周 敏

ZHOU Min

(浙江省城鄉(xiāng)綜合設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州310005)

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有造價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)，近年來(lái)在多高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。但是，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土管樁在自身平面內(nèi)抗彎剛度較小，在基坑開挖階段，當(dāng)遇到較大的土體側(cè)向壓力時(shí)，管樁很容易發(fā)生較大的水平側(cè)移，造成樁身破壞。此時(shí)若分析處理不當(dāng)，盲目繼續(xù)施工，往往容易留下安全隱患甚至釀成工程事故。

1 工程概況

舟山市永躍大廈位于浙江省舟山市普陀?xùn)|港新區(qū)29 -18#地塊，距離朱家尖大橋往北約800 m 處。由一棟19 層主樓和3 層裙房組成，設(shè)1 層地下室。地下室層高5.0 m，主要用作汽車庫(kù)及設(shè)備用房;地上首層層高為5.0 m，主樓主要功能為大堂庭院，裙房主要功能為商業(yè)網(wǎng)點(diǎn);2 層層高為5.0 m，主樓主要功能為辦公，裙房主要功能為餐廳和后勤用房;3 層層高為4.8 m，主樓主要功能為辦公，裙房主要功能為會(huì)議和附屬用房;主樓4～19 層層高均為3.9 m，主要功能為辦公。主樓與裙房之間不設(shè)抗震縫。

工程總建筑面積25383 m2(其中地下部分建筑面積約為4324 m2)，主樓結(jié)構(gòu)高度為77.600 m。采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為Ⅳ類。框架及剪力墻抗震等級(jí)均為二級(jí)，填充墻采用蒸壓加氣混凝土砌塊。

1.1 土層分布

根據(jù)海軍東海建筑安裝工程中心勘測(cè)隊(duì)提供的《永躍大廈巖土工程勘察報(bào)告》(工程編號(hào)2009—04—010)，地基自上而下分布情況見表1。

各地基土層基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 各巖土層地基承載力及樁基參數(shù)建議值

1.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)勘探深度(83.0 m)范圍內(nèi)地下水屬上層滯水，主要賦存于素填土底部和淤泥質(zhì)黏性土層上部。受大氣降水豎向入滲補(bǔ)給及地表水體下滲補(bǔ)給為主，徑流緩慢。勘察期間，鉆孔穩(wěn)定水位埋深0.1～2.6 m。水位變化主要受大氣降水影響，接受大氣降水垂直滲入補(bǔ)給。根據(jù)舟山區(qū)域水文地質(zhì)資料，結(jié)合氣候和降水特點(diǎn)，明確地下室抗浮驗(yàn)算最高水位宜從地表算起。

綜合考慮施工工期和工程造價(jià)，樁型采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，錘擊法施工?；A(chǔ)采用柱下獨(dú)立承臺(tái)和墻下筏板承臺(tái)。

裙房區(qū)域管樁采用PC -AB600(100)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，樁徑600 mm，壁厚100 mm。樁長(zhǎng)48 m、4 節(jié)，單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=2000 kN，樁端進(jìn)入持力層(7 號(hào)粉質(zhì)黏土)深度≥2.5 m。施工時(shí)以樁長(zhǎng)控制為主，以貫入度(最后30擊，每10 擊貫入深度不大于80 mm)控制為輔。共141 根。

裙房區(qū)域底板另外增設(shè)209 根PC - AB600(100)抗拔樁，樁長(zhǎng)15 m。以樁長(zhǎng)控制為主，單樁豎向抗拔承載力特征值Ra=170 kN。共209 根。

主樓區(qū)域框架柱下管樁采用PHC - AB800(110)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，樁徑800 mm，壁厚110 mm。樁長(zhǎng)64 m、4 節(jié)，共60 根。

主樓區(qū)域核心筒下管樁采用PHC - AB800(110)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，樁徑800 mm，壁厚110 mm。樁長(zhǎng)72 m、5 節(jié)，共48 根。

主樓區(qū)域所有單樁豎向抗壓承載力特征值Ra均取4350 kN;樁端進(jìn)入持力層(9 號(hào)粉質(zhì)黏土)深度≥2.5 m。施工時(shí)以樁長(zhǎng)控制為主，以貫入度(最后30 擊，每10 擊貫入深度不大于50 mm)控制為輔。

設(shè)計(jì)要求建筑物最大沉降量不超過(guò)180 mm;主樓核心筒與外圍框架柱之間、主樓框架柱與裙房框架柱之間、裙房框架柱之間沉降差均不超過(guò)0.3%。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員采取以下措施:(1)主樓核心筒下樁基進(jìn)行變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)(核心筒部位的有效樁長(zhǎng)比外圍框架柱下的有效樁長(zhǎng)加長(zhǎng)8 m);(2)主樓與裙房之間設(shè)置沉降后澆帶，該沉降后澆帶宜在兩側(cè)主體結(jié)頂后至少14 d 方可進(jìn)行澆灌。采取上述措施后，建筑物的沉降量和沉降差計(jì)算均能滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2 問(wèn)題出現(xiàn)

2010年2 月開始施工本工程圍護(hù)樁，圍護(hù)樁由兩排Φ800 水泥攪拌樁止水帷幕和一排Φ1000鉆孔灌注樁組成。2010年5月圍護(hù)樁施工完畢。

2010年1月13 日開始打工程樁試樁，試樁情況良好。在整個(gè)工程樁施工過(guò)程中，除裙房北側(cè)有極少數(shù)工程樁欠送3～4 m 外，其余基樁施工都比較順利。2010年6月采用堆載法進(jìn)行樁基靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果完全符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2010年7 月開始進(jìn)行全面基坑開挖。但由于在基坑開挖過(guò)程中，施工單位未能做到均勻、分層開挖;也沒有嚴(yán)格控制相鄰基坑一次性開挖高差小于1.0 m;更沒有做到隨挖隨撐、實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此自2010年7月20日起，就陸續(xù)有開挖后的較大樁偏位報(bào)告匯報(bào)給建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位。考慮到發(fā)生偏位的樁數(shù)量較多，數(shù)值較大，筆者和相關(guān)設(shè)計(jì)人員于2010年8月初到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)了一些比較明顯的問(wèn)題:一是開挖班組各自為政，開挖深度、范圍和層次非常不均勻，造成相鄰基坑開挖高差往往達(dá)到甚至超過(guò)1.8 m;二是裙房外圍的圍護(hù)樁有些變形比較嚴(yán)重，圍護(hù)樁樁后土體明顯滑落至基坑;三是圍護(hù)設(shè)計(jì)未能有效地控制坑中坑開挖時(shí)土體的側(cè)向位移。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者要求施工單位立即調(diào)整施工方案，并確保做到以下幾點(diǎn):一是嚴(yán)格控制相鄰基坑開挖高差不得超過(guò)0.8 m;二是對(duì)已經(jīng)失效的圍護(hù)樁盡快清除，改為自然放坡;三是要求施工單位在開挖主樓核心筒下的坑中坑承臺(tái)之前，補(bǔ)打部分圍護(hù)樁并增加三條混凝土水平支撐梁;四是要求在基樁全部開挖完成后，必須暫停施工，等到對(duì)所有基樁進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估和制定加固措施以后，才能正式進(jìn)入下道施工工序。

3 原因分析

2010年8月31 日五方主體單位在現(xiàn)場(chǎng)召開了樁基偏位處理協(xié)調(diào)會(huì)。在認(rèn)真聽取各方的主要意見之后，筆者又仔細(xì)查閱了施工現(xiàn)場(chǎng)記錄，虛心詢問(wèn)了工程樁具體施工人員，做到心中基本有數(shù)。然后會(huì)同建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位主要負(fù)責(zé)人員下到基坑底，對(duì)照施工記錄中偏位數(shù)值較大的樁，現(xiàn)場(chǎng)重新復(fù)核。經(jīng)過(guò)幾天的分析、思考，筆者提出了自己的觀點(diǎn):一是所有開挖后的樁都應(yīng)該補(bǔ)做低應(yīng)變檢測(cè)，明確最終樁身質(zhì)量;二是結(jié)合樁偏位數(shù)值，對(duì)于偏位在驗(yàn)收規(guī)范允許范圍內(nèi)的Ⅰ、Ⅱ類樁，明確可以繼續(xù)使用;對(duì)于Ⅲ、Ⅳ類樁及偏位超出驗(yàn)收規(guī)范允許范圍的Ⅰ、Ⅱ類樁，均應(yīng)進(jìn)行加固或補(bǔ)鉆孔灌注樁處理;三是對(duì)于有些偏位特別大的樁，無(wú)論檢測(cè)結(jié)果是哪類樁，都應(yīng)該廢棄不用，重新補(bǔ)鉆孔灌注樁。

對(duì)于第一條處理建議，大家都沒有異議。

對(duì)于第二條如何界定驗(yàn)收規(guī)范允許的偏位數(shù)值范圍，各方有不同理解。施工單位認(rèn)為，有效樁長(zhǎng)為48～64 m，參照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50202—2002)》第5.1.4 條，關(guān)于灌注樁垂直度允許偏差為1%計(jì)算［1］，則管樁的垂直度允許偏差值為480～640 mm;如果再加上樁本身施工允許的水平偏差(D/2 =300～400 mm)，那么最終樁的允許偏差可達(dá)到780～1040 mm。施工單位認(rèn)為偏位小于上述數(shù)值的樁，只需簡(jiǎn)單處理即可，不需要采取加固措施。筆者認(rèn)為上述意見明顯欠妥，一是實(shí)際樁的偏位均倒向開挖的基坑中心，有明顯的規(guī)律性，而并沒有呈現(xiàn)隨機(jī)分布。二是如果按照施工單位的說(shuō)法，管樁在施工時(shí)全長(zhǎng)傾斜，那么當(dāng)下一節(jié)管樁進(jìn)入土層后，在施工上一節(jié)管樁時(shí)，D60 柴油錘施加在上一節(jié)管樁樁頂?shù)牧Γ瑢?duì)上一節(jié)管樁樁底及上、下節(jié)管樁之間的連接焊縫產(chǎn)生較大的附加彎矩。簡(jiǎn)圖示意見圖1。

圖1 簡(jiǎn)圖示意

查閱浙江省標(biāo)準(zhǔn)圖集《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(2010 浙G22)》可得［2］，柴油錘的沖擊力為5000～7000 kN，Mk附加=5000 kN×(15 m×1%)=750 kN·m。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)管樁的抗裂彎矩 Mk=471 kN·m，且基本接近管樁的極限彎矩Muk=771 kN·m。那么在施工過(guò)程中，每一節(jié)管樁都已經(jīng)開裂甚至接近破壞，根本不能正常使用。但隨后的低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果并沒有反映出這一現(xiàn)象。因此筆者認(rèn)為樁施工過(guò)程中，樁全長(zhǎng)范圍存在上述偏位基本上是不可能發(fā)生的。造成上述偏位結(jié)果的原因是在基坑開挖過(guò)程中，一次性單側(cè)開挖深度過(guò)大，基坑圍護(hù)(尤其是坑中坑圍護(hù)設(shè)計(jì))不到位，從而造成處于軟土范圍內(nèi)的上部?jī)晒?jié)管樁向基坑中心傾斜。而第三節(jié)管樁以下均位于相對(duì)較好的土層中，土體流動(dòng)性明顯減弱，受基坑開挖的影響也大大減少，可以初步判斷第三節(jié)管樁及以下樁的偏位可以忽略不計(jì)。由浙江宏宇工程勘察設(shè)計(jì)有限公司提供的低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果也表明，絕大多數(shù)Φ600 的Ⅱ、Ⅲ類工程樁，缺陷部位均出現(xiàn)在樁頂以下11～13 m;絕大多數(shù)Φ800 的Ⅱ、Ⅲ類工程樁，缺陷部位均出現(xiàn)在樁頂以下14～16 m;也就是第一節(jié)與第二節(jié)管樁焊接連接部位附近。

4 糾偏處理

施工單位提出以下方案:第一步是用千斤頂對(duì)偏位管樁實(shí)施頂推工藝，盡量使其復(fù)位;第二步是對(duì)所有的Ⅲ、Ⅳ類工程樁，均采用內(nèi)部灌芯處理，灌芯長(zhǎng)度為穿越第一節(jié)與第二節(jié)管樁焊接連接部位以下2 m，即可正常使用。上述加固步驟理論上應(yīng)該可行，而且實(shí)際工程中也有類似處理案例［3］。但筆者認(rèn)為針對(duì)本工程，該方案實(shí)施起來(lái)操作性不強(qiáng)。因?yàn)樽钌厦嬉还?jié)管樁在頂推復(fù)位過(guò)程中，要克服樁側(cè)被動(dòng)土壓力，這個(gè)數(shù)值是很大的。

簡(jiǎn)單計(jì)算Φ600 的工程樁(第一節(jié)樁長(zhǎng)12 m):

乘以管樁折算直徑，該荷載約為897 × (0.8 ×0.60)= 430.56 kN。

簡(jiǎn)單計(jì)算Φ800 的工程樁(第一節(jié)樁長(zhǎng)15 m):

乘以管樁折算直徑，該荷載約為1402.21 ×(0.8 ×0.80)= 897.41 kN。

這么大的推力，一般的千斤頂根本無(wú)法提供。而如果采用樁側(cè)取土工藝，勢(shì)必會(huì)引起樁的二次偏位，后果可能更不堪設(shè)想;因此頂推復(fù)位工藝不可行。對(duì)于灌芯方案，各方基本認(rèn)可。但具體到對(duì)哪些樁進(jìn)行灌芯、灌芯長(zhǎng)度、灌芯后的樁承載力取值等關(guān)鍵問(wèn)題，各方眾說(shuō)紛紜。為了從理論上解決上述疑惑，讓工程得以順利實(shí)施，筆者就樁偏位后的受力情況作了一些假定:(1)假定發(fā)生偏位的部分僅為最上部?jī)晒?jié)管樁;(2)假定最上部?jī)晒?jié)管樁樁側(cè)土層基本均勻;(3)假定地下水穩(wěn)定水位恰好位于管樁樁頂;(4)不考慮樁周土及樁側(cè)土先于樁身破壞;(5)以管樁受壓一側(cè)最外邊緣混凝土應(yīng)力是否達(dá)到或接近fck來(lái)判斷，該管樁是否到達(dá)極限受力狀態(tài);(6)不考慮同一承臺(tái)下，不同的單樁反力引起的承臺(tái)翹曲、傾斜變形。簡(jiǎn)化后的管樁受力力學(xué)模型見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化后的管樁受力力學(xué)模型

管樁樁身傾斜后，在豎向荷載作用下，樁頂將產(chǎn)生的附加水平力。該水平力由樁偏位對(duì)應(yīng)側(cè)的土體靜止土壓力來(lái)平衡;同時(shí)該水平力使樁身在一定深度范圍內(nèi)將產(chǎn)生附加水平剪力和附加彎矩。

選取主樓區(qū)域最典型的框架柱下四樁承臺(tái)為例進(jìn)行計(jì)算，假定承臺(tái)最大豎向荷載為4 根基樁豎向承載力特征值之和，不考慮柱底水平剪力和彎矩。當(dāng)4 根基樁同向水平位移均為300 mm 時(shí)，群樁的形心與上部荷載重心不再重合，各基樁反力不再相等。簡(jiǎn)單示意見圖3。

圖3 樁位不偏移和偏移受力簡(jiǎn)圖

主動(dòng)土壓力系數(shù)ka= tg2(45° - 12.6°/2)=0.642;

被動(dòng)土壓力系數(shù)kp= tg2(45° + 12.6°/2)=1.558;

樁側(cè)靜止土壓力系數(shù)k0取兩者之間的一個(gè)數(shù)值，根據(jù)當(dāng)?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗(yàn)，可取k0= 0.80。

樁側(cè)有效發(fā)揮土體抗力的截面計(jì)算寬度參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 98—2008)》附錄C 的規(guī)定［4］，b0= 0.9 × (1.5 ×0.8 +0.5)= 1.53 m。

計(jì)算可得樁身某處(深度為x)的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值

即樁身彎矩標(biāo)準(zhǔn)值是深度x 的函數(shù)。f'［M(x)］=Rah-4.90 ×x2。則當(dāng)x = 3.28 m 時(shí)，Mx取得最大值=52.82 ×3.28 -1.63 ×3.283=115.73 kN·m。彎矩標(biāo)準(zhǔn)值作用下的σM= Mmax/W彈性模量=3.18 N/mm2;軸力標(biāo)準(zhǔn)值作用下的σN= Nmax/A凈面積= 22.15 N/mm2。計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 φ800 工程樁不同偏位樁身應(yīng)力匯總

裙房區(qū)域最典型的為框架柱下三樁承臺(tái)，參照上述做法，b0=1.26 m;Mx=Rah×x-1.34 ×x3;f'［M(x)］=Rah-4.00x2。計(jì)算結(jié)果匯總見表4。

表4 φ600 工程樁不同偏位樁身應(yīng)力匯總

明確了各種偏位工程樁的承載力折減幅度后，各方意見基本統(tǒng)一。結(jié)合低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果，分別采取在管樁內(nèi)灌芯、廢棄一部分工程樁、補(bǔ)打一部分Φ600 和Φ800 的鉆孔灌注樁、加大部分承臺(tái)尺寸和基礎(chǔ)梁配筋等措施進(jìn)行加固處理。加固樁位平面布置圖見圖4。

工程樁的具體加固做法見表5。

具體的加固工作從2010年7月開始，持續(xù)到2010年12月結(jié)束。要求加固后的灌芯及補(bǔ)樁樁身完整性應(yīng)至少滿足《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(JGJ 106—2014)》［5］中規(guī)定的Ⅱ類樁要求;同時(shí)必須滿足《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50202—2002)》［1］等其他國(guó)家和地方相應(yīng)驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定。2011年10月28日該工程進(jìn)行中間結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，2012年11月24日該工程進(jìn)行竣工驗(yàn)收，沉降觀測(cè)共布設(shè)14 個(gè)點(diǎn)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定及施工進(jìn)度要求進(jìn)行沉降觀測(cè)，共觀測(cè)22 次。第一次觀測(cè)日期為2011年1月23日，最后一次觀測(cè)日期為2011年10月14日。最大沉降量為11 mm，最小沉降量為5 mm。說(shuō)明該建筑物整體沉降均勻，沉降速率基本平穩(wěn)，樁基的加固處理取得了預(yù)期的效果。

圖4 加固樁位平面布置圖

表5 工程樁加固措施匯總

5 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力管樁雖然具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是在基坑開挖過(guò)程中容易產(chǎn)生樁偏位、樁身斷裂等各種事故。所以在有較深地下室的高層建筑基礎(chǔ)中使用時(shí)要特別謹(jǐn)慎，盡量做到反復(fù)論證，綜合考慮。當(dāng)然，樁基設(shè)計(jì)的方案一旦確定，面對(duì)管樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的各種突發(fā)情況，更重要的是要冷靜分析，大膽假設(shè)，小心求證。做到既有一定的理論依據(jù)，又能較好地結(jié)合工程實(shí)際。

永躍大廈自竣工驗(yàn)收結(jié)束后，至今已經(jīng)過(guò)了將近一年半。期間筆者也回訪了數(shù)次，使用情況良好;內(nèi)部輕質(zhì)隔墻未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，室外地坪也未出現(xiàn)明顯的不均勻隆起或下沉。本文的理論推導(dǎo)對(duì)管樁基礎(chǔ)糾偏提供了一定的理論基礎(chǔ);而且將誤差控制在樁基礎(chǔ)加固工程的精度范圍內(nèi)，基本做到了造價(jià)經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)安全。

［1]上海市建設(shè)和管理委員會(huì).GB 50202—2002 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

［2]浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院.2010 浙G22 浙江省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖集 先張法混凝土預(yù)應(yīng)力管樁［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

［3]劉金波.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)禁忌與實(shí)例［M］. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［4]中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 106—2014 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.