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)

1 工程概況

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。

2 靜壓樁壓樁過程分析

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。

3 靜壓樁終壓力的確定

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。

4 靜壓樁施工技術(shù)要點(diǎn)

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。

5 小結(jié)

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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