某桩基工程设计施工中存在问题的分析与处理

2010-01-28岑文祥张耀庭王琳鸽

土木工程与管理学报 2010年4期

岑文祥，张耀庭，王琳鸽

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074； 2.河南城建学院，河南平顶山 467001)

基础是房屋建筑的重要组成部分，它是承受上部结构荷重，并将荷重传递到下卧土层的结构[1]。因此，基础(包括设计和施工)的好坏对建(构)筑物的安全性是至关重要的。桩基工程属于地下隐蔽工程，由于受施工工艺和地质、水文地质条件的影响较大[2]，在桩基施工过程中，往往会出现各种问题，如地下水、软弱地基、桩承载力不够等，需要进行分析与处理，考虑桩身侧摩阻力，桩土分担作用等因素影响。现阶段常规的基础工程设计通常将基础与地基两者作为彼此离散的独立结构单元进行力学分析与设计，忽略了两者之间的相互作用。本文针对武汉某桩基工程在施工过程中出现的问题，采用木桩加固地基土，考虑桩土协同工作，并以锚杆静压桩补偿形成多元复合地基基础形式，取得了良好效果。

图1 新建副厂房与原主厂房位置示意图

1 工程概况

武汉市某泵站副厂房，属主厂房的改扩建工程，紧贴主厂房，主体结构为三层混凝土框架结构(含原地下室)，主体结构两侧为一层检修车间，不上人屋面。建筑物长48.5 m，宽9.9 m，室外地面至主屋面正脊线高度为11.700 m，±0.000为黄海高程23.60 m，如图1所示。

场地标高在23.57～23.62 m，相对高差为0.05 m，拟建场区上部覆盖层为第四系全新统(Q4)一般粘性土及第四系上更新统(Q3)粘性土组成。工程区未见明显的构造断裂，区域地壳稳定，场区地震基本烈度为6度，设计地震分组为第一组；建筑物场地类别为Ⅱ类，中软场地土，可不考虑地震砂土液化问题；地下水对混凝土无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。根据地质勘查报告，场地土层的分布及主要特征见表1、表2。

表1 各层土工程地质特征

表2 各层土物理力学性质指标统计

注：表中C、φ值为直接快剪试验指标。

图2 桩布置图

2 原桩基设计介绍

副厂房一侧紧挨主厂房，根据甲方的设计要求，副厂房在改扩建过程，只拆除地面以上部分，地面以下的地下室除部分预制顶板拆除外，其余部分不拆除。

由于副厂房场地下方为泵站流道，大型打桩机械进场可能会对出水流道产生扰动，甚至损坏管道。根据地勘报告，本工程基础按人工挖孔灌注墩(桩)设计，一柱一桩，桩端持力层为第(3)层粉质粘土层，其地基承载力为fak=360 kPa，桩端阻力为qa=600 kPa。三层主体副厂房柱下最大轴力标准值为815 kN，一层检修车间柱下最大轴力标准值为458 kN，确定用ZH1和ZH2两种桩型。ZH1为一层检修车间桩基，桩径900 mm，底部扩底桩径为1100 mm；ZH2为三层副厂房桩基，桩径900 mm，底部扩底桩径为1500 mm。桩顶标高为-3.100 m，桩端进入持力层的深度为1000 mm，桩长为6 m。如图2所示，斜线范围内为原副厂房，有一排桩落在原址内。

3 施工中的问题分析与处理

3.1 地下水问题

施工过程中，当挖孔桩下挖3 m后，发现大量地下水渗入，经抽水机24 h连续排水，渗水仍控制不住，继续下挖有坍孔的危险。经过现场勘验及分析：由于泵站下出水流道修建较久，管道连接部位可能存有裂缝，管道水由裂缝渗入是产生渗流水的主要原因。

鉴于这种情况，副厂房基础无法继续使用人工挖孔灌注桩，考虑到施工现场场地条件的限制，大型机械机具没有工作面，无法进行各类混凝土桩施工，同时考虑到经济适用性，提出采用木桩形式，形成桩土复合地基，即在现有挖孔桩桩孔底标高处打入木桩，桩底进入持力层。木桩采用松木桩，尾径大于200 mm，为了便于打桩，桩长定为3.5 m。

复合地基是由桩间土和桩共同承担荷载，其中桩的作用是主要的。结合工程实践经验，其松木桩单桩竖向承载力特征值可参照桩复合地基计算公式进行计算[3]

(1)

式中，Ra为单桩承载力特征值(kN)；up为桩的周长(m)；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi，qpa分别为第i层土的侧阻力，桩端端阻力特征值(kPa)；li为第i层土的厚度(m)；Ap为桩的横截面面积(m2)。

按桩身强度的单桩承载力特征值，考虑稳定验算[4]：

Ra≤φApfc

(2)

在桩长和桩径一定下，松木桩复合地基承载力主要取决于单位面积的桩数。根据设计要求的地基承载力值来确定单位面积松木桩的数量[5]，即：

(3)

式中，k为单位面积松木桩数(k=m/Ap，m为置换率)，根/m2；fspk为复合地基承载力特征值，计算时以设计要求值来代替，kPa；β为桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较大时取较大值；fsk为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验时，可取桩顶所在持力层地基承载力特征值(kPa)。

松木桩布桩通常采用三角形和正方形两种形式，其桩距可按以下公式计算[5]，即：

(4)

(5)

图3 布桩形式示意

本工程中松木桩在(2-3)层土中的长度为2 m，在(3)层土中的长度为1.5 m。复合地基承载力要求达到340 kPa，根据公式(1)单桩承载力特征值Ra为87 kN，且满足公式(2)稳定验算要求。由公式(3)得k=3.24根/m2，由公式(4)得L=0.6 m，故确定一个灌注桩桩孔内布置3根木桩，布桩形式如图3所示。

3.2 承载力不足问题

经过3.1节计算得到松木桩复合地基承载应力为340 kPa，灌注桩孔径1.5 m内木桩桩土承载力为600 kN，无法承担全部柱轴力，应考虑桩与地基土体通过变形协调共同承担荷载作用，余下220 kN荷载由承台下土体承担。

在荷载作用下桩与地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是形成复合桩基的基本条件，也是其本质所在。桩的承载能力极限状态就竖向受荷单桩而言其荷载-沉降曲线大体表现为陡降型(图4中A曲线)和缓变型(图4中B曲线)两类，Q-s曲线是破坏模式与特征的宏观反映。陡降型破坏特征点明显，一旦荷载超过其极限承载力，在荷载不变的情况下变形会急剧增大。陡降型破坏就类似于塑性铰，当荷载达到其极限时沉降随之急剧增大，无法再承担任何新的荷载增量，而此时，新的荷载增量由承台下的土体承担，即可阻止桩的下沉。由图中可见缓变型破坏特征点不明显，常常是通过多种分析方法判定其极限承载力。该极限承载力并非真正的最大承载力，因为继续增加荷载，沉降仍能趋于稳定，不过塑性区开展范围扩大，塑性沉降量增加。由此可见，桩在达到极限承载力的两种破坏模式下，桩基均可继续承受Qu或更大的荷载[6]。以上是桩土共同作用原理，对于本工程中，桩端持力层属于粉质粘土，桩端阻力值不高，桩侧摩阻力占主导，适用于考虑桩土共同作用。

图4 荷载—沉降曲线

待全部木桩打入后。甲方提出，副厂房紧挨的主厂房为上世纪七十年代修建，主泵房水泵位置设置较深，建造过程中放了很深的斜坡，木桩可能还达不到持力层，通过反复查找分析主厂房设计及施工资料，发现原地勘报告不是很准确，主厂房基础底板的位置距承台底面位置的距离为9 m，此时木桩桩顶距主厂房基础底板差1 m左右。

由于木桩已经全部打入，根据土层判断复合桩体承载力还不够，更重要的是担心厂房建成，设备全部到位后，上部荷载使木桩刺入土体，产生较大变形沉降。同时，由于汛期即将到来，工期较紧，没有时间进行补勘。在这种情况下，根据已挖出的土质分析，决定采用锚杆静压桩进行补强处理。

锚杆静压桩是锚杆和静力压桩两项技术巧妙结合而形成的一种桩基施工工艺，是一项地基加固处理技术。加固机理类同于打入桩及大型压入桩，受力直接且清晰。锚杆静压桩适用于粘性土、淤泥质土、杂填土、粉土和黄土等地基[7]。

本工程对承台布置形式进行了改变，在四个角预留出四个锚杆静压桩桩孔，如图5所示。锚杆静压方桩尺寸为250 mm×250 mm，有效桩长不小于5.5 m，单桩最小承载力特征值Ra=150 kN，最小压桩力不得小于1.33Ra。待人工挖孔灌注28 d养护后，对桩的承载力进行检测，承载力不足差额部分用锚杆静压桩进行补偿。同时在压桩过程中能直接从油压表测读每根桩能承受多大荷载,根据实际情况具体确定桩的承载力。