趙桐麗,朱宏偉,姚建平,李中國,蔡德鉤
(1.中國中元國際工程有限公司,北京 100089;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)
某項(xiàng)目有2棟建筑物,地上6層,建筑總高度18.0 m,地下1層,基礎(chǔ)埋深為3.6 m。地上建筑為框架剪力墻結(jié)構(gòu),地下建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),采用筏型基礎(chǔ),筏板厚40 cm,筏板下部為16 cm厚素混凝土墊層,其下為50 cm厚級(jí)配砂石墊層。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求建筑地基承載力≥150 kPa,允許最大沉降量為20 mm,沉降差不大于20 mm。為滿足地基承載力要求,地基土回填后采用1 500 kN級(jí)滿夯處理,然后進(jìn)行CFG樁處理,樁徑0.4 m,樁距1.8 m×1.8 m。該結(jié)構(gòu)于2011年底封頂,封頂后由于降雨的影響基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降,導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫,需對(duì)該建筑進(jìn)行地基加固。
該工程所在位置地貌上屬于山麓坡積裙地貌,地面高差較大,北高南低,西高東低。場(chǎng)地內(nèi)基礎(chǔ)筏板以下的地層自上而下主要為人工填土,第四紀(jì)坡洪積黏性土(粉質(zhì)黏土),碎石土(夾碎石透鏡體)和全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化的砂巖、頁巖和泥巖。該場(chǎng)地水位變化較大,在雨季穩(wěn)定水位埋深1.3~4.6 m。
沉降的主要原因有以下兩個(gè)方面:
1)雨水匯集造成地基軟化。原地形整體為洼地,屬典型的匯水地形,2012年遭遇特大暴雨,導(dǎo)致雨水大量滲入地基,地下水水位上升。而地基土中粉質(zhì)黏土層較厚,分布不均,粉質(zhì)黏土在遇水時(shí)強(qiáng)度變低導(dǎo)致地基整體承載能力降低。
2)地基處理不當(dāng)。補(bǔ)勘表明人工填土除①3層經(jīng)過強(qiáng)夯處理外,其余填土層結(jié)構(gòu)松散,性質(zhì)不均勻,目前處于欠固結(jié)狀態(tài),物理力學(xué)性質(zhì)差,遇水易軟化。部分CFG樁未達(dá)到持力層,造成地基承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)過綜合考慮,最終采取錨桿靜壓樁進(jìn)行地基加固[1]。錨桿靜壓樁是錨桿和靜壓樁結(jié)合而成的一種樁基施工工藝,它是通過在原基礎(chǔ)上埋設(shè)受拉錨桿,利用錨桿固定壓樁反力架,以建筑物所能發(fā)揮的自重作為壓樁反力,用千斤頂將樁段從基礎(chǔ)預(yù)留或者開鑿的壓樁孔內(nèi),逐段壓入地基中,然后,將樁和基礎(chǔ)連在一起共同承載。錨桿靜壓樁工作原理是利用錨桿樁承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的部分荷載,從而達(dá)到提高基礎(chǔ)承載能力和控制沉降的目的。
靜壓樁在整棟建筑基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置,對(duì)于建筑物沉降控制與穩(wěn)定起主要作用的位置加大布樁密度,如位于建筑物的邊緣樁、角點(diǎn)樁以及上部荷載能力起直接作用的樁位,靜壓樁總體布置重心與建筑物形心一致。布樁時(shí)需注意避開原有的CFG樁。對(duì)于建筑沉降較大的東北角區(qū)域,應(yīng)將靜壓樁布置在剪力墻兩側(cè)并盡量靠近剪力墻,使之位于剛性角范圍內(nèi),以減小筏基承受的彎矩。靜壓樁單樁承載力設(shè)計(jì)值200 kN,從施工便捷性及地下室施工空間受限的實(shí)際情況出發(fā),樁身選用直徑203 mm壁厚6 mm的普通鋼管,設(shè)計(jì)深度為樁身進(jìn)入持力層(強(qiáng)風(fēng)化巖層1 m),壓樁完成后樁身灌注 C20混凝土。為便于施工,鋼管加工成1.5~2.0 m一節(jié),第一節(jié)下端焊接高度30 cm的圓錐形樁尖,每節(jié)鋼管間采用對(duì)焊加扁鐵幫焊進(jìn)行連接。靜壓樁反力架用鐓粗螺栓固定在地面上,螺栓孔內(nèi)用硫磺粘結(jié)劑進(jìn)行錨固,設(shè)計(jì)要求單個(gè)螺栓抗拔力>100 kN。
壓樁力是沉樁過程中使樁能貫入土層所施加的靜壓力,主要是克服樁端阻力和樁周摩擦力組成的沉樁阻力。沉樁時(shí),樁周土體會(huì)受到劇烈的擠壓,樁尖首先使土體產(chǎn)生沖剪破壞,孔隙水受到?jīng)_剪擠壓作用形成不均勻水頭,產(chǎn)生急劇上升的超孔隙水壓力,擾動(dòng)了土體結(jié)構(gòu),這種擾動(dòng)和破壞隨著樁的貫入會(huì)連續(xù)不斷地向下傳遞,使樁周一定范圍內(nèi)的土體形成重塑區(qū),由于超孔隙水壓力在黏性土和砂性土中消散的快慢程度不同,沉樁阻力的構(gòu)成也不相同。
在黏性土層中沉樁,由于黏性土靈敏度的影響,樁周重塑區(qū)土的抗剪強(qiáng)度大為降低。樁基工程研究的理論表明,飽和黏性土中樁的沉入過程是一個(gè)不排水過程,其重塑區(qū)的范圍為距離樁身表面約0.5d(d為樁徑),而土的壓縮性受到較大影響的范圍可達(dá)1.5d,這使得黏性土中的超孔隙水壓力消散緩慢,重塑區(qū)強(qiáng)度恢復(fù)需要較長時(shí)間。故在黏性土中沉樁時(shí),沉樁阻力主要來自樁端阻力,而樁側(cè)阻力較小。當(dāng)樁尖處在同一土層中時(shí),沉樁阻力基本上保持不變或者略有波動(dòng);當(dāng)穿越不同土層時(shí)沉樁阻力會(huì)發(fā)生突變。因此對(duì)于黏性土中沉樁阻力的計(jì)算必須考慮土體的靈敏度(樁側(cè)摩阻力與靈敏度成反比,靈敏度越高,樁側(cè)摩阻力越小)。
在砂性土中沉樁時(shí),由于砂層的滲透系數(shù)較大,沉樁產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散,故在同一性質(zhì)的砂層中,樁側(cè)摩阻力隨樁入土深度的增大而顯著增大,即使在同一土層中,樁端阻力變化不大的情況下,沉樁阻力也會(huì)出現(xiàn)明顯的增長。
關(guān)于樁側(cè)摩阻力的取值,張明義等[2]認(rèn)為壓樁過程中樁周土與樁體的摩擦表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦,但在壓樁過程中,土體擾動(dòng)使得樁周土壓力衰減,因此根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定的樁側(cè)摩阻力值和根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料確定的樁側(cè)摩阻力值有較大差異,采用室內(nèi)直接試驗(yàn)的方法將會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的估算偏大。
圖1右側(cè)為該項(xiàng)目27號(hào)樁的壓樁深度—壓樁力關(guān)系曲線,左側(cè)為該樁位對(duì)應(yīng)的地層柱狀圖,表1為從地質(zhì)剖面圖上截取的該樁位對(duì)應(yīng)的地層情況。由圖中可以看出,當(dāng)樁尖位于人工填土層①3和①2中時(shí),其沉樁阻力隨深度增加而增大,從144 kN近似線性地增加到300 kN。樁尖進(jìn)入粉質(zhì)黏土層②后,壓樁力迅速下降,在175~225 kN之間波動(dòng)。在樁尖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層④后壓樁力迅速增長,在0.6 m的深度范圍內(nèi)從225 kN增長到458 kN。可見,壓樁力并不一定是隨深度增加而增大。在松散的填土層中,沉樁阻力隨深度增加而增大,是樁端阻力和樁側(cè)摩阻力共同增加的結(jié)果。在進(jìn)入黏土層后,由于粉質(zhì)黏土遇水軟化,樁端阻力明顯減小,同時(shí)黏性土受到擾動(dòng)造成樁側(cè)摩阻力變小,壓樁力下降明顯。而在進(jìn)入持力層后,樁端阻力迅速增長,直至壓樁力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 27號(hào)樁壓樁力—壓樁深度關(guān)系曲線及地層柱狀圖
表1 地層情況
根據(jù)靜壓樁在黏性土和砂性土中壓樁曲線的不同特點(diǎn),在某些項(xiàng)目施工時(shí)可以分別制定合適的施工方案。如地下托換工程施工時(shí),對(duì)于黏性土應(yīng)逐根壓樁,把所有樁沉至相應(yīng)深度,待超孔隙水壓力消散和樁承載力提高后開挖托換承臺(tái)下的土方再進(jìn)行荷載轉(zhuǎn)換。對(duì)于砂性土,可以邊開挖土方邊壓樁,因?yàn)榭紫端谏靶酝林邢⒈容^快,而且樁側(cè)阻力在沉樁阻力中所占比例較大,通過控制沉樁和開挖土方的速度,可以很好地控制壓樁力和建筑物的沉降,保證建筑物的安全。
沉樁完成后隨著時(shí)間的推移,樁周土體中超孔隙水壓力逐漸消散,土體發(fā)生固結(jié),土的抗剪強(qiáng)度及側(cè)摩擦力逐步恢復(fù)?;謴?fù)后的土體抗剪強(qiáng)度才使靜壓樁獲得極限承載力,所以靜壓樁的終壓力與極限承載力是兩個(gè)不同的概念,兩者的量值也不盡相同。在實(shí)際工程應(yīng)用中,壓樁系數(shù)Q/Rk值(靜壓樁終壓力Q與預(yù)估單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk之比)取值范圍0.98~3.80,呈現(xiàn)了較大的離散性。如何確定壓樁系數(shù)具有很重要的工程意義,一方面它關(guān)系靜壓樁的成樁質(zhì)量,另一方面它對(duì)工程造價(jià)有著重大的影響,制定安全合理的終壓力標(biāo)準(zhǔn)可以指導(dǎo)選用經(jīng)濟(jì)適用的施工機(jī)械。
從大量工程實(shí)踐看,在一些樁周土為黏土、粉質(zhì)黏土等固結(jié)系數(shù)較高的地區(qū),當(dāng)壓樁完成黏性土抗剪強(qiáng)度恢復(fù),靜壓樁最終獲得的單樁極限承載力可能比壓樁時(shí)的終壓力值高出2倍甚至更高,其增長幅度與土的性質(zhì)、樁長、樁間距、固結(jié)時(shí)間等有關(guān)。袁星武[3]通過對(duì)軟土地區(qū)多個(gè)實(shí)際樁基工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后認(rèn)為:當(dāng)樁長≥20 m時(shí),壓樁系數(shù)取值1.3~1.8較為適宜;當(dāng)樁長<20 m時(shí),壓樁系數(shù)取值應(yīng)略高,在1.7~2.0;當(dāng)壓樁系數(shù)>2.0時(shí),應(yīng)驗(yàn)算樁身抗壓強(qiáng)度。而在砂層中沉樁時(shí),由于砂層的滲透系數(shù)較大,沉樁產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散,樁側(cè)摩阻力在沉樁阻力中所占比例較大。當(dāng)以砂層為持力層時(shí),在終壓力作用下,砂顆粒之間的咬合和摩擦作用提供的反作用力使樁處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。卸載后一定時(shí)期內(nèi),砂粒之間會(huì)產(chǎn)生部分滑動(dòng),顆粒重新排列,樁端阻力和樁側(cè)摩阻力會(huì)有所降低,樁的極限承載力要低于壓樁的終壓力。
在實(shí)際的工程應(yīng)用中,多通過試壓法來確定壓樁系數(shù)[4-6]。通過試樁可以摸清持力層的特性及樁尖進(jìn)入持力層所需的最佳壓樁力,進(jìn)而選定經(jīng)濟(jì)合理的壓樁系數(shù)。試樁要選擇離勘探鉆孔位置最近的樁位(至少2根),先計(jì)算出預(yù)估壓樁力并考慮一定余地選擇相應(yīng)的壓樁設(shè)備,并做好壓樁記錄。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)方案給出的終壓標(biāo)準(zhǔn)為:“壓樁深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度或小于設(shè)計(jì)深度1 m范圍內(nèi),且終止壓力值達(dá)到300 kN,封樁頭后可達(dá)到設(shè)計(jì)承載力200 kN”。本工程選取217,187號(hào)樁進(jìn)行試樁,試壓結(jié)果表明300 kN的壓樁力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的樁深。試樁后最終選取2.0的壓樁系數(shù),確定的終壓控制標(biāo)準(zhǔn)為:“壓樁深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度或小于設(shè)計(jì)深度1 m范圍內(nèi),且終止壓力值達(dá)到400 kN,封樁頭后可達(dá)到設(shè)計(jì)承載力200 kN”。項(xiàng)目施工過程中委托第三方在每棟樓隨機(jī)選取了3根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果證明各個(gè)樁的單樁豎向抗壓極限承載力均不小于400 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。
通過該項(xiàng)目的施工,總結(jié)出以下幾個(gè)施工技術(shù)要點(diǎn):
1)壓樁順序:如樁長、截面大小不一致時(shí),應(yīng)按照先深后淺,先大截面后小截面方式安排壓樁。錨桿靜壓樁是擠土型樁,易對(duì)周邊樁造成擠壓位移,同時(shí)為避免樁周土體塑性重合,應(yīng)調(diào)整鄰樁壓樁次序間隔施工。不宜數(shù)臺(tái)壓樁機(jī)同時(shí)在一個(gè)獨(dú)立區(qū)域內(nèi)施工。施工期間,壓樁力總和不得超過該基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的自重,以防止基礎(chǔ)上抬造成結(jié)構(gòu)破壞。
2)壓樁施工不得中途停頓,應(yīng)一次到位,如必須中途停頓時(shí),樁尖應(yīng)停留在承載力較低土層中,且停歇時(shí)間不宜超過24 h,以免土體固結(jié)超靜水壓力消散引起摩阻力劇增。
3)正式圧樁前要進(jìn)行試樁,以觀察樁對(duì)土體的擠壓情況、對(duì)周圍的影響程度及壓樁的偏差程度,以便在正常壓樁時(shí)參考。壓樁前應(yīng)對(duì)螺栓的抗拔力進(jìn)行檢驗(yàn),確保螺栓可以提供足夠的壓樁反力。壓樁使用的千斤頂要進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)檢定結(jié)果核準(zhǔn)終壓控制指標(biāo)。
4)圧樁時(shí)要確保壓樁架垂直,樁段的垂直度偏差不得超過1%樁段長,第一節(jié)樁壓樁前及接樁后應(yīng)使用水平靠尺檢測(cè)樁身。接樁后待焊縫冷卻后方可繼續(xù)壓樁。為保證樁身豎直,送樁時(shí),千斤頂與樁段軸線保持在同一垂直線上,千斤頂施加的壓力中心與樁截面中心重合,不得偏壓。
5)封樁要待沉降基本穩(wěn)定后一次封樁,這有利于各樁受力均勻。
6)錨桿靜壓樁在工程應(yīng)用中也存在一些不足之處,靜壓樁樁徑較小,深度有一定限制,并不適合所有土質(zhì),對(duì)于較厚的中密以上砂夾層或較多孤石、障礙物的地層要慎重使用。本工程施工時(shí),遇到入土深度較淺壓力卻急劇增加的情況,這種情況下如果加大壓樁力仍無法深入,再報(bào)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)方做樁位變更,如樁位無法變更,只能采取引孔等方式。
錨桿靜壓樁施工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境擾動(dòng)較小,不會(huì)造成較大污染,很適合于古跡遺址以及房屋改造加固等項(xiàng)目。本項(xiàng)目選用靜壓樁進(jìn)行房屋加固,取得了很好的效果,也獲取了一些關(guān)于靜壓樁關(guān)鍵工藝參數(shù)及施工技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。
1)靜壓樁的沉樁阻力主要由樁端阻力和樁側(cè)摩阻力組成。由于靈敏度的影響,在黏性土層中沉樁樁側(cè)摩阻力所占比例很小,在同一土層中其沉樁阻力基本保持不變。而在砂性土層中,由于孔隙水壓力很快消散,其樁側(cè)摩阻力不能忽略,同一土層中沉樁阻力隨深度增加而增大。
2)靜壓樁的終壓力與其極限承載力是兩個(gè)不同的概念,量值也不盡相同。由于樁周重塑區(qū)的強(qiáng)度會(huì)隨超孔隙水壓力的消散而恢復(fù),黏性土層中靜壓樁的極限承載力會(huì)得到提高,最終高于其終壓力。而砂性土層中由于砂土顆粒在荷載作用下重新排列,其極限承載力會(huì)低于其終壓力。故在正式施工前,應(yīng)參考土層性質(zhì),采用試樁法制定合適的終壓標(biāo)準(zhǔn)。
3)靜壓樁施工時(shí),壓樁順序應(yīng)考慮到靜壓樁的擠土效應(yīng),先長后短,先大后小。壓樁應(yīng)連續(xù)作業(yè),在沉樁過程中注意保持樁架、千斤頂以及樁身的垂直,不得偏壓。封樁應(yīng)待沉降穩(wěn)定后一次進(jìn)行,以利于各樁均勻受力。
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