施工周期。

[1]陳仲頤，葉書麟. 基礎(chǔ)工程學(xué)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[2]蘇擴(kuò)軍，鄧華鋒. 某工程樁基問題的分析與處理[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，29(1)：46-48.

[3]GB 5007-2002， 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB 5005-2003， 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]黃少青. 松木樁復(fù)合地基加固技術(shù)的運用[J]. 工程設(shè)計與建設(shè)，2005,37(4)：24-25.

[6]鄭俊杰，彭小榮. 樁土共同作用設(shè)計理論研究[J]. 巖土力學(xué)，2003,24(2):242-245.

[7]鄭俊杰. 地基處理技術(shù)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.