后注浆刚性桩复合地基的工程实践

2011-01-27连镇营彭芝平鲁克宇陈耀光

地震工程学报 2011年1期

连镇营，彭芝平，鲁克宇，陈耀光

（中国建筑科学研究院地基基础研究所,北京 100013）

0 引言

大连地区某高层建筑 6号楼主楼部分地上 31层，地下2层，框剪结构。原设计采用独立柱与桩基础，构造底板，局部采用筏型基础，基础桩为人工挖孔扩底灌注桩。裙房部分为地上2层，地下2层，框架结构，基础采用独立柱与桩基础，构造底板。基础桩施工过程中由于土层软弱以及地下水影响，人工挖孔桩不能扩底并出现塌孔情况，在设计桩位均已开孔情况下，工程处于停工状态。后采用大直径后注浆刚性桩复合地基替代原设计方案，利用后注浆技术提高人工挖孔桩的单桩承载力。本文介绍这一工程实践并讨论其应用结果。

1 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，场地地貌单元为丘前坡地，原为建筑场地。经人工整平，场地地层在勘察深度内自上而下依次为：

①层杂填土：杂色，稍湿，松散，由粘性土、块石和建筑垃圾构成，回填时间不足10年。该层在场地内都有分布，最大层厚7.80 m，层底标高9.46～17.43 m。

②层含圆砾粘土：红褐色，稍湿，可塑，含20%左右石英岩砾石，砾石直径1～10 cm。该层最大揭露厚度22.9 m，底板高程-7.49～15.83 m。圆锥动力触探试验击数标准值是5.4击；地基承载力特征值是200 kPa；压缩模量是15 MPa；极限侧阻标准值是30 kPa。

③层强风化泥灰岩：暗黄色，散体结构，岩芯为土状，给水易钻进，属极软岩。该层场地均有分布，层顶标高-7.49～17.87 m。圆锥动力触探试验击数标准值是9.3击；地基承载力特征值是360 kPa；压缩模量是27 MPa；极限侧阻标准值是100 kPa；极限端阻标准值是4 500 kPa。

场地施工的钻孔均揭露到基岩，未发现有活动断裂，天然状态下也不存在滑坡、泥石流、采空区、液化土层等不良地质现象。

勘察期间，场地范围内所有钻孔都见地下水。地下水埋深9～12 m，水位标高7.90～8.65 m，属基岩裂隙水，略有承压性。

2 地基处理方案的确定

2.1 原设计方案

6号楼主楼部分基础原设计采用桩基础，基础桩设计原则是将桩布置在结构主要受力构件如柱、剪力墙下，设计桩数为32根，如图1所示。基础桩选择单桩承载力很高的人工挖孔扩底灌注桩，甚至采用了桩截面很大的异型桩，单桩承载力设计值高达22 292 kN。

人工挖孔桩在施工过程中由于土层软弱以及地下水影响，挖孔桩不能扩底，个别挖孔桩甚至出现塌孔情况。在设计桩位均已开孔的情况下，该高层建筑主楼部分原桩基础设计方案无法继续进行，需要调整基础桩设计方案。

2.2 修订方案

考虑工程实际状况，针对6号楼主楼部分有以下三种方案可供选择：

（1）桩基础方案。采用冲击成孔灌注桩，在原桩位保持不变的情况下，由于桩端无法扩底，为了保证原单桩承载力，只能增加基础桩设计长度。但是原设计部分桩桩截面为异型桩，采用冲击成孔方法施工异型桩有很大难度。另外，原设计桩位均已开孔，需要考虑冲击成孔机械设备安全以及方便施工等存在诸多不利情况。

（2）小直径刚性桩复合地基方案如常规的桩径为400 mm的CFG桩复合地基对CFG桩施工采用长螺旋钻成孔。对于目前已挖开的桩孔做废弃处理，需采用砂石回填，但是其密实度很难保证，而且第③层强风化泥灰岩，螺旋钻进尺困难，设计的钻进深度恐难实现，设计要求的CFG桩复合地基承载力无法达到。

（3）大直径刚性桩复合地基[1]。刚性桩仍利用现有的人工挖孔桩，采用后注浆工法提高单桩承载力[2]，通过在桩顶设置较厚的褥垫层，保证桩土共同受力构成复合地基。

图1 基础桩平面布置图Fig.1 Arrangement of foundation piles.

经过对上述方案的比较选择，确定6号楼主楼部分地基处理采用第三种方案，即大直径后注浆刚性桩复合地基方案。

3 后注浆刚性桩复合地基设计

该高层建筑6号楼主楼部分设计要求的地基承载力特征值为480 kPa，基底土为②层含圆砾粘土，承载力特征值仅为200 kPa，采用天然地基方案不能满足设计要求，因此地基处理采用大直径后注浆刚性桩复合地基方案（以下简称为刚性桩复合地基）。

刚性桩复合地基设计参数：基础形式为筏板基础，地下室底板底标高为-11.8 m，底板厚度为 1.9 m，刚性桩设计利用原人工挖孔灌注桩，并进行后注浆处理提高单桩承载力，通过设计计算，需增加桩数21根，桩径均为1 600 mm，这样主楼部分设计桩总数为53根，见基础桩平面布置图1（新增加的桩编号以字母A开头）。

为了保证桩土共同受力，设计褥垫层厚度为500 mm，对于异型桩，桩头采用图2的处理方法。由于单桩承载力较高，桩身设置钢筋，如图3所示，以防止桩身混凝土压坏。

由于每根刚性桩设计参数，如桩径、桩长、桩入岩深度各不相同，因此设计的单桩承载力并不相同。经后注浆处理后，第②层含圆砾粘土，桩侧极限阻力标准值取值为60 kPa；第③层强风化泥灰岩，桩侧极限阻力标准值取值为200 kPa，桩端极限阻力标准值取值为6 000 kPa。各基础桩实际施工桩长和计算的单桩竖向承载力特征值见表1。

图2 异型桩桩头处理图Fig.2 Treatment of pile head for special shaped pile.

图3 桩身配筋示意图Fig.3 Reinforcement drawing of pile.

表1 单桩施工桩长和承载力特征值

刚性桩复合地基承载力特征值fspk根据下式计算：

式中A是基底面积；n是设计桩数；Ra是单桩竖向承载力特征值；β是桩间土承载力折减系数；Ap是桩的截面积；fsk是处理后桩间土承载力特征值。

根据基础平面布置图，基底面积A为1 284 m2；桩的总截面积Ap为 195 m2；各基础桩设计的单桩竖向承载力特征值见表 1；桩间土承载力折减系数β取 0.85；处理后桩间土承载力特征值 fsk为 200 kPa。将以上参数代入上式中，计算得到 fspk为495 kPa。满足上部结构设计要求的复合地基承载力特征值不小于480 kPa。

4 工程实施

工程前期人工挖孔扩底困难，工程处于停工状态。确定的地基处理方案重新开始后，由于工程停止时间较长，再加上雨季原因，人工挖孔桩继续下挖时发现护壁开裂、桩底土上涌且存在塌孔现象，给工程的进行造成很大的困难。根据现场情况发现，桩护壁后土体不密实且存在脱空的问题，由于地下水影响导致孔底虚土无法完全清除，人工挖孔桩单桩承载力发挥能力较低，采用后注浆工法处理能提高单桩的竖向承载力，并降低工程造价。

本工程后注浆桩的加固效应包含两方面，一是加固桩底虚土和密实桩侧土体; 二是对桩底和桩侧一定范围的土体通过渗入、劈裂和压密注浆起到加固作用，从而增强桩侧阻力和桩端阻力，提高单桩承载力。对于桩底注浆，除加固桩底沉渣和土体外，一部分浆液可以沿桩身侧面上扩, 不仅使桩端阻力提高而且使桩侧阻力提高。

后注浆处理过程如下：人工挖孔完成后，沉放钢筋笼，再灌注混凝土，待混凝土达到一定强度后，利用事先附着于钢筋笼上的注浆管和注浆阀，通过压力注浆实施桩端和桩侧注浆。后注浆桩在人工挖孔桩的施工工序上没有增加额外的施工工序，不影响桩的正常施工。由于每根桩设置多个注浆阀，采取间歇注浆的方式，每天只对每根桩的一个注浆阀进行注浆，以保证水泥浆充满于桩的周围土体中。在后注浆的过程中，出现水泥浆通过桩护壁侧冒出地面，此时停止注浆间歇两小时左右，重新对该注浆阀进行注浆。

5 工程检测结果

根据建筑地基基础设计规范（GB50007—2002）第7.2.8条[3]，刚性桩复合地基承载力检测可采用单桩静载荷试验和地基土承载力特征值结合的方法确定。由于本工程桩径种类较多，单桩竖向承载力也各不相同，对于大直径桩在现场难以采用常规手段对其承载力进行检测，只能对较小直径桩进行单桩竖向静载荷试验，验证桩侧、桩端阻力设计取值的合理性。在人工挖孔的过程中，发现第③层强风化泥灰岩内存在孤石，由于桩底土存在塌孔问题，且有地下水影响，孤石难以破除，致使部分桩桩端落在孤石上，因此在进行单桩承载力检测时，需要考虑选择此类样本进行检测。

考虑工程实际情况，选择3根有代表性的小直径桩进行单桩竖向承载力检测，以验证设计的单桩承载力合理性。其中6-7号桩为主楼部分的基础桩，6-3和6-46号桩为裙房部分的基础桩，3根试验桩设计参数及桩端土层描述见表 2。根据基桩检测单位提供的检测报告，6-7号桩单桩竖向承载力极限值为8 500 kN，6-3号桩单桩竖向承载力极限值为8 075 kN，6-46号桩单桩竖向承载力极限值为6 600 kN，3根试验桩静载荷试验曲线如图4所示。