祁亮,趙成江,張世徑

(1.蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，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，在新擴展的場地上廣泛分布著大于20m的IV級(很嚴重)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)濟開發(fā)區(qū)是20世紀90年代末開發(fā)的，受制于當時的認識水平和經(jīng)濟發(fā)展水平，填方造地更多的是無序填土，而設(shè)計考慮到大厚度濕陷性黃土回填場地處理后(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)濟性欠佳[3]。而回填后的場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，場地內(nèi)樁基同時受土體固結(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。當土層下沉量大于樁身下沉量時，會對柱產(chǎn)生向下的摩阻力即負摩阻力。負摩阻力產(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，嚴重時則建筑物喪失使用功能，甚至倒塌破壞。

目前，均質(zhì)土層中針對樁負摩阻力問題的理論研究較多[5]，但實際工程中土層條件錯綜復(fù)雜，尤其對于深厚的填土地基，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、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長微型鋼管樁這種類型的樁基現(xiàn)場試驗，研究了采取水泥漿預(yù)浸施工工藝時，微型鋼管樁在深厚填土區(qū)的承載力、負摩阻力等變化情況，并通過實際應(yīng)用于一棟樓的加固監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗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。

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)為機械成孔混凝土灌注樁，原設(shè)計樁徑分別為φ800 mm和φ1 000 mm，樁底設(shè)擴大頭，樁設(shè)計承載力分別為1 971 kN和2 462 kN。整個建筑物修建在深達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地上。設(shè)計樁端持力層為中風(fēng)化砂巖。

經(jīng)相關(guān)單位安全性檢測鑒定，檢測結(jié)果為兩棟住宅樓部分樁基承載力不滿足設(shè)計要求，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 試驗場地土層分布與特征

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13.76 ‰。

圖1 樓體傾斜示意圖及各監(jiān)測點平面布置圖

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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 浸水對樁基承載力及負摩阻力影響的機理

濕陷性黃土填方場地地基沉降產(chǎn)生的原因主要來自3個方面：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)生的負摩阻力長期作用于樁身側(cè)表面，填方場地厚度差異較大時，產(chǎn)生的固結(jié)沉降差將對上部建筑物產(chǎn)生較大的影響，其對建筑物的破壞是長期的。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)計時未能充分考慮負摩阻力，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。

在濕陷性黃土場地上，不允許采用摩擦型樁，設(shè)計樁基礎(chǔ)除樁身強度必須滿足要求外，還應(yīng)根據(jù)場地工程地質(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，應(yīng)首先考慮樁基承載力補強方案，并綜合考慮特定狹小的施工場地的影響。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行補強加固。

微型鋼管樁采用機械成孔，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，采取跟管泥漿護壁成孔鉆進的工藝，為防止塌孔，設(shè)計采用一次性鉆頭，鉆頭帶動的鋼套管即為永久樁體鋼管，一次成孔，樁長以進入中分化2 m作為控制標準，成孔完成后，采用壓力注漿工藝用M50水泥凈漿置換成孔時用的低強度水泥漿，待水泥漿強度達到設(shè)計強度的75%時，鋼管樁頂部設(shè)承臺，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，同時考慮后期浸水濕陷會對新增設(shè)的樁基也會產(chǎn)生負摩阻力，我們將土層中常采用的泥漿護壁工藝，改為水泥漿護壁成孔的工藝，對樁周土體提前進行預(yù)浸水處理，提前消除土體濕陷性對樁基的下拽力。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散時，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，也對原混凝土樁周松散土體起到了注漿加固的效果。

現(xiàn)場開展了此種類型實樁的工藝試驗和承載力、負摩阻力測試工作，通過深入分析研究量測數(shù)據(jù)，對掌握黃土填方場地微型鋼管樁樁基承載性狀具有重要的實際意義，也為驗證設(shè)計的合理性，為設(shè)計提供技術(shù)支撐依據(jù)。

3.2 微型注漿鋼管樁現(xiàn)場試驗

3.2.1 注漿鋼管樁現(xiàn)場試驗方案

本次試驗，設(shè)計4根33 m的試驗樁進行同等復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基試驗，為測得整個試驗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，并沿鋼筋豎向全長每隔 4 m布置一個混凝土應(yīng)變計，單樁計9個混凝土計。詳見圖2所示。并采用規(guī)范要求的慢速維持荷載法對試驗樁進了分級加載試驗。

圖2 混凝土計布置圖

3.2.2 單樁荷載-沉降(Q-S)特性

由現(xiàn)場試驗測得各級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Q-S曲線

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對于緩變型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，對比樁3與樁1、樁2的Q-S曲線可以看出各試驗樁之間的極限承載力相差較大，分析認為這是由于相鄰試驗樁較接近，隨著前期預(yù)浸水程度增加及對后施工樁的樁周土體造成擾動，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?？紤]到成樁周土體隨著時間的推移能夠逐漸固結(jié)穩(wěn)定，其承載力會逐漸恢復(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3根試驗樁樁頂沉降量為40 mm時對應(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，在各級荷載作用下，軸力自上而下傳遞，且樁端軸力很小，當樁頂荷載達到3 000 kN時，3根樁在33 m處通過微應(yīng)變測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)兩個負摩阻力段，出現(xiàn)深度均在5～9 m和17～21 m范圍內(nèi)，樁 1 上段負摩阻力平均值為-32 kPa，下段負摩阻力平均值為-16 kPa，樁2上段負摩阻力平均值為-45 kPa，下段負摩阻力平均值為-30 kPa，樁 3上段負摩阻力平均值為-60 kPa，下段負摩阻力平均值為-39 kPa。經(jīng)分析樁所處地層差異及施工現(xiàn)場情況，分析認為這與水泥漿循環(huán)過程中漏漿、跑漿情況密切相關(guān)。試驗所在場地7 m、21 m范圍內(nèi)時，水泥漿出現(xiàn)泥漿無法循環(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浸漿相間分布的狀態(tài)，而強浸漿段樁周土體會在樁頂受荷、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，進而導(dǎo)致負摩阻力分段不連續(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262 kPa，遠遠超過了規(guī)范給出的側(cè)摩阻力值。分析認為，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，減小了鉆孔施工對周圍土體帶來的擾動。同時，漿液凝結(jié)對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)驗值有明顯的提高。說明預(yù)浸水泥漿的工藝對復(fù)雜的含有孔隙的地層同時具有注漿加固的作用，不僅改良了土層，同時有助于樁基承載力的提高。

4 加固方案設(shè)計及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 原樁承載力的計算

根據(jù)PKPM對原建筑結(jié)構(gòu)建模分析，上部結(jié)構(gòu)恒載標準值為143 390.6 kN，荷載標準值為18 346.5 kN，上部結(jié)構(gòu)總荷載設(shè)計值為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)計算公式:

式中，Nik為荷載效應(yīng)標準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)標準組合下樁基礎(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)上土重標準值(kN)；Mxk、Myk為荷載效應(yīng)標準組合下，作用于承臺底面，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(標準值)N=3 110.3 kN。則其樁體承載力特征值為1 555 kN。而原設(shè)計單位φ800 mm的樁設(shè)計承載力為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算

由于施工質(zhì)量缺陷，部分樁基無擴大頭、成樁深度未達到設(shè)計要求，在計算原樁基承載力時，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)計要求，因此需要補樁加固。

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械的幾何尺寸，同時考慮部分原有樁基仍發(fā)揮作用，根據(jù)經(jīng)驗，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)場實際共布置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建筑物進行糾傾處理后，可見各監(jiān)測點沉降量時程變化曲線圖如圖7、圖8所示。

圖7 各監(jiān)測點沉降量時程變化曲線

圖8 樓體傾斜率時程變化曲線

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月份后開始對樁周土體進行應(yīng)力解除等輔助糾偏措施后，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，樓體北側(cè)出現(xiàn)下沉趨勢，沉降曲線平緩，下沉速率慢，達到止傾的目的。因此，開始第2階段截樁迫降法糾偏，截樁法糾傾時樓體沉降量大，沉降速率快，可達到快速糾偏的目的。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，沉降量基本達到預(yù)期目標。整個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)計時，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)計時未能充分考慮負摩阻力，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的特點，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)驗值有明顯的提高。說明預(yù)浸水泥漿的工藝對復(fù)雜的含有孔隙的地層同時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，也對樁周欠密實或不均勻土層進行了加固改良，有助于原樁基承載力的提高。同時采用預(yù)浸工藝，消除了不良填料(黃土)的濕陷導(dǎo)致的樁基長期承載力衰減的隱患。通過加固樓體的長期監(jiān)測數(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)場試驗可知：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到1 250 kN。是中低樓層托換加固可選擇的較好樁型之一。